CN102409240A

CN102409240A - 抗硫化氢腐蚀石油钻杆用钢及其制造方法

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Publication number: CN102409240A
Application number: CN2010102896966A
Authority: CN
Inventors: 殷光虹; 于杰; 赵鹏; 郭金宝
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN102409240B

Abstract

抗硫化氢腐蚀石油钻杆用钢及其制造方法。本发明涉及一种钻杆管体用钢，其化学成分的重量百分数为：C：0.20～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.3～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Mo：1.0～2.5％，V：0～0.25％，Ti：0～0.05％，Nb：0.01～0.05％，Ca：0.008～0.02％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，O：≤30ppm，N：≤60ppm，Al：0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的钻杆管体的制造方法，包括：采用电炉冶炼，熔炼后采用LF+VD双真空处理，LF精炼终了的[N]≤30ppm、[O]≤10ppm；VD真空处理后的镇静时间为5～15分钟；采用喂Si-Ca丝方式进行Ca处理；连铸中，连铸坯拉速控制在1.8～2.5m/min之间；将上述材料热轧成无缝钢管并经两端加厚以后，在850～950℃加热，保温0.5～1小时后淬火，然后在680～730℃温度之间保温1～3小时回火，制成钻杆管体。该管体的屈服强度在120ksi以上。

Description

抗硫化氢腐蚀石油钻杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种抗硫化氢腐蚀用石油钻杆用钢，特别是涉及屈服强度达120ksi(827MPa)以上的抗硫化氢腐蚀石油钻杆管体用钢及其制造方法。采用本发明的钢种和生产工艺，可以生产出屈服强度达120ksi(827MPa)以上钢级的高强度抗硫化氢腐蚀石油钻杆。

背景技术

传统的生产抗硫钻杆的主要工艺过程是：将热轧无缝钢管两端按所需尺寸加厚，然后进行整体调质热处理，制成合格的钻杆管体。将热处理过的工具接头与钻杆管体经摩擦对焊连接后，再进行焊逢热处理，最后经适当机械加工制成石油钻杆。

目前世界各国能够生产的抗硫钻杆最高钢级为105ksi(最小屈服强度大于724MPa)，与之配套的工具接头钢级为110ksi(最小屈服强度大于758MPa)，还没有能够生产出屈服强度为120ksi钢级(最小屈服强度大于827MPa)的抗硫钻杆。

生产屈服强度在120ksi以上钢级抗硫钻杆存在如下主要技术问题是：就抗硫钻杆管体钢种而言，对于适合水淬热处理的钢种，为达到120ksi以上钢级的性能和使用要求，主要是要保证足够的强度和抗硫性能。C、Mn、Cr、B是提高材料淬硬性的主要元素，可以有效的提高钢的淬硬性。同时，为了提高材料的韧性，在C、Mn、Cr、Mo钢中复合加入Nb、V、Ti等能提高强韧性的微合金元素。通过以上元素的合理搭配和热处理，基本上可以得到所要求的材料强度。但是如何在高强度的条件下得到满足要求的高抗硫性能，目前还没有很好解决。这是因为随着材料强度的提高，材料中的内应力增大，材料的硫化物应力腐蚀敏感性增加，抗硫性能有所降低。

就抗硫钻杆的工具接头钢种而言，如果采用与管体相同钢级的成分设计，由于接头的壁厚比管体厚的多，因此热处理淬火后的马氏体量比管体要少，接头的抗硫性能会有较大的降低，基本不能通过最低要求的抗硫性能试验评估。

发明内容

本发明的目的是提出一种适合制造120ksi以上钢级抗硫钻杆管体材料的钢种成分和制造工艺，重点是在加入必须的合金元素，保证抗硫钻杆强度的同时，通过冶炼工艺，降低非金属夹杂物含量，保证钻杆管体在高强度条件下具有优异的抗硫性能。同时配以具有很好抗硫性能的110ksi钢级工具接头，经摩擦对焊和焊后热处理制成高强度抗硫钻杆。

为了实现上述目的，本发明的钻杆管体采用以下成分的无缝钢管(重量百分比)：C：0.20～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.3～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Mo：1.0～2.5％，V：0～0.25％，Ti：0～0.05％，Nb：0.01～0.05％，Ca：0.008～0.02％，P≤0.015％，S≤0.005％，O：≤30ppm，N：≤60ppm，Al：0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

