CN102162067B - 一种油田用防腐抽油杆用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种油田用防腐抽油杆用钢及其生产方法，属于油田用钢技术领域。该钢种化学成分为：C：0.20-0.30％；Si：0.10-0.40％；Mn：0.60-1.00％；Cr：0.40-0.80％；Mo：≤0.10％；Ni：0.60-1.00％；其余组份为Fe及不可避免的杂质。该钢种可在具备转炉、LF炉外精炼设备、全保护浇铸条件的钢铁厂中生产，通过冶炼与连铸工艺控制钢质纯净度等质量指标，通过轧制工艺使轧材获得细小均匀的组织与晶粒度以及优良的表面质量等，其后在加工过程中经不同的热处理后，可最终分别获得Rm为795～965MPa、Rel≥590MPa、A₂₀₀≥10％和Rm为965～1195MPa、Rel≥795MPa、A₂₀₀≥12％的KD和H级抽油杆，该系列抽油杆在油田的实际应用中均表现出了良好的耐腐蚀性能。

Description

一种油田用防腐抽油杆用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于油田用钢技术领域。特别是提供了一种油田用防腐抽油杆用钢及其生产方法，与国内外现使用的同类产品比较，它有着更优良的耐腐蚀性能和更经济的生产成本。

背景技术

抽油杆是油田采油系统中用于连接地面抽油机和井下抽油的重要部件，是石油开采活动中重要的消耗性材料之一。在采油生产过程中，抽油杆承受的载荷包括抽油杆柱的重量、液柱重量、抽油杆柱和液体的惯性载荷、抽油杆柱在运动中的摩擦阻力、抽油杆柱的弹性引起的震动载荷及由于液体和柱塞运动不一致而引起的冲击载荷等。以上六种载荷在抽油杆上下往复运动期间是循环变化的，因此抽油杆承受的是不对称循环载荷。抽油井井液中含有盐分、二氧化碳或硫化氢等腐蚀介质，腐蚀介质的侵蚀作用会大大降低抽油杆使用寿命。因此，抽油杆失效形式常表现为疲劳断裂、腐蚀疲劳断裂。

随着油田的不断开采，现有大部分油田的开采已步入后期，井深及井液腐蚀性(CO₂，H₂S，NaCL等)均呈上升趋势；近年来，在全球获得的重大油田勘探发现中，有一半来自海洋，特别是深水区域；而从发展趋势看来未来的油田开发项目更将主要来自于海洋。因此，含蜡井、稠油井、深井、超深井等新的工作条件，对抽油杆的强度、韧性、耐腐蚀性、抗腐蚀疲劳等性能提出了更高的要求。

国内油田目前大量使用的抽油杆多为D级(GB/T26075-2010)，该级别抽油杆不能很好地满足新的使用要求，将被具有更好耐腐蚀性、更高强度的KD级和H级抽油杆所替代，这也就提出了相应的抽油杆用钢的新需求。在本发明之前，国内市场上KD和H级抽油杆及其用钢供应均为空白；国外KD、H级抽油杆均使用4620、4330等钢种制做，该系列钢种贵金属元素Mo(0.20～0.30％)、Ni(1.65～2.00％)含量高，且多采用电弧炉冶炼生产，因此生产成本及合金成本极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田用防腐抽油杆用钢及其生产方法，可用于制做KD级和H级抽油杆，并能够确保抽油杆产品的各项质量指标均能满足其标准和使用要求。与国内外现使用的同类产品比较，它有着更优良的耐腐蚀性能和更经济的生产成本。

本发明钢种的化学成分为(重量百分比)：C：0.20-0.30％；Si：0.10-0.40％；Mn：0.60-1.00％；Cr：0.40-0.80％；Mo：≤0.10％；Ni：0.60-1.00％；其余组份为Fe及不可避免的杂质。该产品显著降低了合金成本。

本发明钢种采用转炉冶炼的低成本工艺路线进行生产，工艺流程为“高炉铁水和废钢→转炉冶炼→LF炉外精炼→160×160或180×180mm²方坯全保护连铸→铸坯缓冷→步进式加热炉加热→无扭连轧→控轧控冷→定尺剪切→分切精整”。在工艺中控制的具体的技术参数如下：

