CN101307413A - 一种Nb微合金化的超高强抽油杆用钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Nb微合金化的超高强抽油杆用钢，适用于稠油井、深井和大泵强采井等，是我国油田急需的特种油杆。其化学成分重量百分比为：C 0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.90～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb 0.035～0.055，Ti 0.010～0.030，V≤0.050，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量为Fe。本发明钢材抗拉强度高于965MPa，塑性面缩率高于50％，延伸率δ200大于10％。适用于制造超重负荷抽油田用抽油杆，抗疲劳性能和抗腐蚀疲劳性能好，经济性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种多元合金化的超高强度抽油杆用圆钢，采用用本发明的钢材加工成抽油杆，其抗拉强度高于965Mpa，韧塑性好，抗腐蚀疲劳性能好，经济性好。
背景技术
为了适应我国增加原油地质储量和满足新疆塔里木盆地沙漠、海洋及与国外合作等深层石油勘探开发的需要，国内外市场对各种深井和超深井用抽油杆将有广泛的需求。我国东部油田的开采已步入后期，深井、超深井、含蜡井对抽油杆的强度、韧性要求更高，原有20CrMoA等D级高强抽油杆满足不了要求，将被超高强度(H级)抽油杆替代。超高强度抽油杆用于重、超重负荷的抽油井，例如稠油井、深井和大泵强采井等，是油田急需的特种油杆。
抽油杆柱失效形式除了表现为疲劳断裂，另外一个很重要的形式为腐蚀疲劳断裂，油井井液中含有盐分、二氧化碳或硫化氢等腐蚀介质，腐蚀介质的侵蚀作用将会大大降低抽油杆使用寿命。即抽油杆断裂是由于腐蚀性物质如硫化氢等逐渐侵蚀杆体降低了抽油杆的许用应力，加上长期疲劳工作造成的。
国内外主要的超高强度的抽油杆为美国Norris公司生产的97型抽油杆用钢、国内唐山钢铁公司自行开发的超高强度抽油杆用钢FG20，和西宁特钢开发的BZ-11H准贝氏体钢。
美国Norris公司生产的97型抽油杆用钢为Cr、Ni、Mo、V等贵金属合金化的钢材，其化学成分重量百分比为：C 0.28～0.33，Si 0.15～0.30，Mn 0.80～1.00，Cr0.80～1.00，Mo 0.20～0.30，Ni 1.65～2.00，P≤0.035，S≤0.040，余量为Fe。它的综合力学性能很好，抗腐蚀疲劳性能好，但由于含较多的Ni，价格很贵，达到上万元/吨；
国内曾经开发BZ-11H、FG20超高强抽油杆用钢通过低成本Si、Mn、Cr、Mo合金化，如FG20其化学成分重量百分比为：C 0.12～0.22，Si 0.50～1.50，Mn 1.90～2.40，Cr 0.50～0.90，Mo 0.15～0.30，Ni≤0.30，V 0.05～0.20，Ti 0.005～0.03，P≤0.025，S≤0.025，余量为Fe；BZ-11H其化学成分重量百分比为：C 0.08～0.15，Si 0.50～1.40，Mn 1.50～2.10，Cr 0.50～1.50，Mo 0.20～0.50，Ni ≤0.20，P≤0.025，S≤0.025，余量为Fe。FG20力学性能不稳定，表现为这种钢材制成抽油杆后，下井后时有断杆现象发生，BZ-11H价格比20CrMo D级抽油杆钢钢高出至少2000元/吨。因此，国内开发的几种超高强度的抽油杆用钢都已被市场淘汰。
低成本(价格比20CrMo D级抽油杆钢不高于500元)高性价比的性能稳定的超高强度抽油杆用热轧圆钢，目前市场供应出现空白。
发明内容
本发明的目的在于克服上述钢材的不足，开发了一种Nb、Ti微合金化、以Si、Mn、Cr为主要元素合金化，降低贵重元素Mo、Ni含量的超高强抽油杆用圆钢。此钢具有优良的综合力学性能，轧材、及热处理后材料力学性能均满足SY/T5029-2005标准要求，且具有良好的抗腐蚀疲劳性能。
本发明为了达到上述目的，超高强抽油杆用圆钢的化学成分重量百分比为：C0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.60～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb0.035～0.055，Ti 0.010～0.03，V≤0.05，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量为Fe。
各种主要元素对材料机械性能、抗腐蚀疲劳性能的作用及影响分析如下：
1)Cr、Mo、Ni
为了保证良好的力学性能和抗腐蚀性能，Mo、Cr均为抗硫化氢腐蚀的合金元素，它们能在表面形成阻碍硫化氢进入的钝化膜，而且适量的Cr可以降低二氧化碳的腐蚀速度，这主要是因为可在表面形成稳定的膜以及膜的自行修复能力所致。Cr、Mo是表面活性元素，能阻滞阳极过程和促进阴极过程，因此利于提高抗腐蚀性能。为了保证钢材的抗腐蚀性，确保Cr+Mo+Ni含量不小于1.15％。
2)Nb、Ti
国外现有的抗硫化氢用钢以Cr、Mo、Nb为主要合金元素。但Nb，Ti微合金化技术在抽油杆钢的应用还没有报道。
