CN102251189A

CN102251189A - 105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法

Info

Publication number: CN102251189A
Application number: CN2011101825027A
Authority: CN
Inventors: 李毅; 许文妍; 吕传涛; 赵兴亮; 郑飞
Original assignee: Tianjin Pipe Group Corp
Current assignee: Tianjin Steel Tube Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102251189B

Abstract

本发明提供一种105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法，该方法包括以下步骤：原料采用废钢+海绵铁和(或)高炉铁水，经电弧炉熔融冶炼，造渣除磷后，进行钢包炉外精炼、脱氧、脱硫、去除夹杂物，调整控制化学成份，真空脱气，喂钙丝夹杂物变性处理，经连铸成圆坯；圆坯进入环形炉高温加热，穿孔后，进行精控连轧，制成无缝钢管；对无缝钢管进行管端墩粗、调质、热处理、热矫直，冷却到室温后进行探伤，然后进行力学性能试验及SSC试验。本发明的效果是该制造方法合金含量少、生产成本低、工艺简单易操作，基于冶炼洁净钢的基础上，加入微量合金成分，提高钢的淬透性能，经热处理后形成细小碳化物颗粒均匀分布的回火索氏体组织，具有良好的抗SSC性能。

Description

105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法

技术领域

本发明涉及一种105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法。

背景技术

石油钻具在钻井工程中，均不同程度的接触H₂S等各种腐蚀介质，普遍存在腐蚀问题，并随钻井向高钻速、超深井、高压力方向发展而日趋严重。据有关资料显示，国外经几十年的发展，每钻进1m的钻具损失控制在1～1.5kg，国内近年钻进1m的钻具损失超过4kg。据统计，我国石油行业每年损耗的钻具的75％～80％是由腐蚀造成的，而硫化物应力腐蚀是石油钻具失效的主要形式之一。随着钻井数量的迅猛增长，我国大部分主产油区地层中不同程度的含有H₂S气体。因此研究优良的抗硫化物应力腐蚀钻杆材料，对发展钻井技术、减少钻具损耗、降低钻井成本及安全钻井具有极其重要的意义。

近年来，国内外出现研究耐硫化物应力开裂钻杆的相关专利文献：【专利文献1】公开(公告)号：CN1837395；【专利文献2】公开(公告)号：CN101117683。

上述这些国内专利文献及国外抗硫钻杆资料的情况，有的是合金含量过高，成本高，不利于节约贵金属资源；有的是热处理制度不合理，淬透性差，使最终产品组织不均匀，不利于抗硫化物应力腐蚀；还有一些拉伸强度已达到105ksi钢级钻杆的要求，但耐硫化物应力开裂性能仍不能完全满足105ksi钢级加载85％*S.M.Y.S钻杆管材的要求。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法，以利于提高钻井钻具的使用寿命，提高钻井的安全性，降低钻井成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)、原料采用废钢+海绵铁和(或)高炉铁水，经电弧炉熔融冶炼，造渣除磷后，进行钢包炉外精炼、脱氧、脱硫、去除夹杂物，调整控制化学成份，按质量百分比的各成份为：C 0.20～0.30％，Si 0.15～0.35％，Mn0.40～0.70％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr 0.70～1.50％，Mo 0.50～0.80％，Nb 0～0.05％，V 0～0.06％，Ni≤0.20％，Ca≥0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质，真空脱气，喂钙丝夹杂物变性处理，经连铸成圆坯；

(2)、将步骤(1)制成的圆坯进入环形炉高温加热，加热温度为1250-1290℃，穿孔后，进行精控连轧，制成无缝钢管；

(3)、对步骤(2)的无缝钢管加热到1100～1250℃时进行管端墩粗处理，然后调质热处理，经高温炉加热到890～950℃充分保温，对无缝钢管整管进行整管淬火，再进行≥649℃的低温炉回火处理，在温度≥500℃时进行热矫直，冷却到室温后进行探伤，然后进行力学性能试验及SSC试验。

本发明的效果是该制造方法具有如下特点：

1、合金含量少、生产成本低、工艺简单易操作本发明基于冶炼洁净钢的基础上，加入微量合金成分，提高钢的淬透性能，经热处理后形成细小碳化物颗粒均匀分布的回火索氏体组织，具有良好的抗SSC性能。

2、硬度低，残余应力小采用低碳钢高温回火处理，降低了钢管热处理后组织应力，减少了高强钢导致的位错密度增大等问题，降低了氢原子向材料内部扩散的速度。

3、夏比冲击性能完全满足钻杆的“先漏后破”准则所需要的夏比冲击韧性要求，确保钻井安全和提高钻井作业效率。

4、优异的耐硫化物应力开裂性能在NACE的TM0177-2005A法试验，在25℃，通入分压为1atm H₂S的饱和A溶液，实际载荷为85％SMYS、90％SMYS的恒定负荷应力下的SSC试验，720h均不发生断裂。SSC试验720h后，试样力学性能没有明显的变化，表明具有优异的耐硫化物应力开裂性能。

具体实施方式

结合实施例对本发明的105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法加以说明。

本发明采用Cr-Mo系合金元素，以实现优良的淬透性及抗SSC性能。其成份(质量百分比)为C 0.20～0.30％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.40～0.70％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr 0.70～1.50％，Mo 0.50～0.80％，Nb 0～0.05％，V 0～0.06％，Ni≤0.20％，Ca≥0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。

