CN101575947B - 一种高强韧无碳化物贝氏体钻杆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强韧无碳化物贝氏体钻杆及制备方法，按质量百分数：C：0.10～0.15％、Si：1.2～1.5％、S：＜0.008％，P：＜0.010％，Mo：0.6～1.2％，V：0.10～0.15％，Nb 0.10～0.15％，La：0.25～0.50％，其余为Fe；经真空熔炼，铸造成型，经锻打、穿孔后轧制成管体，将管体加热至900～950℃，保温30～60min，空冷至300～400℃，进行盐浴保温30～60min，空冷至室温；得到的组织晶粒度达到8级以上，微观组织为板条状无碳化物贝氏体，残余奥氏体以薄膜状分布于贝氏体片间，具有很高的强度和韧性。

Description

一种高强韧无碳化物贝氏体钻杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石油钻井用高强韧无碳化物贝氏体钻杆及其制备方法。
背景技术
随着世界石油工业的发展，油气井越来越深。目前已有8000多米深的井。井深度增加，使得钻井工作条件越来越复杂。因此，在钻井过程中，钻杆遇到的工况、钻杆受到的力也是越来越复杂，如拉、压、弯、扭、剪切及其复合，交变载荷等等，显著提高了钻杆失效概率。钻柱失效有时会导致整口井报废，会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。国民经济的发展，人民生活水平的提高，使得中国对石油天然气的需求量越来越大。随着浅井和腐蚀较轻的油气井日渐枯竭，深井作业在所难免。钻井技术进步，钻井参数逐渐强化，钻井作业中对钻杆的性能要求越来越高。现有的钻杆已经不能满足目前的钻杆需求。这就需要加强研究，研制出可以适用于更加严酷的工况的材料，以满足钻井工作的要求。
传统的石油钻杆是按照API标准制造的，一般采用淬火加高温回火(调质)热处理工艺，得到的组织为回火马氏体。实践证明这种材料在工程应用中，取得了良好的服役效果。但是，随着钻井作业环境的进一步恶劣，这类钻杆显示出了明显的不足。
油气井深度的增加，不仅仅要求钻杆材料有高的屈服强度，还要求有与之匹配的高韧性。目前普遍采用的判断钻杆服役性能的方法是基于断裂力学理论得到的先漏后破准则。就是保证钻杆在服役过程中，即使产生了裂纹，在裂纹扩展直至穿透整个管壁之前，钻杆不会发生断裂。根据断裂力学，材料不发生断裂的条件是其裂纹尖端应力强度因子不能超过材料的断裂韧度K1C。由于K1C通常很难测定，所以工程上普遍采用冲击韧性来表示材料的韧性。人们对断裂韧度与材料的冲击韧性做了很多研究，认为它们有特定的函数关系，并根据研究结果提出了许多经验公式，可以作为参考。这样一来我们就可以由材料的冲击韧性来判断其在特定环境下能否满足先漏后破的要求。
通过计算、研究，135ksi钢级钻杆要满足先漏后破准则，其冲击吸收功要达到130J以上。淬火回火工艺处理得到的钻杆很难达到或者稳定的高韧性指标。金属材料的强度与韧性的关系是相互消长的。要有高的韧性，就要提高回火温度，但是回火温度提高了，强度就会降低。目前还没有成熟的做法，使回火马氏体在保证高强度的同时保证稳定的高韧性。
中温淬火得到的下贝氏体组织由极细小的过饱和铁素体和极细小的渗碳体粒子组成，可以达到非常高的强度，同时保持优越的韧性。碳化物虽然作为材料中的强化相，但是由于会强烈的阻碍材料体内位错的运动，降低材料的塑性，对材料的韧性通常是有害的。
发明内容
