CN101921963B - Jlg105钢级石油钻杆及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了JLG105钢级石油钻杆，所述石油钻杆包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，Mo：0.15～0.35，Cr：0.90～1.20，Ni：≤0.20，Cu：≤0.15，P：≤0.015，S：≤0.008，Al：≤0.02，其余为Fe，另外提供JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，本发明的产品抗硫化物腐蚀性能较好，适用于深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等恶略环境中作业。

Description

JLG105钢级石油钻杆及其生产工艺

技术领域

本发明涉及油气开采专用钻杆，特别是JLG105钢级石油钻杆及其生产工艺。

背景技术

放眼全球，能源成为各界权力争夺的利剑，世界石油勘探的发展，钻探条件越来越复杂，情况复杂的油、气井比率未来将比现在增加几倍之多，对特殊井况钻杆的需求也在相应的增加，开发出适用于目前乃至以后主要油田工况条件，能够克服恶劣地质条件、具有自主知识产权的新型钻杆产品，努力使其在油气开采界实现标准化生产，并最终形成分别适应深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等多种工况条件的石油钻杆产品是该行业企业发展的方向，针对国内外钻井深度较深、抵抗岩层硫化氢腐蚀的油气井，开发出适应深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等多种工况条件的石油钻杆产品，能够得到较广泛应用，市场潜力较大，批量产业化生产的前景非常远大。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提供一种JLG105钢级石油钻杆及其生产工艺，适用于深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等恶劣环境中作业的高钢级抗腐蚀油气井专用钻杆产品。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：JLG105钢级石油钻杆，其特征在于：所述石油钻杆包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，Mo：0.15～0.35，Cr：0.90～1.20，Ni：≤0.20，Cu：≤0.15，P：≤0.015，S：≤0.008，Al：≤0.02，其余为Fe。

本发明还提供JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)对检测合格的圆钢按照工艺设计的要求进行下料；

2)将截好的管坯加热到坯料匀热后出炉，按工艺要求进行穿孔；

3)将穿孔后的管坯轧制成毛管；

4)将经过轧制的毛管进行定径处理；

5)将定径后的毛管进行矫直处理；

6)将矫直后的毛管切取管端毛头后，进行外观检验，并进行NDT检测，保留合格的管体；

7)对检测合格后的管体进行管端加厚；

8)将加厚合格的管体进行热处理调质；

9)调质完成后，进行管体的矫直、椭圆度和直度修正；

10)对完成上述操作的管体进行机械性能和化学分析以及内外缺陷的检验检测。

进一步的，所述管坯在穿孔之前送进环形炉加热到坯料匀热温度为1220～1250℃。

进一步的，所述毛管的管体经定径后的外径公差为+1％D，D为管体外径；壁厚公差为-5％t～+1.0％t，t为管体壁厚；长度公差±200mm。

进一步的，所述毛管的管体经矫直后的弯曲度≤1mm/m，椭圆度≤0.35％D，D为管体外径，管体全长的最大弯曲度不得超过钻杆总长的0.20％。

进一步的，所述管坯的管端加厚过程共有三次，具体过程如下：

1)第一次加厚，将管端加热到1150～1250℃，加热时间80s，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～12.5Mpa，经内外模具在液压作用下进行加厚，第一次加厚后采用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第二次加厚；

2)第二次加厚，加热时间80s，温度控制在1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～13Mpa，第二次加厚结束后用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第三次加厚；

3)第三次加厚，加热时间80s，温度控制1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力15Mpa，第三次加厚后对内锥面及表面进行修磨处理。

