CN100507059C - 一种高强韧性连续抽油杆用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强韧性连续抽油杆用钢及其制造方法，解决现有抽油杆强度、塑性偏低以及强塑匹配不良，易发生疲劳断裂的问题；其包括如下步骤：1)其化学成分质量百分比为：C：0.12～0.22、Si：0.15～0.40、Mn：0.30～0.60、Mo：0.20～0.40、Ni：1.30～1.95、Cr：0.40～0.60、V：0.20～0.35、Al：0.015～0.050、Cu≤0.30、S≤0.015、P≤0.020、余Fe；2)冶炼、钢包精炼、连铸成坯，[O]≤0.0025%、[H]≤0.00015%；3)铸坯加热，均热温度1130～1180℃，保温时间≥2.5小时，出炉温度1100～1180℃；4)控制轧制，终轧温度：820～860℃；5)控制冷却：冷却速度40～80℃/h。本发明提高抽油杆钢的综合机械性能和疲劳寿命，满足石油工业的发展。

Description

一种高强韧性连续抽油杆用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶金行业结构钢的成分设计及其制造方法，尤其是指高强度、高韧性连续抽油杆钢的成分设计及其制造方法。

背景技术

目前，我国陆上大约有90％以上的油井使用有杆泵采油方式。一般采用钢质抽油杆，其按强度级别可分为D级杆、H级杆两种，D级杆采用的钢号有35Mn2、35CrMo、42CrMo，制造H级杆主要有12Mn2SiCr、16Mn2SiCr、20Cr2MoNi等。美国石油协会推荐的D级抽油杆有：1536和4142(分别相当于35Mn2和42CrMo钢)。随着采油工业迅速的发展和许多油田不断处于后期开采，采油层逐渐降低和油井加深，要求抽油杆不仅具有足够的强度，而且还要有较高的韧性。

如中国专利申请号90104471.7、200410062593.0、日本专利申请号昭60-238416所公开的抽油杆钢强度达不到高强度的要求：

中国专利申请号92102405.3、96101923.9、01106092.1所公开的抽油杆钢为非调质钢，即通过加入Nb、V、Ti或B元素以达到微合金化之目的，一方面生产上需要精确控制工艺参数以获得要求的组织，生产上难于控制，而存在较大的波动性，另一方面，强韧性偏低；中国专利申请号200410024409.3是唯一的连续抽油杆钢，具有较为出色的韧性，但强度与韧性的配合不理想；

日本专利申请号昭60-238418、昭61-295319所公开的抽油杆钢中Cr含量为8.0～15.0％，合金成分太高而成本一般不被石油设备厂采用。

表1

 

对比例	C	Si	Mn	Cr	Mo	其他元素
							对比例12004100625930	0.25～0.30	0.20～0.40	0.40～0.70	0.80～1.10	0.15～0.25	/

 

对比例22004100244093	0.18～0.23	0.15～0.30	0.40～0.60	1.80～2.00	0.17～0.25	Al 0.02～0.05Cu≤0.30
							对比例3昭61-295319	0.10～0.30	0.10～0.80	0.30～1.20	8.0～15.0	0.05～2.0	Al 0.001～0.050

综上所述，现有所用的连续抽油杆用钢存在以下不足之处：

1.现有抽油杆钢一般不能满足较高强度级别的要求(如对比例1的碳含量为0.25～0.30％，碳当量过高不利于塑性和焊接性能)，即使有能满足强韧性的要求，但成本一般不被石油设备厂所接受(如对比例3中Cr含量为8.0～15.0％)；

2.现有抽油杆钢强度与塑性的匹配不是很理想(如对比例2，断面收缩率和伸长率不理想)，特别是拉伸试验的延伸率偏低；

3.现有抽油杆的耐冲击性能普遍偏低(如对比例1、2，其冲击一般不会超过110J)，易造成抽油杆在复杂的工作环境下承受的复杂应力条件下发生疲劳断裂的倾向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强韧性连续抽油杆用钢及其制造方法，解决现有抽油杆强度、塑性偏低以及强塑匹配不良，易发生疲劳断裂的问题；提高抽油杆钢的综合机械性能，提高抽油杆的疲劳寿命，提高抽油设备的整体稳定性，进一步满足石油工业的发展。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是，一种高强韧性连续抽油杆用钢，其化学成分质量百分比为：

C成      0.12～0.22

Si       0.15～0.40

Mn       0.30～0.60

Mo       0.20～0.40

Ni       1.30～1.95

Cr       0.40～0.60

V        0.20～0.35

Al       0.015～0.050

Cu       ≤0.30

S    ≤0.015

P    ≤0.020

余量为Fe和不可避免杂质。

其中：

碳：是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量，但是碳元素对塑性不利，同时大于0.30％的碳含量不利焊接性能，控制0.12～0.21％碳含量较为合理。

锰：锰在钢中起固溶强化、细化晶粒的作用来提高强度，能显著提高淬透性；但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点，锰的含量控制在0.30～0.60％能在本发明钢中发挥良好的作用。

