可膨胀筛管基管用TWIP钢的研制及性能分析

论文摘要

本文采用基于层错能的合金热力学设计方法,真空冶炼后热轧的加工方式,设计和制备了具有高强塑积、抗酸性腐蚀的大膨胀率可膨胀管用TWIP钢,其组成为（wt%）C：0.1～0.3%,Mn:25%,Cr:4～10%,Ni:2%,Al:2%,Si:1%,Mo:0.5%,其余为铁。通过25℃～300℃温度范围内的控温拉伸实验,结合OM、XRD、SEM、TEM及EDS等的组织结构分析,研究膨胀管用TWIP钢的力学性能和塑变机制；采用以甘汞为参比电极、5%NaCl+0.5%CH3COOH为腐蚀溶液、扫描速度为50mV/min的动电位法测定极化曲线的电化学腐蚀实验,配合CorrView软件对腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流Icorr的分析,研究膨胀管用TWIP钢的抗腐蚀性能和电化学腐蚀机理；利用具有分析大变形、非线性摩擦接触问题功能的有限元软件ANSYS10.0,研究TWIP钢基膨胀筛管膨胀过程和挤毁过程的力学性能。研究表明：设计钢材具有较高的强度、塑性及抗腐蚀能力,其塑性变形机制为孪生诱发塑性机制；与316L不锈钢基管相比,设计钢材基管膨胀后的抗挤毁性能力更好；形变降低设计钢材的抗腐蚀能力,与低温变形相比,高温变形后的抗腐蚀更优异。此外,本文根据再结晶理论推导了固溶过程中原始晶粒长大尺寸与固溶温度和保温时间的关系：Dt=K’e（-Qm）/（2RT）·t1/2 （1）和退火孪晶数量及尺寸与退火温度和保温时间的关系：d=[（6V0/π）1/3]·n-（1/3）·[1-1/3exp（-BtKA）] n=（6V0/π）·D3·[1-1/3exp（-BtKA）]而且还发现,晶内型退火孪晶能降低晶界的贫Cr化而有助于提高抗腐蚀性能,腐蚀的力学化学效应是变形后抗腐蚀性能降低的主要原因。综合结果表明,设计钢材比316L不锈钢更适合作为膨胀筛管的材料,稠油热采井、深井、超深井和特深井及大膨胀率的情况更加明显。本文的工作提供了完整的膨胀筛管选材和设计思路,对膨胀筛管技术大规模推广使用和适应石油天然气工业发展具有重要的理论和实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及目的意义
• 1.2 可膨胀筛管技术的发展与研究现状
• 1.2.1 可膨胀筛管技术
• 1.2.2 可膨胀筛管技术的研究进展
• 1.2.3 膨胀管材料的研究现状
• 1.3 钢铁材料的新发展及应用
• 1.3.1 TWIP钢研究现状
• 1.3.2 我国钢铁材料的发展
• 1.4 现代石油天然气开发中的材料科学问题和先进的石油天然气用钢
• 1.4.1 适用于新的石油天然气工业应用的材料设计问题
• 1.4.2 深井、超深井、特深井和稠油井开发带来的材料科学问题
• 1.4.3 膨胀管材料和井下膨胀过程中的动态回复和动态应变失效
• 1.4.4 高含酸性气体油气田开发中的材料科学问题
• 1.5 本文的研究内容和方法
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文的研究方法
• 第2章 材料设计
• 2.1 基础理论
• 2.1.1 层错和形变孪晶
• 2.1.2 层错能与变形机制
• 2.1.3 层错能的热力学计算
• 2.2 材料成分的设计
• 2.2.1 可膨胀筛管选材要求
• 2.2.2 孪生的影响因素
• 2.2.3 可膨胀筛管基管用TWIP钢成分的热力学设计
• 2.3 小结
• 第3章 性能分析
• 3.1 设计材料的冶炼及机械加工
• 3.1.1 冶炼
• 3.1.2 钢样制备
• 3.2 机械性能和抗腐蚀性能分析方案
• 3.2.1 实验材料及实验设备
• 3.2.2 实验方案
• 3.3 原始组织分析
• 3.4 机械性能分析
• 3.4.1 热处理工艺对力学性能的影响
• 3.4.2 设计材料的组织与力学性能
• 3.4.3 设计材料的塑变机理分析
• 3.5 抗腐蚀性能的电化学分析
• 3.5.1 四种配方钢样的腐蚀电化学结果比较
• 3.5.2 热处理工艺对电化学腐蚀性能的影响
• 3.5.3 变形对电化学腐蚀性能的影响
• 3.6 小结
• 第4章 有限元分析
• 4.1 可膨胀筛管有限元的基本原理
• 4.1.1 弹塑性本构关系
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 模拟计算过程中迭代收敛判据
• 4.2 结构模型、材料参数及边界约束条件处理
• 4.2.1 结构模型
• 4.2.2 材料参数
• 4.2.3 边界约束条件处理
• 4.3 膨胀过程模拟分析
• 4.3.1 膨胀过程和膨胀后的等效应力分析
• 4.3.2 井下温度和膨胀率对残余应力的影响
• 4.4 抗挤毁分析
• 4.5 结论
• 第5章 总结
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果