CN101935804A

CN101935804A - 钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管

Info

Publication number: CN101935804A
Application number: CN 201010286595
Authority: CN
Inventors: 江勇; 张传友; 周家祥; 宗卫兵; 贺爽城; 周晓峰; 史庆志; 刘江成; 李效华
Original assignee: Tianjin Pipe Group Corp
Current assignee: Tianjin Steel Tube Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: CN101935804B

Abstract

本发明提供一种钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管，其成份的重量％为C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.60％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％，Cr：0.80％～0.90％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.06％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素。该种产品生产方法是采用废钢和海绵铁或铁水做炼钢原料，经电弧炉冶炼、炉外精炼和真空脱气后，连铸成圆坯，再经高精度热轧成无缝钢管后，再经过调质热处理，制成中空光端无缝钢管。该产品达到的有益效果是该钢管具有良好的理化性能，超出常规水平，可广泛应用于石油钻井行业。

Description

钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管

技术领域

本发明涉及一种钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管。

背景技术

本发明之前，在石油钻井行业，国内外普通钻杆钢级最高达到S135，其屈服强度达到最小931MPa，最大1138MPa，纵向冲击吸收功仅仅要求室温全尺寸单个最小47J，平均最小54J。钻进作业过程中，钻柱在承受钻压过程中需要旋转钻进，管体和连接部分均承受扭转载荷。近年来有相关报道及技术论文分析论及，此种普通API 5D标准钻杆冲击韧性技术指标偏低，导致钻井过程中钻杆发生刺漏等事故。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管，以利于达到保证屈服强度满足上述指标的同时，改善管体冲击韧性的目的，使其达到的冲击韧性指标：平均夏比冲击功≥100J，单个夏比冲击功≥95J均为21℃±2.8℃，10×10×55mm，纵向试样，增进钻井作业安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管，其成份的重量％为C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.60％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％，Cr：0.80％～0.90％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.06％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素；

其力学性能达到：其屈服强度在931MPa～1138MPa之间，抗拉强度≥1000MPa，冲击韧性指标：平均夏比冲击功≥100J，单个夏比冲击功≥95J(均21℃±2.8℃，10×10×55mm，纵向试样)；钢管结构为无缝光管。

本发明的效果是该钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管提高了高钢级钻杆的管体冲击韧性，达到的效果是大大改善了钻杆的使用安全性。

具体实施方式

结合实施例对本发明的钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管结构加以说明。

本发明的钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管，其成份的重量％为C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.60％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％，Cr：0.80％～0.90％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.06％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素；

钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管的力学性能达到：其屈服强度在931MPa～1138MPa之间，抗拉强度≥1000MPa，冲击韧性指标：平均夏比冲击功≥100J，单个夏比冲击功≥95J均为21℃±2.8℃，10×10×55mm，纵向试样，钢管结构为无缝光管。

上述化学成分中，C、Mn、Cr和Mo元素是为了保证管体达到设计的屈服强度。其中：1)C、Mn和Mo的含量分别控制在0.18％～0.22％、0.60％～0.70％和0.40％～0.50％的范围内是为了保证管体在热处理时具有足够的淬透性，在常规钻杆壁厚范围内，一般为6.88～12.7mm，保证热处理时管体内外壁效果均匀，尤其是Mo元素，同时考虑到其经济性因素；2)C元素含量不宜太高，由于其提高管体的强度的同时，对管体的冲击韧性是有害的，所以本设计中综合考虑到1)后，根据实际经验，其含范围以不超过0.22％为宜；3)本设计中V含量为0.06％～0.10％，一则为其能提高管体热处理时回火温度，二则由于V在晶界的析出，改善热处理后的韧性；4)本设计中S元素的控制是重中之重，由于S元素在炼钢时难以去除，提高冶炼生产成本，且高S含量影响管体的冲击韧性已经是不争的事实，根据生产实际，S的控制范围为不超过0.005％，目标期望值达到0.003％以下。

制作钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管的生产方法，该方法包括以下步骤：

①炼钢

采用P、S元素含量低的优质废钢，运用超高功率电弧炉进行冶炼，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，再采用纯净钢技术，即钢包炉精炼、真空脱气及夹杂物控制技术，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，采用Ca处理工艺，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。具体为：

a.纯净钢技术

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。

提高精炼炉初渣碱度，调整渣料配比，提高炉渣吸附夹杂物能力。真空处理炉(VD)高真空度70Pa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。

通过炼钢精炼工位精确控制钢水化学成分，使其在连铸前得到如下表1所示化学成分：

表1连铸前钢水化学成分实例

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。

下表2是轧制后按ASTM E45A法夹杂物评级的结果实例：

表2夹杂物评级实例

管体冲击韧性直接影响了该成品管在承受高强度高速冲击载荷作用后管体的安全性，同时由于长条状硫化物夹杂物对冲击韧性存在明显的影响，所以本产品对S的含量控制要求很高，这通过后期Si-Ca丝的喂入来解决，同时通过喂入Al丝来控制脆性的Al₂O₃夹杂物。

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

在环形炉中将管坯加热，使用穿孔机穿孔，采用先进的PQF轧制工艺的精轧技术，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。具体为：

a.精轧技术

环型管坯加热炉的炉温采用计算机自动控制，精确控制管坯温度，确保轧制温度不低于1250℃，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，设有高压水除磷及石墨润滑的同时，设有荒管内表面喷硼砂。

精轧成品孔型设计并采用PQF轧机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。

穿管机轧出的毛管壁厚偏差应在±10％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±8％。

定径机组保证钢管的外径和壁厚精度，钢管的外径偏差为0～1.0％D。矫直机组保证热轧钢管弯曲度指标小于1.5mm/m。

3钢管热处理和加工

钢管在淬火加热炉中加热到910℃，使用水基淬火液淬火，淬火时保证淬火液在钢管内表面均匀旋转内喷；然后在回火加热炉中加热到660℃，进行高温回火。采用独特的消除残余应力技术，即采用高温矫直技术，矫直温度范围在500～600℃；通过无损探伤，最后进行喷标、定尺、涂漆，制成成品钢管。

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：900℃以上水淬火+640℃高温回火，淬火时保证淬火介质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。这一过程是靠高温回火后快速出炉的办法来实现，管体的高V含量促使其回火的温度可以较高，这保证钢管出回火炉后进入矫直机的温度比较高。

尽量保证热矫直温度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。

上述制成的油气井井下作业用钢管力学性能为：

屈服强度：总延伸0.7％，最小为931MPa，钢级135ksi；抗拉强度≥1000MPa。

冲击韧性指标：平均夏比冲击功≥100J，单个夏比冲击功≥95J均为21℃±2.8℃，10×10×55mm，纵向试样。

Claims

1.一种钢级135ksi高韧性钻杆用无缝钢管，其成份的重量％为C：0.18％～0.22％、Si：0.15％～0.35％、Mn：0.60％～1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％，Cr：0.80％～0.90％，Mo：0.40％～0.50％，V：0.06％～0.10％，余量为Fe和不可去除的痕量元素；

其力学性能达到：其屈服强度在931MPa～1138MPa之间，抗拉强度≥1000MPa，冲击韧性指标：平均夏比冲击功≥100J，单个夏比冲击功≥95J均为21℃±2.8℃，10×10×55mm，纵向试样；钢管结构为无缝光管。