本发明的目的在于通过适当的成分及加工方法和热处理工艺得到一种具有高强韧匹配性能低碳贝氏体钻杆，该钻杆的力学性能满足API S135钻杆的要求，同时又有高韧性，以解决在严酷工况条件下传统的API钻杆的韧性不足的问题。
本发明主要包括该高强韧低碳贝氏体钻杆的成分、加工及热处理工艺。
出于减少甚至消除材料中的碳化物的形成、降低材料中的原始晶粒尺寸、降低材料中的有害元素以及改善第二相粒子形貌等几种考虑，此钻杆材料采用如下成分(质量百分数)：C：0.10～0.15％、Si：1.2～1.5％、S：＜0.008％，P：＜0.008％，Mo：0.6％～1.2％，V：0.10％～0.15％，Nb 0.10％～0.15％，La：0.25～0.50％，其余为Fe。
本钻杆的加工工艺如下：将上述成分的材料进行真空熔炼，铸造成型，经锻打、穿孔后轧制成管体，再进行全管体热处理；
热处理工艺如下：管体加热至900℃～950℃，保温30min～60min，进行奥氏体化；空冷至贝氏体形成温度，300～400℃，进行盐浴保温30min～60min；空冷至室温，得到组织为下贝氏体和残余奥氏体组织的材料。
得到的组织晶粒度达到了8级以上，微观组织为板条状无碳化物贝氏体，残余奥氏体以薄膜状分布于贝氏体片间(见图2)，具有很高的强度和韧性。
对该钻杆进行实物试验，并与普通合金钢淬火回火钻杆做了性能比较，结果显示该高强韧低碳贝氏体钻杆有优良的性能，特别是高强度和高韧性匹配方面，有比API普通淬火回火钻杆优越得多的性能。并且该钻杆的制造及热处理工艺简单，可以很容易实现批量生产。随着石油工业的发展，高性能钻杆需求量的增大，该钻杆将有广阔的应用前景。
附图说明
图1高强韧低碳贝氏体钻杆的热处理工艺示意图。
图2(a)无碳化物贝氏体钻杆组织。
图2(b)薄膜状残余奥氏体组织形态。
具体实施方式
实施例1-3
用如下热处理工艺：管体加热至900℃～950℃，保温30min～60min，进行奥氏体化；空冷至贝氏体形成温度，300～400℃，进行盐浴保温30min～60min；空冷至室温，得到组织为下贝氏体和残余奥氏体组织的管材。制作了三根满足API Spec 5D钻杆规范尺寸的样品，对其力学性能和淬火回火制造的普通合金钢S135钻杆性能做了比较。列表如下：
Figure S2008101062438D00041
从上面的数据可以看出，在力学性能与普通API S135钻杆相近的情况下，该高韧性低碳贝氏体钻杆有比它们高得多的冲击韧性。此韧性结果完全可以满足断裂力学理论先漏后破准则得到的韧性要求。

Claims (2)

1.一种下贝氏体钻杆的制备方法，其特征在于：此钻杆材料采用如下
成分和质量百分数：C：0.12％，Si：1.25％，S：0.008％，P：0.006％，Mo：0.7％，V：0.08％，Nb：0.8％，La：0.32％，其余为Fe；
或C：0.12％，Si：1.42％，S：0.006％，P：0.008％，Mo：0.84％，V：0.11％，Nb：0.78％，La：0.4％，其余为Fe；
或C：0.15％，Si：1.38％，S：0.006％，P：0.005％，Mo：1％，V：0.15％，Nb：1％，La：0.25％，其余为Fe；
将如上材料进行真空熔炼，铸造成型，经锻打、穿孔后轧制成管体，再进行全管体热处理；
热处理工艺如下：管体加热至900℃～950℃，保温30min～60min，进行奥氏体化，空冷至贝氏体形成温度，300～400℃，进行盐浴保温30min～60min，空冷至室温，得到组织为下贝氏体和残余奥氏体组织的管材。
2.一种下贝氏体钻杆，其特征在于：是根据权利要求1所述的成分和热处理工艺制备而成。
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