进一步的，所述管坯的调质过程是连续性的，单位时间节奏为90秒，具体包括：

1)将管料送进淬火炉，淬火炉内温度升至890±15℃；

2)保持淬火炉内温度在890±15℃，时间为32个单位时间节奏；

3)将管料进行高压水除鳞，高压水除鳞之后管料温度在830℃以上时进行18秒的淬火处理，淬火冷却水温度不超过35℃；

4)将管料送至回火炉进行回火处理，回火炉内温度控制在575±10℃，时间为48个单位时间节奏；

5)将管料进行空冷。

进一步的，所述管体在调质完成后进行矫直、椭圆度和直度修正处理是在管体温度高于480℃时进行。

进一步的，所述机械性能和化学分析包括拉伸性能试验、纵向冲击试验、硬度检测、淬透性与晶粒度检测、抗硫化物腐蚀试验和NDT检测。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：依据国内合金材料成分与性能基本特点，采用自行设计的优质合金铬钼钢作为原材料，从根本上节省生产成本；利用油管管端内外加厚技术，优化内外加厚工艺设计，达到高精度钻杆内外加厚尺寸；优化热处理工艺，提高产品的机械性能，最小屈服强度高于API5D的3.5％要求，进一步使产品的各项性能得到提高。本发明的产品抗硫化物腐蚀性能较好，适用于深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等恶劣环境中作业。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的生产工艺流程示意图；

图2为调质处理工艺曲线图；

图3为拉伸条形试样的尺寸示意图；

图4为拉伸圆棒形试样的尺寸示意图；

图5为纵向冲击试验的试样取样位置及试样类型。

具体实施方式

JLG105钢级石油钻杆，包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，Mo：0.15～0.35，Cr：0.90～1.20，Ni：≤0.20，Cu：≤0.15，P：≤0.015，S：≤0.008，Al：≤0.02，其余为Fe。

与API 5D标准钢级G105钻杆的化学成分对比如下：

实施例1：

钻杆所包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24，Si：0.36，Mn：0.55，Mo：0.25，Cr：0.96，Ni：0.18，Cu：0.12，P：0.013，S：0.004，Al：0.018，其余为Fe。

实施例2：

钻杆所包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.26，Si：0.19，Mn：0.40，Mo：0.35，Cr：0.91，Ni：0.12，Cu：0.15，P：0.01，S：0.005，Al：0.012，其余为Fe。

实施例3：

钻杆所包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.27，Si：0.17，Mn：0.44，Mo：0.16，Cr：0.95，Ni：0.11，Cu：0.13，P：0.015，S：0.007，Al：0.019，其余为Fe。

实施例4：

钻杆所包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.29，Si：0.18，Mn：0.58，Mo：0.19，Cr：1.01，Ni：0.18，Cu：0.10，P：0.01，S：0.004，Al：0.016，其余为Fe。

实施例5：

钻杆所包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24，Si：0.33，Mn：0.51，Mo：0.31，Cr：1.09，Ni：0.12，Cu：0.15，P：0.012，S：0.006，Al：0.015，其余为Fe。

上述5个实施例的钻杆，材质为28CrMo，由原材料经过电炉或转炉冶炼，之后进行炉外精炼，接着进行真空脱氧，最后连铸制造生产成钻杆所用的圆钢。本发明的产品规格是：Φ127×9.19×8800～9350mm，因此钻杆所用的圆钢规格为：Φ150±1.6×6000～12000mm定尺或倍尺，所用圆钢的弯曲度不超过4mm/m，总弯曲度不大于总长的0.4％；圆钢的端部切直角，且端部切斜度不大于公称直径的4％。

圆钢是细晶粒，钢中含有一种或多种细化晶粒元素，如钒、铌、钛、或铝，这些元素的含量能使钢获得较小的奥氏体晶粒尺寸。圆钢的化学成分检验采用通常用来测定化学成分的任何一种方法，如发射光谱、X射线发射、原子吸收、燃烧技术或湿法分析方法进行，选用的校验方法应溯源到所建立的标准，在结果出现不一致的情况下，化学分析按照ASTM A751进行，检验频率按照每炉钢的不同支圆钢上进行二个试样化学成分分析，对所有化学成分元素定量分析。

管坯表面不能出现肉眼可见的结疤、沙眼、气孔、夹杂以及深度大于0.5mm的裂纹、深度大于3.0mm的凹坑、深度大于2.0mm的机械划伤等缺陷。圆钢低倍检验目视或10倍放大镜下不应出现缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、分层、晶间裂纹等缺陷。酸浸低倍组织合格级别：中心疏松≤2.0级、一般疏松≤2.0级、锭型偏析≤2.0级。