(1)转炉原料使用低硫铁水和废钢，吹炼采用高拉碳模式，出钢温度范围1660-1720℃，出钢时挡渣，钢水终点目标成分：碳≤0.12％、磷≤0.010％；所述的低硫铁水为硫含量≤0.040％的铁水；铁水若其硫含量＞0.040％，则先预脱硫；

(2)转炉出钢时使用铝锰铁合金对钢水进行脱氧，钢水氧化性强时补加铝粒50-100Kg；所述的钢水氧化性强为钢水氧活度不小于1000ppm；

(3)镍在转炉吹炼前加入炉中；硅、锰、铬、钼均在转炉出钢过程脱氧后调，并在LF精炼过程完成微调；

(4)LF精炼过程顶渣重量控制10～30Kg/吨钢，二元碱度控制范围2.8-5.0；精炼末期底吹氩气时间控制10～30min，氩气流量范围30-50NL/min；所述的二元碱度计算方法为顶渣中CaO和SiO2含量的比值；

(5)钢水在LF精炼结束后吊运至方坯铸机，连铸过程采用全保护方式，铸坯冷却水量控制为矫直铸坯时避开高温脆性区间，铸坯采用入坑缓冷，缓冷时间≥16小时；所述的全保护方式为浇铸过程中，大包使用吹氩套管，中间包用覆盖剂，结晶器使用浸入式水口和保护渣；

(6)轧制前，钢坯加热温度为1050～1200℃，出坯时使用高压水除鳞，开轧温度为900～1100℃，终轧温度800～950℃；轧材圆钢运至冷床采用集中缓冷。所述的高压水水压＞18Mpa；所述的集中缓冷为圆钢密集码放减缓冷却速度。

脱氧制度：脱氧合金使用铝锰铁，伴随出钢过程中进行。合金化制度：不同合金元素根据其氧化性强弱、熔点高低，选择不同时机调配，使用电解镍板配镍，随废钢一起加入转炉；使用硅锰合金和锰铁合金配硅和锰，分别使用铬铁合金和钼铁合金配铬和钼，在转炉出钢时脱氧后调配。所有合金元素均在LF精炼中期完成精确微调。

钢水到达LF精炼站后，首先使用底吹氩气3～5分钟均匀钢水化学成分和温度，然后使用合成渣、白灰、铝钒土、莹石、电石等造顶渣，造渣过程中，使用硅铁合金、锰铁合金、铬铁合金精细调整钢水的硅、锰、铬含量。LF处理末期，往钢水中喂入硅钙包芯线对钢水钙处理。

LF精炼结束后，钢水吊运铸机浇铸方坯，大包使用吹氩套管，中间包采用碱性覆盖剂，结晶器采用浸入式水口，并使用预熔型颗粒保护渣FRK-Z。

铸坯冷却：结晶器水量控制1500-1600NL/min，二冷水量控制目标为铸坯矫直时避开高温脆性区间850-930℃。铸坯下冷床后的冷却使用缓冷坑，要求入坑缓冷时间≥16小时。

钢坯加热温度为1050～1200℃，出坯时使用高压水除鳞，要求水压＞18Mpa，开轧温度为900～1100℃，终轧温度800～950℃。轧材圆钢运至冷床缓冷后，按用户要求剪切为指定长度。

增加Ni含量可以提高钢的点蚀电位，从而控制腐蚀坑的产生及长大，提高基体材料腐蚀疲劳性能，而与4330、4620等国外常用钢种比较，本发明中镍含量大幅降低。因此本发明的关键技术要点是要从后述的工艺方面进行控制，确保圆钢制做成抽油杆后，仍保持与前者相当的抗疲劳、抗腐蚀性能。

