CN101935808A

CN101935808A - 130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆及其制造方法

Info

Publication number: CN101935808A
Application number: CN 201010286723
Authority: CN
Inventors: 曹耀峰; 周家祥; 张传友; 江勇; 刘江成; 李效华; 史庆志; 周晓峰
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: CN101935808B

Abstract

本发明提供一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆，该钻杆成分组成以质量％计，含有C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.25～0.85％，Cr：0.45～1.25％，Mo：0.25～0.85％，Ni：0.35～0.85％，V：0.03～0.10％，Nb：0.01～0.06％，Al：0.008～0.050％，Ca：0.0015～0.0050％，其余为铁，杂质元素微量。同时提供一种130ksi钢级的低温高韧性抗H₂S腐蚀的钻杆的制造方法。本发明的效果是该钻杆采用合理的原料成分以保证冲击韧性、良好的抗H₂S腐蚀的能力和材质的强度。经本炼钢工艺提高了钢铁的纯净度。在轧制过程中提高了生产节奏，改善了钢管的内外表面质量和尺寸精度。经热处理改善了钢材的冲击韧性和抗腐蚀能力，改善钢管的韧性，对提高钢管的抗腐蚀性能非常重要。

Description

130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种130ksi钢级的钻杆，特别是一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆及其制造方法。

背景技术

由于世界经济的不断发展，人类对石油天然气的需求量越来越大，原油价格不断上涨，使得石油公司对石油的开采逐渐向地球的极端地区，如高海拔、酷寒、两极地区、高H₂S腐蚀地区发展。要开发这些地方的油气资源，相应的对石油专用管如油管、套管、钻杆等提出了更加苛刻的要求。要求钻杆不仅要有较高的屈服强度，还要有好的低温冲击韧性和良好的抗H₂S腐蚀的能力。

钻杆作为石油钻井的主要作业工具，随着油田下井深度的不断增加，对钻杆本身的屈服强度要求也越高，现在钢级达135ksi的钻杆使用日趋广泛，API标准虽然也有S135钻杆的钢级，但对抗H₂S腐蚀性能没有严格要求。在富含H₂S腐蚀的油气田中，钻杆的抗腐蚀能力直接关系到钻杆的使用寿命和作业安全。而对于高钢级的钢管来说，随着强度的增加，要提高钢管抗腐蚀性能本身就异常困难。

高钢级管材面对的另一大难题就是，在低碳低合金调质钢里，屈服强度和冲击韧性是互为消涨的矛盾关系，也就是说屈服强度和冲击韧性不可能同时提高。要获得较高的屈服强度，就必须降低调质过程中的回火温度，此时冲击韧性则受到影响；相反如果想要提高钢材的冲击韧性，则必须在较高的温度下进行回火，而此时材料的屈服强度则大幅下降。钢材的强韧性同步增长是世界性难题，也是近来各冶金学者和专家研究的热点领域。

因此，尽快生产出一种屈服强度达130ksi钢级的钻杆，同时兼有良好的抗H₂S腐蚀的能力和优良的低温冲击韧性，来满足石油钻井行业的需求。

发明内容

鉴于上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆及其制造方法，以利于达到目的之一，常温下管材的屈服强度900～980MPa，洛氏硬度HRC值在26～30之间；目的之二，韧脆转变温度在-60℃～-80℃，在-80℃温度下夏比V型横向冲击功100～120J，纵向冲击功120～140J；目的之三，NACE试验A法圆棒小样在名义屈服强度的80％加载作用力下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不断裂，平均晶粒度11～12级。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆，该钻杆成分组成以质量％计，含有C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.25～0.85％，Cr：0.45～1.25％，Mo：0.25～0.85％，Ni：0.35～0.85％，V：0.03～0.10％，Nb：0.01～0.06％，Al：0.008～0.050％，Ca：0.0015～0.0050％，其余为铁，杂质元素微量。

所述钻杆常温下管材的屈服强度900～980MPa，洛氏硬度HRC值在26～30之间；韧脆转变温度在-60℃～-80℃，在-80℃温度下夏比V型横向冲击功100～120J，纵向冲击功120～140J；NACE试验A法圆棒小样在名义屈服强度的80％加载作用力下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不断裂，平均晶粒度11～12级。

同时提供一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆的制造方法。

本发明的效果是该钻杆(1)在合金元素设计上采用较低的C元素保证冲击韧性和良好的抗H₂S腐蚀的能力，添加适量的Cr、Mo、Mn、Ni等合金元素来提高材质的强度，同时辅助V、Nb等微合金化元素细化晶粒，改善钢管的强韧性匹配。

(2)在炼钢工艺上钢水经过VD真空脱气，然后喂入Al丝深度脱氧，搅拌10分钟后再喂入CaSi丝使钢液中夹杂物球化，喂丝结束后搅拌时间8分钟，搅拌结束再镇定10分钟后上连铸平台进行连铸让夹杂物有充分的球化和上浮时间，提高了钢铁的纯净度。

(3)在轧制过程中采用环形炉加热、无缝管连轧、控制轧制和控制冷却，提高了生产节奏，改善了钢管的内外表面质量和尺寸精度。

(4)在热处理过程中采用高频感应炉加热，将钢管在短时间内迅速加热到完全奥氏体状态，细化了钢铁的原奥氏体晶粒度，在水冷过程中细小的奥氏体晶粒度被保留下来，同时奥氏体被水淬成全马氏体组织，在随后的回火过程中，马氏体分解成细小而均匀的回火索氏体组织，高温回火改善了钢材的冲击韧性和抗腐蚀能力。高温回火后的空冷也将钢管在淬火过程中产生的残余应力几乎完全消除，这也对改善韧性，提高抗腐蚀性能非常重要。