非金属夹杂物要求如下：

除此以外，圆钢为细晶粒镇静钢，晶粒度不小于ASTM 5级。

另外本发明还提供了JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，如图1所示，包括以下步骤：

1)对检测合格的圆钢按照工艺设计的要求进行下料；

2)将截好的管坯加热到坯料匀热后出炉，按工艺要求进行穿孔；

3)将穿孔后的管坯轧制成毛管；

4)将经过轧制的毛管进行定径处理；

5)将定径后的毛管进行矫直处理；

6)将矫直后的毛管切取管端毛头后，进行外观检验，并进行NDT检测，保留合格的管体；

7)对检测合格后的管体进行管端加厚；

8)将加厚合格的管体进行热处理调质；

9)调质完成后，进行管体的矫直、椭圆度和直度修正；

10)对完成上述操作的管体进行机械性能和化学分析以及内外缺陷的检验检测。

管坯在穿孔之前送进环形炉加热到坯料匀热温度为1220～1250℃。

毛管的管体经定径后的外径公差为+1％D，D为管体外径；壁厚公差为-5％t～+1.0％t，t为管体壁厚；长度公差±200mm。

毛管的管体经矫直后的弯曲度≤1mm/m，椭圆度≤0.35％D，D为管体外径，管体全长的最大弯曲度不得超过钻杆总长的0.20％。

经过加厚机与内外加厚模具墩粗作用，使得管体两端形成设计中加厚型体，加厚过程共有三次，在每次加厚时都在内外模具上涂抹石墨粉水剂，以起到润滑和降温作用，具体过程如下：

1)第一次加厚，将管端加热到1150～1250℃，加热时间80s，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～12.5Mpa，经内外模具在液压作用下进行加厚，第一次加厚后采用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第二次加厚；

2)第二次加厚，加热时间80s，温度控制在1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～13Mpa，第二次加厚结束后用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第三次加厚；

3)第三次加厚，加热时间80s，温度控制1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力15Mpa，第三次加厚后对内锥面及表面进行修磨处理。

加厚区尺寸如下：

管体的调质过程是连续性的，单位时间节奏为90秒，如图2所示为调质过程的工艺曲线，0-a段为淬火炉加热阶段，a-b段为保温段，b-c段为淬火和回火炉升温段，c-d段为回火炉内保温段，d以后为出回火炉空冷段，具体包括：

1)将管料送进淬火炉，淬火炉内温度升至890±15℃；

2)保持淬火炉内温度在890±15℃，时间为32个单位时间节奏；

3)将管料送至除鳞机进行高压水除鳞，高压水除鳞后管料温度在830℃以上时进行18秒的淬火处理，淬火冷却水温度不超过35℃；

4)将管料送至回火炉进行回火处理，回火炉内温度控制在575±10℃，时间为48个单位时间节奏；

5)将管料进行空冷。

作为补充，在淬火完成后回火之前还有淬透性测试。

JLG105钻杆经步进式加热，内喷外淋式水淬火加回火热处理后，机械性能与API 5D G105钻杆相比较如下：

钢级

屈服强度最小MPa

屈服强度最大MPa

抗拉强度最小MPa

允许硬度变化(HRC)

载荷下的总伸长率(％)

G105	724	931	793	/	0.50
						JLG105	750	930	800	3.0	0.50

50.8mm标距最小伸长率按API 5D公式计算值。

另外在管体冲击吸收性能上，与API 5D G105钻杆相比较如下：

管体最大硬度32HRC，在同一截面最大允许硬度变化量3.0HRC。管体细珠光体组织：晶粒度≥8级。

调质完成后，管体温度在480℃以上时进行矫直、椭圆度和直度修正处理，之后进入检验检测阶段。

API 5D标准中对钻杆批的定义为：出自同一热处理炉，或者出自连续或批处理中同一热处理炉的，或出自不同热处理炉，但按确保满足规范相应技术要求的文件化程序进行热处理的相同尺寸和钢组的所有钢管，Φ127规格钻杆每批≤200根。