硅：在钢中能显著提高屈服强度，其固溶强化效果高于锰，在铁素体中能产生M-A岛状组织物，有效提高钢的强度。但是硅的增加会降低塑性，特别是对延伸率的降低更大，控制0.15～0.40％的硅含量，可以起到固溶强化的同时提高韧性。

镍：非碳化物形成元素镍，能降低碳在奥氏体中的扩散激活能，加速碳的扩散，对奥氏体的形成有一定的加速作用；同时镍能强烈地推迟珠光体的转变作用，可以增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织，得到强化的效果。研究表明含量较低的镍含量对奥氏体恒温转变曲线的影响不太显著，本发明钢中添加1.30～1.95％镍元素在抽油杆特别是连续抽油杆中能明显增强强韧性、耐回火能力以及一定的耐腐蚀性能。现有抽油杆用合金结构钢均不含镍元素，因而强韧性配合一直不甚理想。

铬：铬是一种比较弱的碳化物形成元素，可以降低强碳化物的稳定性加速其溶解。同时铬也可以增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织，得到强化的效果。成分设计时，因考虑加入1.30～1.95％的镍元素，可加入相对经济的铬元素，而研究表明加入0.40～0.60％铬与镍配合能起到提高强韧性。本发明钢较现有抽油杆用钢铬的含量低，因而能降低一定的制造成本。

钼：钼与铬、镍同时加入时钼的作用在钢中非常显著。钼作为中强碳化物形成元素可以强烈地阻碍碳化物的形核和长大，同时还可以有效提高淬透性。本发明钢加入0.20～0.40％的钼是最经济有效的含量。

铝：属于细化晶粒元素。铝元素与上述元素配合可进一步细化晶粒，增加淬透性，并提高强韧性。但经验表明过多的铝易增加钢中夹杂物产生的机会，因此0.015～0.050％铝的是本发明钢适宜的含量。

同时硫、磷、铅、锑、铋在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，以减少原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平，使钢具有相当高的纯净度，溶于奥氏体中的碳元素与各元素之间达到理想的最佳配比含量，从而为提高材质的均匀性和强韧性奠定了基础。

本发明的高强韧性连续抽油杆用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)抽油杆用钢的化学成分质量百分比为：C：0.12～0.22、Si：0.15～0.40、Mn：0.30～0.60、Mo：0.20～0.40、Ni：1.30～1.95、Cr：0.40～0.60、V：0.20～0.35、Al：0.015～0.050、Cu≤0.30、S≤0.015、P≤0.020、余量为Fe和不可避免杂质；

2)按上述成分电弧炉冶炼、钢包精炼、连铸浇注成坯，其中，钢包精炼保证[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；

3)连铸坯加热，均热温度1130～1180℃，加热保温时间≥2.5小时，出炉温度1100～1180℃；

4)控制轧制，终轧温度：820～860℃；

5)控制冷却：轧成盘条后在线缓冷，冷却速度40～80℃/h。

进一步，还包括，步骤6)盘条退火，退火温度680～720℃，保持时间5～10小时，出炉温度≤500℃，空冷。

其中，钢包精炼：在钢包精炼炉(容量与电炉相匹配)上，进行钢液的精炼，去除钢中的有害气体和夹杂物，保证[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；所有成分进入优化要求的范围内开始吊包；

连铸浇注：钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度≤35℃。中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，浇注出的合格连铸坯。

轧制：

采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的连铸坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品盘条，其加热炉加热工艺：均热温度1130～1180℃，加热保温时间≥2.5小时，钢坯出炉温度1100～1180℃，阴阳面温差≤30℃；控制轧制：加热均匀的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机，控制终轧温度：840～860℃；控制冷却：轧成盘条后在线缓冷，冷却速度40～80℃/h，不得吹风。

控制轧制的目的是减少脱碳层深度、控制晶粒度尺寸、改善钢材的冷变形性能、控制抗拉强度及显微组织。通过控制加热温度、保温时间和较小的阴阳面温度差以保证钢坯加热均匀(过高的温度会带来严重的脱碳和奥氏体晶粒粗大影响韧性，而过低的温度则造成轧制困难)。在随后的轧制中细化变形奥氏体向铁素体和珠光体的相变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体团。

控制冷却：加热均匀的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机(清除氧化铁皮)。为获得良好的热轧组织及组织性能均匀应终轧温度为840～860℃，盘条钢经辊道输送快冷后进入在线缓冷罩(冷却速度40～80℃/h)，最终获得细片状的珠光体+铁素体平衡组织。即通过控制相变区冷却速度及奥氏体分解转变的温度和时间，这对最终组织形态起决定作用。

本发明的有益效果：

1.本发明抽油杆采用盘条形式，钢质连续抽油杆不同规格之间的连接采用焊接代替螺纹连接，可作大幅度降低抽油杆失效频率，减少抽油杆与油管的磨损，可降低抽油杆的工作应力。

