CN101608282A - 耐-40℃～-60℃低温钻杆料钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供耐－40℃～－60℃低温用钻杆料钢管，其成份的重量％为C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni：0.55％～0.70％，V：0.0％～0.05％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。还提供一种制造低温钻杆料钢管的方法。本发明的效果是采用以上成分和工艺后制造的钢管具有良好的理化性能、使用性能，并且能够在－40℃～－60℃低温环境下安全使用。在其最小屈服强度达到965MPa的前提下，其横向全尺寸常温冲击吸收功达到100J，纵向全尺寸常温冲击吸收功达到140J，韧脆转变温度为－60℃。

Description

耐-40℃～-60℃低温钻杆料钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种作业环境为耐-40℃～-60℃低温钻杆料钢管及其制造方法。

背景技术

随着当今世界石油工业技术的发展，普通陆地上的石油开采量越来越大，储存余量也相应的随之减少。石油天然气资源的采出程度逐渐加大，促使人类的油气资源开采活动逐渐从已有的资源区块中，转移至一些比较恶劣的环境中进行。随着全球对石油天然气资源依赖程度的日益加重，近些年来，俄罗斯、美国等发达国家相继出台文件，允许并支持开采这些极端环境下的油气资源。

在地球的一些极端地区(高寒，两极，荒漠，深海等)蕴藏着丰富的石油资源，例如俄罗斯的北极地区，加拿大的北部，以及美国的阿拉斯加州，我国的黑龙江大庆油田的北部部分区域等都储藏着丰富的石油、天然气资源。

要开采开发这些地区的资源，要求在钻进作业过程中，承担作业液体和岩屑流通通道的钻杆在保证强度的同时，还要求良好的耐低温冲击的韧性和较低的韧脆转变温度，保证在低温环境下的钻井作业安全。

由于这种极其恶劣的环境下开发石油资源为时较晚，亟待开发适用于这种恶劣工况的油气开采工程中的无缝钢管。

根据查询此类钢管的专利和论文情况，目前尚没有这种应用于低温环境的无缝钢管产品开发出来。因此在实际应用当中，钻杆靠其加厚部分与接头连接，形成可作业管串。就钻杆本体来说国内外研究和开发热点主要集中在钻杆料的以下几个方面：(1)高强度或者超高强度材质钻杆料，这种钻杆主要以API 5D标准的S135钻杆作为参照物，发展到屈服强度达到140/150ksi钢级(965/1034MPa)，如美国Grant公司曾经制造出Z-140型高强度钻杆，其抗拉强度达到1034MPa，冲击韧性能达到54J，但是其韧脆转变温度尚没有相关报道，且并没有这种钻杆应用于低温环境钻井作业中的报道；(2)主要应用于H₂S腐蚀环境中抗腐蚀钻杆料，这种钻杆主要解决的问题是抵抗含H₂S气体的腐蚀钻井作业环境；(3)主要应用于CO₂腐蚀环境中抗腐蚀钻杆料，同(2)相似，这种钻杆主要解决的问题是抵抗含H₂S气体的腐蚀钻井作业环境；(4)前两者混合腐蚀环境的抗腐蚀钻杆料；(5)非钢材质的钻杆，这种钻杆主要是为了减轻其重量而设计制造的，提高强重比，主要有Al合金和Ti合金等材质钻杆，这种材质钻杆成本高，且尚没有能解决低温环境钻井问题的报道。其余的研究开发工作主要集中在提高钻杆接头的连接密封性能和抗扭能力上。

发明内容

本发明是鉴于上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种耐-40℃～-60℃低温用钻杆钢管及其制作方法，从而促使对在此种苛刻的低温环境下的石油天然气资源进行钻探开采，解决在该种低温环境下一般高强度钢管由于韧性不够和韧脆转变温度高的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管，该钻杆钢管的化学成分按重量％为：C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni：0.55％～0.70％，V：0.0％～0.05％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。

还提供一种制造权利要求1所述低温钻杆钢管的方法，该方法包括以下步骤：

①炼钢

采用夹杂物元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述低温钻杆料管成分原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、S；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、真空脱气、包芯丝喂丝处理，使长条状的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物，进行炉外精炼；真空脱气时间5～10分钟，使钢水中的气体充分去除，最后进行连铸铸成钢坯；

②轧管

在环形炉中将上述铸成钢坯轧制的管坯进行加热，加热温度为1230℃-1260℃，使用穿孔机穿孔，采用精轧控制轧制精度，通过限动芯棒连轧机轧制，再通过定径机或者张力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后将制出的钢管经过无损探伤和精整；

③热处理

上述轧态钢管在高温淬火加热炉中加热到860℃～920℃保温并以工业循环水作为淬火液淬火，然后在回火加热炉中加热到640℃～650℃并保温，进行高温回火，出回火炉后进行高温矫直，温度范围在500～600℃；热处理后通过最后一道超声波无损探伤工序，接着进行喷标、涂漆，制成低温钻杆用钢管；