对圆钢的熔炼分析检验按照每炉两组试样进行。

对成品的机械性能和化学分析主要分为化学成分分析、机械性能与金相检验、抗硫化物腐蚀试验、NDT检测四部分。

1、化学成分分析

化学成分应采用通常测定化学成分的任何一种方法，如发射光谱、X射线发射、原子吸收、燃烧技术或湿法分析方法，依据ASTM A751标准进行，如果代表一炉钢管的两支钢管的分析结果不符规定要求，应将该炉钢管报废，或者对剩余的钢管进行逐支试验；如果代表一炉钢管的两支钢管的分析结果其中有一支不符规定要求，应将该炉钢报废，或者再取两支进行复检，如果两支复检符合要求，除初检不合格的挑出报废外，该炉钢管判为合格；如果复检两个试样仍有一个或两个不符合要求，该炉钢管判为报废。

2、机械性能与金相检验

1)拉伸性能

JLG105钻杆的拉伸试验各项参数应符合设计要求：

钢级	屈服强度最小MPa	屈服强度最大MPa	抗拉强度最小MPa	允许硬度变化(HRC)	载荷下的总伸长率(％)
						JLG105	750	930	800	3.0	0.50

50.8mm(2in)标距范围内的最小伸长率由下式确定：

$e=625000\frac{A^{0.2}}{U^{0.9}}$

式中：

e——表距为50.8mm(2.0in)时的最小伸长率，以百分数表示，精确到最近似的0.5％；

A——拉伸试样的横截面积，单位为平方毫米(平方英寸)/mm²(in²)，根据规定外径或试样的名义宽度和规定壁后计算的，数值精确到最近似的0.01in²，A值取计算值与0.75in²的较小者；

U——规定的最小抗拉强度，单位为兆帕(磅每平方英寸)/MPa(psi)。

管体的拉伸性能由纵向试样的拉伸试验确定，试验按最新版ASTM A370的要求进行，在室温下进行，试验的应变速度应符合ASTM A370最新版要求。

管体采用条形试样，条形试样可以在钢管圆周上任意部位切取，拉伸试样在生产线上最终热处理后的钢管上切取，条形试样宽度为25.4mm(1in)，条形试样采用全壁厚试样，不应压平，加厚区的拉伸试样采用圆棒型试样，试样在最终热处理后的加厚区取，试样要求如下：

条形拉伸试样的尺寸标示如图3所示，其中上表未提及的t为管体壁厚；圆棒形拉伸试样的尺寸标示如图4所示。

从每批小于200支的钢管中抽一支进行一次拉伸试验，如果代表一批管的拉伸试验结果不符规定要求，从该批管中另取三支钢管进行试验；若所有复检试样合格，则除将初检时不合格的钢管挑出报废外，该批管中的其它所有钢管判为合格；若复检中仍有一个试样不合格，将该批管重新进行热处理，并作为一批新钢管进行检验。

2)纵向冲击试验

夏比V型缺口冲击试验温度为21℃±2.8℃，试验按最新版ASTM A370和ASTM E23要求进行。一组三个冲击试样平行于钢管轴线，径向开槽，冲击试样从最终热处理后的管体上切取，试样不应压平，代表一批钢管的3个试样取自同一钢管，每批小于200支的钢管中抽一个进行一次冲击试验，冲击试验吸收能要求如下：

试样取样位置及试样类型如图5所示，其中1为钢管，2为试样。

如果一组冲击试样没有达到规定的吸收能要求，从同一钢管上再取一组三个试样，复检试样都应符合规定要求；如果复检试样仍不符合规定要求，该批钢管应进行重新热处理。

3)硬度检测

管体最大硬度32HRC，在同一截面最大允许硬度变化量3.0HRC。硬度试样两表面应磨平行、光滑，硬度试验表面不得有氧化层、杂质和润滑剂，采用四个象限全壁厚硬度测试，布氏硬度试验应按ISO6506-1或ASTM E10规定进行，洛氏硬度按ISO6508-1或ASTM E18规定进行，试样与冲击试样一起从管体上取得。

4)淬透性与晶粒度检测

淬透性检测在淬火后回火前进行，以测定淬透性响应。这些试验在产品的管体上进行淬透性(硬度HRC)≥44，采用四个象限的全壁厚硬度测试。晶粒度测定在淬透性试验的试样上进行，晶粒度应采用金相法测定，如ISO643或ASTM规定的“McQuaid-Ehn“或其他方法测定，晶粒度≥8级。