具体实施方式

下面，结合实施例详细对本发明的130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆及其制造方法加以说明。

本发明的130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆化学组成以质量％计，含有C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.25～0.85％，Cr：0.45～1.25％，Mo：0.25～0.85％，Ni：0.35～0.85％，V：0.03～0.10％，Nb：0.01～0.06％，Al：0.008～0.050％，Ca：0.0015～0.0050％，其余为铁，杂质元素微量。

所述钻杆的性能指标是：常温下管材的屈服强度900～980MPa；洛氏硬度HRC值在26～30之间，韧脆转变温度在-60℃～-80℃；在-80℃温度下夏比V型横向冲击功100～120J，纵向冲击功120～140J；NACE试验A法圆棒小样在名义屈服强度的80％加载作用力下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不断裂，平均晶粒度11～12级。

本发明的130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆制造方法是这样实现的：

炼钢：

按上述钢种组成元素重量成分配料冶炼，电炉炼钢，精炼完后的钢水经过VD真空脱气，然后喂入Al丝深度脱氧，搅拌10分钟后再喂入CaSi丝使钢液中夹杂物球化，喂丝结束后搅拌时间8分钟，搅拌结束再镇定10分钟后上连铸平台进行连铸。

严格控制化学成分准确度和成分精度，减少主要合金成分的波动范围。现在介绍主要合金元素的作用：

C：C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高则会大大降低钢的韧性。

Si：Si是起脱氧剂作用的元素，但含量超过0.5％时降低钢的热塑性。在本发明中Si的含量在0.1％以上，0.5％以下。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，太高则会增大钢中的残余奥氏体量，影响热轧组织的均匀性。

Ni：Ni为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，同时改善钢的低温冲击韧性。

Cr：Cr是提高钢的淬透性元素，提高钢的强度。含量太高则会降低钢的高温热塑性，给连铸和热轧造成困难。

Mo：提高钢的淬透性，并且是碳化物形成元素，能提高钢的强度和韧性。

V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但由于价格很高，所以要限制使用量，本发明中V质量百分比在0.03～0.10％。

Nb：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但降低钢的热塑性，影响热轧态钢管的表面质量，又由于价格较高，所以要限制使用量。

Al：较好的脱氧元素，但加入太多容易造成氧化铝夹杂，要尽量提高酸溶铝占全铝的比重，真空脱气后再适量喂Al丝。

Ca：主要是促进夹杂物球化变性，真空脱气后再适量喂CaSi丝。

无缝管连轧：

连铸的铸坯检验合格后，定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1200～1300℃，穿孔温度控制为1100～1200℃，终轧温度850～950℃，轧制完成后空冷至室温；

热处理：

采用高频感应炉加热，在20～50秒钟之内将钢管加热至910℃，保温时间15分钟，出炉后在6秒钟之内钢管入水淬火；完全冷却后将钢管装入回火炉保温处理，回火温度650～700℃，回火保温时间65分钟，出炉后空冷至室温。

本发明的钻杆的炼钢实际成分见表1：

表1钻杆的炼钢实际成分

炼钢成分控制较低的P、S残量，添加Mn、Cr、Mo、Ni等作为主要合金元素，改善钢铁的强度和韧性，提高钢材的抗腐蚀能力；加入微量的V、Nb元素提高回火稳定性，细化晶粒，提高钢铁微观组织的均匀性。

本发明的最终成品管具有良好的强韧性匹配，较高的屈服强度、较低的韧脆转变温度、较好的低温冲击韧性、细小的微观晶粒度和良好的抗H₂S腐蚀的能力。本发明的钻杆的性能试验结果见表2：

表2最终钻杆的性能试验结果

Claims

1.一种130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆，该钻杆成分组成以质量％计，含有C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.25～0.85％，Cr：0.45～1.25％，Mo：0.25～0.85％，Ni：0.35～0.85％，V：0.03～0.10％，Nb：0.01～0.06％，Al：0.008～0.050％，Ca：0.0015～0.0050％，其余为铁，杂质元素微量；

该钻杆常温下管材的屈服强度900～980MPa；洛氏硬度HRC值在26～30之间，韧脆转变温度在-60℃～-80℃；在-80℃温度下夏比V型横向冲击功100～120J，纵向冲击功120～140J；

NACE试验A法圆棒小样在名义屈服强度的80％加载作用力下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不断裂，平均晶粒度11～12级。

2.根据权利要求1所述的130ksi钢级低温高韧抗腐蚀的钻杆的制造方法，包括以下步骤：

①炼钢按权利要求1组成成分配料冶炼，电炉炼钢，精炼完后的钢水经过VD真空脱气，然后喂入Al丝深度脱氧，搅拌10分钟后再喂入CaSi丝使钢液中夹杂物球化，喂丝结束后搅拌时间8分钟，搅拌结束再镇定10分钟后上连铸平台连铸铸坯；

②无缝管连轧连铸的铸坯检验合格后，定尺连铸坯在环形加热炉内加热，加热炉炉温控制为1200～1300℃，穿孔温度控制为1100～1200℃，终轧温度850～950℃，轧制完成后空冷至室温；

③热处理采用高频感应炉加热，在20～50秒钟之内将钢管加热至910℃，保温时间15分钟，出炉后在6秒钟之内钢管入水淬火；完全冷却后将钢管装入回火炉保温处理，回火温度650～700℃，回火保温时间65分钟，出炉后空冷至室温。