④上述制成的低温钻杆钢管性能为：

服强度为965MPa(钢级140ksi)

抗拉强度≥1100Mpa

常温下横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小100J和最小140J

韧脆转变温度位-60℃

在-40℃～-60℃的温度区间内，横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小50J和最小100J

管体截面全璧厚组织为S_回

平均硬度约为HRC 37.6。

本发明的效果是采用以上成分和工艺后制造的钢管具有良好的理化性能、使用性能，并且能够在-40℃～-60℃低温环境下安全使用。在其最小屈服强度达到965MPa的前提下，其横向全尺寸常温冲击吸收功达到100J，纵向全尺寸常温冲击吸收功达到140J，韧脆转变温度为-60℃。

附图说明

图1为本发明的韧脆转变曲线。

具体实施方式

结合实施例对本发明的耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管及其制造方法加以说明。

本发明的耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管，该钻杆钢管的化学成分按重量％为：C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni：0.55％～0.70％，V：0.0％～0.05％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。

制造上述无缝钢管的方法包括以下步骤：

1、炼钢

真空脱气时间5～10分钟，使钢水中的气体充分去除，最后进行连铸铸成钢坯；

采用夹杂物元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述低温钻杆料管成分原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入高活性度的石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、S等；使用偏心炉底出钢，再采用独特的纯净钢技术，即钢包炉精炼、真空脱气、夹杂物控制技术，即包芯丝喂丝处理，进行炉外精炼。严格控制钢水化学成分，通过造泡沫白渣工艺，提纯钢水成分，并通过向钢水中喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，使长条状的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物；然后进行真空脱气，确保高真空时间不小于5～10分钟，使钢水中的气体充分去除，最大限度地降低钢中气泡夹杂。最后进行连铸铸成钢坯，严格控制钢水过热度、拉坯速度和冷却水量。

2、轧管

在环形炉中将管坯加热，使用穿孔机穿孔，采用独特的精轧技术，严格控制轧制精度，通过先进的限动芯棒连轧机轧制，再通过定径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后，将制出的钢管经过无损探伤和精整。

3、钢管热处理和加工

上述轧态钢管在高温淬火加热炉中加热到860℃～920℃，保温并淬火，使用淬火液淬火，淬火时保证淬火液在钢管内表面高速均匀旋转内喷；然后在回火加热炉中加热到640℃～650℃，进行高温回火。出回火炉后进行高温矫直，采用消除残余应力技术，即采用高温定径和高温矫直，温度范围在500～600℃；热处理后通过最后一道超声波无损探伤工序，接着进行喷标、涂漆，制成低温钻杆钢管。

4、上述制成的低温钻杆钢管性能为：服强度为965MPa(钢级140ksi)，抗拉强度≥1100MPa，常温下横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小100J和最小140J，韧脆转变温度位-60℃，在-40℃～-60℃的温度区间内，横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小50J和最小100J。管体截面全璧厚组织为S_回，平均硬度约为HRC 37.6。

以下以含量为C：0.19％、Si：0.30％、Mn：0.50％、P：0.012％、S：0.002％、Ni：0.61％、Cr：1.01％、Mo：0.59％、V：0.03％，其余为Fe和痕量元素的钢管为例，阐述了本发明的产品制造方法是这样实现的：

1炼钢

a.纯净钢技术

配料采用P，S含量低的优质废钢+铁水(或生铁)，尽可能从源头降低钢中有害元素及夹杂物含量。90/150吨超高功率电弧炉(EAF)偏心炉底出钢，减少温降和钢水二次氧化；留钢留渣，氧化渣难流入钢包。

泡沫渣冶炼，钢包炉(LF)，采用CaO-Al₂O₃高碱度渣，加CaC₂粒还原气氛强，包底吹氩气搅拌，埋弧加热，具有良好的脱氧、脱硫效果，减少夹杂物。

真空处理炉(VD)高真空度80Pa以下，包底吹氩保持10分钟以上，使钢中的氢含量脱到2ppm以下，而且氧、氮含量低，硫含量低，夹杂物上浮，使钢水洁净度提高。

b.夹杂物控制技术

包芯丝喂丝处理(FW)：通过向钢水喂入Si-Ca丝改变夹杂物形态，使长条状的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物，从而改善钢的韧性、降低各向异性，从本质上提高钢的韧性和耐低温韧性。