3、抗硫化物腐蚀试验

硫化物应力开裂试验，委托专业权威机构完成。对热处理后的钢管按照NACEStandard TM0284-2003标准规定的抗氢致裂(HIC)；及NACE TM0177-2005标准，通过720小时H₂S饱和的0.5wt％冰醋酸加5wt％NaCl的水溶液浸泡并同时加载600Mpa外应力时不发生断裂的抗SSC腐蚀试验。

4、NDT检测

对产品进行外观几何尺寸检验，包括外径、直度、椭圆度和长度，随后再进行NDT检测，通过在线漏磁、超声+全长测壁厚检测和管端磁粉检测，实现管体全长覆盖率100％的无损检测，管体探伤等级为L2，管端以A2等级采用荧光磁粉进行内外探伤。

至此，本发明产品的检验工序完成，而生产的最后工序还有管体表面喷涂标识，以确保产品的可追溯性，然后测长称重及打包入库。

本发明的产品抗硫化物腐蚀性能较好，适用于深井、超深井、高压气井、水平井、热采井等恶劣环境中作业。

Claims (4)

1.JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，所述JLG105钢级石油钻杆包含的化学成分以重量百分比计为：C：0.24～0.29，Si：0.17～0.37，Mn：0.40～0.60，Mo：0.15～0.35，Cr：0.90～1.20，Ni：≤0.20，Cu：≤0.15，P：≤0.015，S：≤0.008，Al：≤0.02，其余为Fe，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对检测合格的圆钢按照工艺设计的要求进行下料；

(2)将截好的管坯加热到坯料匀热后出炉，按工艺要求进行穿孔；所述管坯在穿孔之前送进环形炉加热到坯料匀热温度为1220～1250℃；

(3)将穿孔后的管坯轧制成毛管；

(4)将经过轧制的毛管进行定径处理；

(5)将定径后的毛管进行矫直处理；

(6)将矫直后的毛管切取管端毛头后，进行外观检验，并进行NDT检测，保留合格的管体；

(7)对检测合格后的管体进行管端加厚；所述管体的管端加厚过程共有三次，具体过程如下：1)第一次加厚，将管端加热到1150～1250℃，加热时间80s，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～12.5Mpa，经内外模具在液压作用下进行加厚，第一次加厚后采用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第二次加厚；2)第二次加厚，加热时间80s，温度控制在1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力12～13Mpa，第二次加厚结束后用打磨机将表面飞边及其他缺欠去除，检验合格后进行第三次加厚；3)第三次加厚，加热时间80s，温度控制1150～1250℃，外模夹紧压力20～25Mpa，内模顶锻压力15Mpa，第三次加厚后对内锥面及表面进行修磨处理；

(8)将加厚合格的管体进行热处理调质；所述管体的调质过程是连续性的，单位时间节奏为90秒，具体包括：1)将管料送进淬火炉，淬火炉内温度升至890±15℃；2)保持淬火炉内温度在890±15℃，时间为32个单位时间节奏；3)将管料进行高压水除鳞，高压水除鳞之后管料温度在830℃以上时进行18秒的淬火处理，淬火冷却水温度不超过35℃；4)将管料送至回火炉进行回火处理，回火炉内温度控制在575±10℃，时间为48个单位时间节奏；5)将管料进行空冷；

(9)调质完成后，进行管体的矫直、椭圆度和直度修正；所述管体在调质完成后进行矫直、椭圆度和直度修正处理是在管体温度高于480℃时进行；

(10)对完成上述操作的管体进行机械性能和化学分析以及内外缺陷的检验检测。

2.根据权利要求1所述的JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，其特征在于：所述毛管的管体经定径后的外径公差为+1％D，D为管体外径；壁厚公差为-5％t～+1.0％t，t为管体壁厚；长度公差±200mm。

3.根据权利要求1所述的JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，其特征在于：所述毛管的管体经矫直后的弯曲度≤1mm/m，椭圆度≤0.35％D，D为管体外径，管体全长的最大弯曲度不得超过钻杆总长的0.20％。

4.根据权利要求1所述的JLG105钢级石油钻杆的生产工艺，其特征在于：所述机械性能和化学分析包括拉伸性能试验、纵向冲击试验、硬度检测、淬透性与晶粒度检测、抗硫化物腐蚀试验和NDT检测。

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