1、提高钢质纯净度。通过冶炼、连铸工艺的优化，将钢中脆性夹杂物控制小于1.5级水平，通过减小非金属夹杂物的数量与尺寸，提高抽油杆的疲劳寿命，并降低了由非金属夹杂物给抽油杆带来的SCC和腐蚀行为的影响。其工艺的关键点包括：转炉终点采用高拉碳，避免终点钢水碳含量过低，从而降低钢水氧含量，因此可减少脱氧合金的使用量，既节约了合金成本，又可减少氧化铝等脱氧产物的生成；LF精炼过程全程底吹氩气，尤其精炼末期使用30-50NL/分钟的氩气流量底吹10分钟以上，促进夹杂物的上浮，LF顶渣量需保证10Kg/吨钢以上，其二元碱度控制2.8-5.0范围内，以保证顶渣对夹杂物的充分吸附，LF处理结束前，使用1.5米/吨钢量的硅钙包芯线，对钢水中铝夹杂进行变性处理；连铸工序要求做到以铸坯拉速的稳定保证中包液面、结晶器液面的稳态，并使用吹氩套管和浸入式水口，以及中间包覆盖剂和结晶器保护渣，实现全程保护浇铸，减少钢水的二次氧化、保护渣的卷入等异况的发生。

2、含镍钢种的铸坯加热时生成的氧化铁皮较难去除，若去除不净，将在轧制过程中影响圆钢表面质量，因此要求铸坯的加热温度不能过高，以控制高温氧化铁皮的生成；然而低温加热将影响铸坯心部合金元素不能充分扩散，从而影响圆钢的组织均匀性，这就要求铸坯需具备良好的低倍质量，中心偏析小于1级。其控制关键在于：连铸工序除了稳态浇铸操作外，使用电磁搅拌装备，铸坯冷却用水量根据坯型和拉速调整。

3、圆钢的轧制过程采用控轧：低温开轧，通过控制中轧机组后1#水冷、精轧机组前2#水冷来控制轧制过程中温升，从而控制终轧温度，以控制相变前的奥氏体晶粒大小；上冷床后采用集中冷却的缓慢空冷方式，使钢材的心部余热逐渐向外扩散，以减少钢材的心部与表面温度差造成的组织差异及组织应力，从而获得最终细小、组织均匀的金相组织(图1)，铁素体晶粒尺寸达到11-13um，组织晶粒度远远小于国外相应钢的组织(图2)，从而确保加工过程中热处理后获得细小均匀的显微组织，提高抽油杆的抗疲劳裂纹萌生及扩展的能力。

本发明的成果：

1、优化了防腐型高强及超高强抽油杆用钢的化学成分，填补了国内防腐型抽油杆用钢的空白；

2、建立了转炉工业化生产该钢种的工艺路线，且使用的连铸坯型的尺寸断面满足一火成材的轧制要求，降低了生产成本与合金成本；

3、采用本发明所加工的抽油杆按照SY/T5029-2006标准，通过了石油行业疲劳寿命测试，获得了在国内市场推广的资质；

4、本发明产品按NACE TM0177-2005标准，通过了抗SSC(硫化物应力腐蚀)性能测试；

5、通过冶炼获得高纯净度的钢材，控制钢中脆性夹杂物小于1.5级，确保了抽油杆的疲劳性能；

6、通过控制加热、轧制温度，采用缓冷工艺，细化了圆钢晶粒，基体组织实际晶粒度达到9.5-10级，确保了在抽油杆的加工过程中热处理后获得细小均匀的显微组织，从而提高抽油杆抗疲劳裂纹萌生、扩展能力；

7、本发明抽油杆用钢标准样经过热处理后力学性能检验，表现出良好的综合力学性能指标：屈服强度为805～1090Mpa，抗拉强度为880～1180Mpa，延伸率为15.0～20.0％，面缩率为56.0～67.0％，室温冲击功为101～157J。

附图说明

图1为本发明抽油杆用圆钢的金相组织。

图2为国外抽油杆用圆钢的金相组织。

具体实施方式

本发明中的KD、H级抽油杆用钢及采用本发明中的技术所生产的产品各项指标均全面满足GB/T26075-2010。使用本发明中的产品加工制做出的抽油杆，其实物质量达到国际先进水平，已批量出口美国。