为保证钻杆管体材料具有更好的抗硫性能，优选地，C：0.25～0.30％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.3～0.8％；Cr：0.5～1.0％；Mo：1.2～2.0％；V：0～0.15％；Ti：0～0.03％；Nb：0.01～0.035％；Ca：0.015～0.02％；P≤0.010％；S≤0.001％；O：≤25ppm；N：≤50ppm；Al：0.01～0.04％。

本发明的上述无缝钢管的制造包括：采用电炉冶炼，熔炼后采用LF+VD双真空处理。LF处理重点要造好精炼渣，以保证LF精炼终了的[N]≤30ppm、[O]≤10ppm。VD真空处理后的镇静时间为5～15分钟，优选的镇静时间为10～15分钟。采用喂Si-Ca丝方式进行Ca处理，喂丝处理结束后严禁添加任何合金。冶炼后钢水连铸拉速控制在1.8～2.5m/min之间，优选拉速在2m/min左右。通过以上工艺，保证成品管材中的A类(硫化物)夹杂≤0.5级，B类(氧化物)夹杂≤1.0级，且A、B、C、D四类夹杂之和≤2级，同时Ca/S≥2。

下面分别介绍各个合金元素的作用：

C：0.20～0.35％，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性，并有可能产生淬火裂纹。优选为0.25～0.30％。

Mn：0.3～1.5％，Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的转变，从而得到更多的淬火马氏体，提高钢的淬透性。Mn含量小于0.3％时提高淬透性的作用不明显，若Mn含量过高，则会增组织偏析，影响抗硫性能。优选为0.3～0.8％。

Cr：0.5～1.5％，Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性，太低时效果不明显，太高时会大大提高钢的硬度，影响抗硫性能。优选为0.5～1.0％。

Mo：1.0～2.5％，主要是通过碳化物析出强化及固溶强化形式来提高钢的强度和回火稳定性。Mo的碳化物颗粒细小，不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高抗硫性能。较高的Mo含量在形成Mo的碳化物同时，还会有一部分多余的Mo固溶在基体中，以固溶强化的形式提高钢的回火稳定性。回火稳定性的提高有利于提高回火温度，从而降低热处理后的残余应力，提高抗硫性能。优选为1.2～2.0％。

V：0～0.25％，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。优选为0.01～0.25％，更优选为0.01～0.15％。

Ti：0～0.05％，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。优选为0.01～0.05％，更优选为0.01～0.03％。

Nb：0.01～0.05％，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。优选为0.01～0.035％。

Si：0.1～0.5％，为提高浇铸性能必须加入的元素，含量过高会增加钢的脆性。优选为0.1～0.3％。

S：≤0.005％，加入量超过会增加硫化物含量，影响钢的抗硫能力。优选为≤0.001％。

P：≤0.015％，加入量超过会增加微观偏析，影响钢的抗硫能力。优选为≤0.010％。

Al：0.01～0.05％，Al作为脱氧剂是必须加入的元素，但应控制加入量，以减少夹杂物含量。优选为0.01～0.04％。

Ca：0.008～0.02％，且Ca/S≥2，可以使夹杂物球化，提高抗硫性能。

O：≤30ppm，可以有效减少氧化物夹杂。优选为≤25ppm。

N：≤60ppm，可以有效减少氮化物夹杂。优选为≤50ppm。

将上述材料轧制的热轧无缝钢管经两端加厚以后，在850～950℃加热保温0.5～1小时后淬火，然后在680～730℃温度之间保温1～3小时回火，制成屈服强度在120ksi(827MPa)以上的钻杆管体。

采用屈服强度在110ksi(758MPa)以上的钻杆工具接头与管体进行摩擦对焊，焊后对焊缝进行调质热处理，制成石油钻杆。考虑到工具接头的强度低于管体，为保证足够的抗扭性能，采用高抗扭工具接头。进行焊缝热处理后，焊缝热影响区的强度会有所降低，通过调整回火温度保证焊接热影响区的屈服强度大于95ksi(655MPa)。