Cr、Mo、Nb合金元素都是强碳化物形成元素，形成的碳化物稳定、细小、分散性好，不管是在轧制生产过程中，还是热处理过程中，它们能够阻碍晶粒长大，提高钢的晶粒粗化温度，提高钢的强度和韧性。Nb对钢的抗硫腐蚀性能也有很好的作用，Ti可以改变钢中硫化物夹杂的形态，对提高钢的抗硫化氢腐蚀性能有较明显的作用。Nb，Ti微合金化钢在确保抗硫化氢应力腐蚀能力的同时，具有良好的强度、韧性配合。
3)Si
Si的选用是为了阻止钢中渗碳体析出，减少了过冷奥氏体分解析出碳化物的量，使室温残余奥氏体量增多，从而改善钢的强韧性。在低、中碳合金钢中获得由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成的准贝氏体比典型贝氏体有更高的韧性和疲劳寿命，低的裂纹扩展速率。
4)Mn
非调质钢设汁，通常采用降低钢中的C量，增加钢中的Mn量，Mn是提高非调质钢强度、改善韧性的重要合金元素，它通过固溶强化提高淬透性，细化晶粒提高强度，但Mn含量不宜过高，否则易造成偏析，且钢较脆。
总之，从合金化优化原则出发，本发明以Cr-Mo型钢配合Nb、Ti微合金化为选择。本发明超高强抽油杆用圆钢不同于其他HL钢之处在于低成本，兼顾腐蚀疲劳性能。
本发明超高强度抽油杆用热轧圆钢具有以下优点：
1、成本低，只比D级20CrMo抽油杆钢高成本高出500元，市场前景好
2、NbTi复合微合金化，细化组织，材料的强塑性综合性能良好
3、热处理工艺适用范围广，采用正火，正火+回火，调质处理后力学性能都能满足要求
4、冶炼轧制工艺易于实现
具体实施方式
几种典型的超高强抽油杆钢的化学成分
表1是本发明的几种典型的超高强抽油杆钢实验钢的化学成分。
表1超高强抽油杆钢实验钢(wt％)
| 样号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Nb | Ti | V | B |
| 1# | 0.15 | 0.68 | 1.50 | 0.005 | 0.005 | 1.0 | 0.19 | 0.047 | 0.014 | 0.05 | 0.0011 | |
| 2# | 0.16 | 1.47 | 1.60 | 0.006 | 0.006 | 0.99 | 0.19 | 0.036 | 0.016 | |||
| 3# | 0.20 | 0.51 | 0.99 | 0.006 | 0.006 | 1.91 | 0.18 | 0.053 | 0.013 | 0.05 | 0.0014 | |
| 4# | 0.20 | 0.52 | 1.0 | 0.005 | 0.005 | 1.9 | 0.098 | 0.15 | 0.043 | 0.013 |
采用小炉真空冶炼后，锻造成40×40mm方坯，采用横列式轧机九道次轧制成φ18mm圆钢，加热温度1150℃，保温时间1.5小时，终轧温度800～900℃，轧后空冷。轧材拉伸力学性能见表2
表2轧材拉伸力学性能
| 样号 | 抗拉强度σb | 延伸δ200(％) | 面缩ψ(％) |
| 1 | 1029 | 11.15 | 55.00 |
| 2 | 1136 | 12.10 | 52.0 |
| 3 | 1148 | 11.60 | 54.0 |
| 4 | 1140 | 11.60 | 57.3 |
试验圆钢按不同热处理工艺在抽油杆制造工艺流程线上进行热处理。热处理后材料拉伸力学性能，见表3。试验钢热处理试验工艺流程如下：
1)、调质工艺流程：淬火(中频感应加热装置)→水冷→螺旋推进式箱式炉回火→水冷
2)、正火+回火工艺流程：
正火(中频感应加热)→空冷→回火(中频感应加热)→空冷
3)、正火工艺流程：
正火(中频感应加热)→空冷
表3热处理后拉伸力学性能
| 热处理工艺 | 试样号 | 抗拉强度 | 延伸 | 面缩 |
| 870℃淬火+650℃回火 | 1# | 1006 | 11.0％ | 67.9％ |
| 930℃正火 | 1# | 1049 | 10.5％ | 56.0％ |
| 920℃正火+440～450℃回火 | 1# | 1049 | 11.6％ | 66.0％ |
| 980℃正火 | 2# | 1096 | 12.05％ | 51.8％ |
| 930℃淬火+650℃回火 | 2# | 1018 | 11.5％ | 65.30％ |
| 950℃正火+440℃回火 | 2# | 1081 | 12.3％ | 60.0％ |
| 870℃淬火+600℃回火 | 3# | 1014 | 10％ | 65.00％ |
| 890℃正火+475℃回火 | 3# | 1096 | 13.0％ | 56.0％ |
| 910℃正火+370~380℃回火 | 3# | 1116 | 11.7％ | 60.6％ |
| 865℃淬火+600℃回火 | 4# | 1006 | 11.2％ | 67.00％ |
| 900℃正火 | 4# | 1147 | 11.0％ | 53.0％ |
| 930℃正火+410~420℃回火 | 4# | 1100 | 11.2％ | 62.0％ |
Claims (1)
1、一种Nb微合金化的超高强抽油杆用钢，其化学成分重量百分比为：C0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.90～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb0.035～0.055，Ti 0.010～0.030，V≤0.050，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量为Fe。
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