c.连铸技术

连铸(CCM)采用带有Ar气密封的保护套管，中包覆盖剂，浸入式水口和结晶器保护渣的保护浇铸先进技术，使钢水和空气完全隔离，防止钢水在浇铸过程中的二次氧化。

2轧管

a.精轧技术

计算机自动控制炉温的环型管坯加热炉，精确控制管坯温度，保证管坯轧成管子后性能的稳定和尺寸精度。

为保证壁厚的均匀和内外表面的质量，设有热定心及高压水除磷同时，设有荒管内表面喷硼砂。

精轧成品孔型设计确保管子外径及壁厚精度。

b.工艺控制

环形炉加热温度为1260℃，并且保证管坯温度均匀。

狄舍尔穿管机轧出的毛管壁厚偏差应在±8％以内，为轧制荒管和成品管创造了良好的前提条件。

限动芯棒连轧管机避免“竹节”现象，除管端部，整根钢管壁厚不均不超过±4％。

定径机组保证钢管的外径和壁厚精度，钢管的外径偏差为0-0.5％D。

矫直机组保证钢管弯曲度指标小于1.5mm/m。

3钢管处理和加工

a.热处理技术

热处理生产线通过精确控制淬火炉和回火炉温度对套管进行调质处理以保证钢管的性能。同时，产品管体上最终组织为回火索氏体，保证其具有优良的力学性能。

热处理工艺参数：880℃淬火+650℃高温回火，淬火时保证淬火液在钢管内表面均匀旋转内喷，外表面足量循环水外淋。

b.消除残余应力技术

采用高温定径和高温矫直的工艺技术，不但保证了钢管的外径及圆度的精度，而且是控制其低残余应力的关键

二次定径：在热矫直前进行二次定径，定径温度550～600℃，定径量保证φ177.8mm为0.6mm、φ244.5mm为1mm。确保在钢管上形成有益的压应力。

热矫直温度500～550℃，如热矫直低于500℃则考虑去应力退火，去应力退火温度500℃。

超声波探伤：探伤前，用样管离线校验三次，在线校验三次。人工缺陷代号N5。

经工业炉批量热处理生产后，检测管体常温力学性能，统计如下二表：

热处理处理后的性能

1)室温下强度

Rt(MPa)	Rm(MPa)	Rt/Rm	延伸率	硬度HRC	微观组织
						1039	1102	0.94	29％	37.5	S回，晶粒度8.5级
1050	1111	0.95	30％	37.6	S回，晶粒度8.5级
						1045	1100	0.95	23％	37.6	S回，晶粒度8.5级
1048	1111	0.94	25％	37.7	S回，晶粒度9.0级

2)室温下韧性，取样部位同拉伸实验

其中，非全尺寸(10×10)下的冲击吸收功可按照API 5CT标准中的转换系数转换，转换后也达到设计要求。

3)系列冲击(韧脆转变曲线)

采用经过上述热处理生产后的样管，制取全尺寸10×10冲击试验样，做系列冲击实验，得到如图1所示的韧脆转变曲线，从图上可以看出，韧脆转变温度大约在-60℃，在-60℃以下低温段横向仍具有80J左右的冲击功，在-40℃～-60℃温度区间范围内，冲击韧性比较高，横向大约在100J以上。

Claims (2)

1、一种耐-40℃～-60℃低温钻杆钢管，该钻杆钢管的化学成分按重量％为：C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni：0.55％～0.70％，V：0.0％～0.05％，余量为Fe和含量不可去除的痕量元素。

2、一种制造权利要求1所述低温钻杆钢管的方法，该方法包括以下步骤：

①炼钢

采用夹杂物元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述低温钻杆料管成分原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、S；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、真空脱气、包芯丝喂丝处理，使长条状的MnS夹杂转变成Ca的球形复合夹杂物，进行炉外精炼；真空脱气时间5～10分钟，使钢水中的气体充分去除，最后进行连铸铸成钢坯；

②轧管

在环形炉中将上述铸成钢坯轧制的管坯进行加热，加热温度为1230℃-1260℃，使用穿孔机穿孔，采用精轧控制轧制精度，通过限动芯棒连轧机轧制，再通过定径机或者张力剪径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后将制出的钢管经过无损探伤和精整；

③热处理

上述轧态钢管在高温淬火加热炉中加热到860℃～920℃保温并以工业循环水作为淬火液淬火，然后在回火加热炉中加热到640℃～650℃并保温，进行高温回火，出回火炉后进行高温矫直，温度范围在500～600℃；热处理后通过最后一道超声波无损探伤工序，接着进行喷标、涂漆，制成低温钻杆用钢管；

④上述制成的低温钻杆钢管性能为：

服强度为965MPa  钢级为140ksi

抗拉强度≥1100Mpa

常温下横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小100J和最小140J

韧脆转变温度位-60℃

在-40℃～-60℃的温度区间内，横纵向全尺寸夏比冲击吸收功分别为最小50J和最小100J

管体截面全璧厚组织为S_回

平均硬度约为HRC 37.6。

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