2.本发明盘条钢纯洁度高：夹杂物级别低(A2B2C1D1)，气体含量(氧≤15ppm，氢≤1.5ppm)。

3.本发明盘条钢组织为铁素体+球状珠光体，盘条直接进行开卷后可以在连续感应热处理设备上进行调质处理。

4.本发明盘条钢开卷后在连续感应热处理设备上进行调质处理(850～910℃油淬+560～620℃回火)可获得优良的综合机械性能：屈服强度(Rm)≥790MPa，抗拉强度(Rp0.2)≥890MPa，延伸率(A)≥20％，断面收缩率(Z)≥50％，冲击韧性(Aku2)≥110J。

5.本发明盘条钢具有良好的焊接性能，抽油杆经闪光焊接后其焊缝处的力学性能不低于原杆的力学性能。

6.本发明钢制成的抽油杆具有良好的疲劳性能。

7.本发明对于斜井、深井，腐蚀井及低渗透井等复杂状况的油井中的抽油杆尤其有效。

具体实施方式

本发明实施例参见表2，力学性能参见表3。

断面尺寸为90×90mm²～360×360mm²的合格连铸坯合格连铸坯；轧制：为获得良好的轧态组织，线径大于φ18mm，实施加热温度1120～1150℃，终轧温度为820～840℃，轧后以40～80℃/h冷却速度冷却，当线径5mm<φ≤18mm时实施加热温度1150～1180℃，终轧温度为840～860℃，轧后以40～80℃/h冷却速度冷却；热轧盘条退火，退火温度680～720℃，保持时间5～10小时，出炉温度≤500℃，空冷。

表2

 

实施例	C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Al	Cu	Mo	V	Fe
													1	0.13	0.58	0.011	0.004	0.16	0.58	1.91	0.049	0.29	0.36	0.20	余量
2	0.15	0.50	0.013	0.006	0.37	0.49	1.68	0.045	0.09	0.28	0.25	余量
													3	0.18	0.48	0.012	0.007	0.19	0.52	1.46	0.025	0.15	0.24	0.33	余量
4	0.20	0.40	0.009	0.011	0.30	0.46	1.53	0.040	0.12	0.22	0.30	余量
													5	0.21	0.32	0.009	0.010	0.26	0.40	1.31	0.020	0.25	0.26	0.28	余量
6	0.12	0.58	0.008	0.006	0.35	0.55	1.95	0.031	0.10	0.40	0.34	余量
													7	0.19	0.55	0.010	0.004	0.15	0.57	1.89	0.036	0.08	0.38	0.22	余量
8	0.14	0.56	0.010	0.006	0.18	0.60	1.49	0.015	0.20	0.33	0.21	余量

表3力学性能

 

实施例	屈服强度Rel，Mpa	抗拉强度Rm(Mpa)	伸长率A％	断面收缩率Z，％	冲击韧性，Aku2，J
						1	790	890	23.0	56	196
2	810	920	21.5	55	146

 

3	815	940	23.5	55	132
						4	845	980	22.0	54	139
5	860	1080	20.0	51	117
						6	835	980	21.5	56	139
7	845	1040	20.5	51	151
						8	855	995	22.0	52	119

综上所述，实施本发明生产的盘条钢，经国内某抽油杆生产厂制成连续抽油杆并应用于国内某大型油田，各项性能均符合使用要求，相对普通抽油杆能够较好地解决普通抽油杆无法解决的问题，有着替代普通抽油杆的趋势，特别是对于解决斜井、深井，腐蚀井及低渗透井等有着十分重要意义。

Claims (3)

1.一种高强韧性连续抽油杆用钢，其化学成分质量百分比为：

C         0.12～0.22

Si        0.15～0.40

Mn        0.30～0.60

Mo        0.20～0.40

Ni        1.30～1.95

Cr        0.40～0.60

V         0.20～0.35

Al        0.015～0.050

Cu        ≤0.30

S         ≤0.015

P         ≤0.020

余量为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的高强韧性连续抽油杆用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)抽油杆用钢的化学成分质量百分比为：C：0.12～0.22、Si：0.15～0.40、Mn：0.30～0.60、Mo：0.20～0.40、Ni：1.30～1.95、Cr：0.40～0.60、V：0.20～0.35、Al：0.015～0.050、Cu≤0.30、S≤0.015、P≤0.020、余量为Fe和不可避免杂质；

2)按上述成分电弧炉冶炼、钢包精炼、连铸浇注成坯，其中，钢包精炼保证[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；

3)连铸坯加热，均热温度1130～1180℃，加热保温时间≥2.5小时，出炉温度1100～1180℃；

4)控制轧制，轧制成盘条，终轧温度：820～860℃:

5)控制冷却：轧成盘条后在线缓冷，冷却速度40～80℃/h。

3.如权利要求2所述的高强韧性连续抽油杆用钢的制造方法，其特征是，还包括，步骤6)盘条退火，退火温度680～720℃，保持时间5～10小时，出炉温度≤500℃，空冷。