具体实施方式

下面就常用的Cr-Mo钢、Cr-Mn-Mo钢和本发明钢种进行对比，其化学成分见表1。

采用电炉冶炼，熔炼后采用LF+VD双真空处理，LF精炼终了的[N]≤30ppm、[O]≤10ppm；

VD真空处理后的镇静时间为10±5分钟；

采用喂Si-Ca丝方式进行Ca处理；

连铸中，连铸坯拉速控制在2.0m/min左右；

将上述材料热轧成无缝钢管并经两端加厚以后，在900±50℃加热保温0.5～1小时后淬火，然后在700±20℃温度之间保温1～3小时回火，制成钻杆管体。

与对比钢相比，本发明的钻杆管体具有较高的Mo，提高了材料的回火稳定性，因此在较高温度回火后，仍然具有较高的强度。同时本发明具有较低的S，且Ca/S≥2，可以有效改变夹杂物形态。本发明的O含量低于30ppm，通过冶炼工艺的控制，保证A类(硫化物)夹杂低于0.5级，B类(氧化物)夹杂低于1.0级，且A、B、C、D四类夹杂之和低于2级，从而保证材料具有优异的抗硫性能。

表2热处理工艺及性能

其中，抗硫性能采用NACE TM0177标准的A法，进行恒载荷试验。在5.0％NaCl+0.4％醋酸钠+0.23％冰醋酸的饱和H2S水溶液中进行720小时试验，H₂S的分压为0.1MPa。

表3钻杆实体机械性能

t：吨

表3是常用的127×9.19mm和139.7×10.54mm两种规格钻杆的实体性能。设计管体最小屈服强度为827MPa，焊缝最小屈服强度为655MPa，工具接头最小屈服强度为758MPa。其可以达到的实体拉伸屈服强度是根据钻杆不同部位的截面积与其单位面积上的最小强度乘积计算的。其可以达到的扭转屈服强度是根据API RP 7G(美国石油协会钻杆标准)中扭转强度计算公式计算的。从表3可见，焊缝和工具接头的实体拉伸屈服强度及扭转屈服强度均大于管体，因此，采用本发明可以制造合格的120ksi(827MPa)以上钢级抗硫钻杆。

Claims

1.一种钻杆管体用钢，其化学成分的重量百分数为：C：0.20～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.3～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Mo：1.0～2.5％，V：0～0.25％，Ti：0～0.05％，Nb：0.01～0.05％，Ca：0.008～0.02％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，O：≤30ppm，N：≤60ppm，Al：0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的钻杆管体用钢，其特征在于，V：0.01～0.25％，Ti：0.01～0.05％。

3.如权利要求1所述的钻杆管体用钢，其特征在于，C：0.25～0.30％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.3～0.8％；Cr：0.5～1.0％；Mo：1.2～2.0％；V：0～0.15％；Ti：0～0.03％；Nb：0.01～0.035％；Ca：0.015～0.02％；P≤0.010％；S≤0.001％；O：≤25ppm；N：≤50ppm；Al：0.01～0.04％。

4.如权利要求3所述的钻杆管体用钢，其特征在于，V：0.01～0.15％，Ti：0.01～0.03％。

5.如权利要求1-4任一所述的钻杆管体的制造方法，包括：

VD真空处理后的镇静时间为5～15分钟；

采用喂Si-Ca丝方式进行Ca处理；

连铸中，连铸坯拉速控制在1.8～2.5m/min之间；

将上述材料热轧成无缝钢管并经两端加厚以后，在850～950℃加热保温0.5～1小时后淬火，然后在680～730℃温度之间保温1～3小时回火，制成钻杆管体。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，VD真空处理后的镇静时间为10～15分钟。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，连铸坯拉速在2m/min左右。

8.如权利要求5-7任一所述的方法制造的钻杆管体，其中A类-硫化物夹杂≤0.5级，B类-氧化物夹杂≤1.0级，且A、B、C、D四类夹杂之和≤2级，同时Ca/S≥2。

9.如权利要求8所述的钻杆管体，其屈服强度在120ksi以上。

10.一种石油钻杆，由权利要求8或9所述的钻杆管体与屈服强度在110ksi以上的钻杆工具接头进行摩擦对焊，焊后对焊缝进行调质热处理而制成。