产品实物质量状况，具体实例如下：

表1铸坯的低倍质量

表2抽油杆用圆钢化学成分实例(重量)％

批号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo
									X012D30253	0.24	0.22	0.75	0.015	0.015	0.79	0.50	0.026
X012D30345	0.24	0.23	0.73	0.016	0.017	0.76	0.51	0.027
									X012D30350	0.24	0.25	0.76	0.013	0.014	0.80	0.51	0.027
X012D30348	0.26	0.24	0.76	0.021	0.009	0.83	0.52	0.028
									X012D40359	0.25	0.24	0.75	0.021	0.009	0.83	0.52	0.029
X012D10162	0.25	0.25	0.78	0.012	0.011	0.79	0.56	0.030

表3抽油杆用圆钢的非金属夹杂物水平

表4抽油杆用圆钢热处理后的力学性能

本发明可在具备LF炉外精炼设备、全保护连铸方坯铸机的钢铁生产厂中实施，表5至表9列出了首钢采用本发明生产所述的抽油杆用钢时生产工艺的关键参数实例。

表5转炉工艺关键参数

表6LF精炼工艺关键参数

表7连铸工艺关键参数

表8中包熔炼成分控制水平

表9轧制工艺参数

批号	加热温度℃	除鳞高压水压力Mpa	开轧温度℃	终轧温度℃
					X012D30253	1100	18.7	950	830
X012D30345	1100	19.0	970	850
					X012D30350	1130	18.5	990	860
X012D30348	1090	19.0	970	840
					X012D40359	1140	18.5	950	840

Claims (2)

1.一种防腐抽油杆用钢的生产方法，工艺路线为：高炉铁水和废钢→转炉冶炼→LF炉外精炼→160×160或180×180mm²方坯全保护连铸→铸坯缓冷→步进式加热炉加热→无扭连轧→控轧控冷→定尺剪切→分切精整；其特征在于，在工艺中控制的技术参数如下：

(1)转炉原料使用低硫铁水和废钢，电解镍板随废钢一起加入转炉中；吹炼采用高拉碳模式，出钢温度范围1660-1720℃，出钢时挡渣，钢水终点目标成分：碳≤0.12％、磷≤0.010％；所述的低硫铁水为硫含量≤0.040％的铁水；

(2)转炉出钢时使用铝锰铁合金对钢水进行脱氧，钢水氧化性强时补加铝粒50-100Kg；所述的钢水氧化性强为钢水氧活度不小于1000ppm；

(3)镍在转炉吹炼前加入炉中；硅、锰、铬、钼均在转炉出钢过程脱氧后调，并在LF炉外精炼过程完成微调；

(4)LF炉外精炼过程顶渣重量控制10~30kg/吨钢，二元碱度控制范围2.8~5.0；精炼处理结束前向钢水喂入1.5米/吨钢量的硅钙包芯线；精炼末期底吹氩气时间控制10~30min，氩气流量范围30-50NL/min；所述的二元碱度计算方法为顶渣中CaO和SiO₂含量的比值；

(5)钢水在LF炉外精炼结束后吊运至方坯铸机，连铸过程采用全保护方式并投用电磁搅拌，铸坯拉速稳定，铸坯冷却水量控制为矫直铸坯时避开高温脆性区间，铸坯采用入坑缓冷，缓冷时间≥16小时；所述的全保护方式为浇铸过程中，大包使用吹氩套管，中间包用碱性覆盖剂，结晶器使用浸入式水口和保护渣；

(6) 轧制前，钢坯加热温度为1050~1200℃，出坯时使用高压水除鳞，开轧温度为900~1100℃，终轧温度800～950℃；轧材圆钢运至冷床采用集中缓冷；

所述的钢种化学成分为：C：0.20-0.30%；Si：0.10-0.40%；Mn：0.60-1.00%；Cr：0.40-0.80%；Mo：≤0.10%；Ni：0.60-1.00%；其余组份为Fe及不可避免的杂质；均为重量百分比。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（6）所述的高压水水压＞18MPa；所述的集中缓冷为圆钢密集码放减缓冷却速度。

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