化学成分组成详述：

C：0.20～0.30％

C是低合金钢的重要组成元素，是经热处理后形成细小碳化物颗粒均匀分布的回火索氏体组织的重要元素。C含量降低，均有利于提高抗SSC性能。为保证钢管的必要强度，C元素含量下限为0.20％。C元素优选含量为0.20～0.30％。

Si：0.15～0.35％

Si是钢材脱氧所必需的元素。但添加过多会使得钢的耐腐蚀性及冲击韧性降低。所以将其含量控制在0.15～0.35％。

Mn：0.40～0.70％

Mn是在炼钢中作为脱氧所需的元素，一定含量的Mn元素也可提高钢材的淬透性及韧性。另一方面，Mn的添加过量，也会降低钢的韧性，在凝固过程中促进有害元素P、S、Sn、Sb等向晶界偏析，从而使晶界键合力大幅度下降，降低抗H₂S性能。因此，Mn元素优选含量为0.40～0.70％。

P：≤0.015％

P是钢中的杂质元素，使得钢的耐腐蚀性、韧性降低。为了得到足够的耐腐蚀性、韧性，将P的含量控制在0.015％以下。

S：≤0.005％

S是钢中的杂质元素，使得钢的热加工性、耐腐蚀性、韧性降低。为了得到足够的耐腐蚀性，将S的含量控制在0.005％以下。

Cr：0.70～1.50％

Cr元素在淬火过程中，是强烈的阻止贝氏体转变的元素，能有效的提高钢材的淬透性。具有抗回火软化性，能提高钢材的机械强度，并降低钢材的腐蚀速率。另一方面，Cr元素含量过多，可导致晶界形成粗大的铬的碳化物析出，降低抗SSC性能。因此，Cr元素优选含量为0.70～1.50％。

Mo：0.50～0.80％

Mo元素比Cr元素具有更好的抗氢性能，它还能减少氢在钢中的吸收量及渗透量，提高钢的淬透性。另一方面，Mo元素在晶界易产生偏析，使低合金钢发生石墨化倾向。因此，Mo元素优选含量为0.50～0.80％。

Nb：0～0.05％

Nb元素是在高温形变时，产生应变诱导碳氮化物析出相，细化奥氏体晶粒，同时也是有效的增强钢材机械强度的元素。Nb元素优选含量为0～0.05％。

V：0～0.06％

少量的V元素，使钢材的晶粒细化，冲击韧性增大，提高钢的回火强度。另一方面，含量过高，导致聚集的碳化物析出时，会降低强度，降低室温冲击韧性。因此其含量控制在0～0.06％较好。

Ca：≥0.0015％

炉外精炼，真空脱气后，喂入钙丝，钙熔化后在熔液中向上移动，与钢液反应，进行钙化处理，钙含量≥0.0015％时，使夹杂物变性为球状夹杂物，改善钢的质量。

本发明钢管具体制造过程如下：

1、原料采用废钢+海绵铁和(或)高炉铁水，经电弧炉熔融冶炼，造渣除磷后，进行钢包炉外精炼、脱氧、脱硫、去除夹杂物，调整控制化学成份，按质量百分比的各成份为：C 0.20～0.30％，Si 0.15～0.35％，Mn0.40～0.70％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr 0.70～1.50％，Mo 0.50～0.80％，Nb 0～0.05％，V 0～0.06％，Ni≤0.20％，Ca≥0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质，真空脱气，喂钙丝夹杂物变性处理，经连铸成圆坯。

2、环形炉高温加热圆坯，穿孔后，进行精控连轧，制成无缝钢管。

3、将无缝钢管加热到1100～1250℃进行管端墩粗处理，然后调质热处理，经高温炉加热到890～950℃充分保温，整管进行淬火，再进行≥649℃的低温炉回火处理，在温度≥500℃时进行热矫直，冷却后进行探伤，然后进行力学性能试验及SSC试验。

原料采用废钢加海绵铁加高炉铁水，经电弧炉熔融冶炼，造渣除磷后，经钢包炉外精炼，按表二要求调整化学成分，真空脱气10-15min，喂Ca-Si丝夹杂物变性处理，成分合格后，经连铸成Φ150-210mm圆坯。环形炉高温加热圆坯1250℃保温，进行穿孔、精控连轧，制成无缝钢管。加热到950～1150℃进行管端墩粗处理，然后调质热处理，达到105ksi钢级力学性能(见表三)，并进行抗SSC性能试验。

本发明的105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料用于105ksi钢级以上的高强度钻杆，在确保其优异的力学性能及钻井使用性能的基础上，在NACE的TM0177-2005A法所规定的试验环境下，在25℃，通入分压为1atm H₂S的饱和A溶液(含重量百分比的5.0％的氯化钠和0.5％的冰醋酸的蒸馏水或去离子水)，实际载荷为105ksi×85％的恒定负荷应力下的SSC试验，720h不发生断裂，以表明其具有良好的抗SSC性能，完全满足目前公认的最苛刻酸性钻井标准-IRP抗硫钻杆标准。

表一 IRP标准抗硫钻杆的性能指标

表二化学组分(Wt％)

钢种类	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Cu	Ca
													实施例1	0.26	0.25	0.47	0.009	0.002	0.05	0.90	0.77	0.02	0.01	0.08	0.0021
实施例2	0.23	0.27	0.59	0.007	0.001	0.06	1.22	0.65	0.03	0.02	0.06	0.0025
													实施例3	0.21	0.32	0.63	0.010	0.001	0.02	1.45	0.68	0.05	0.04	0.05	0.0024

表三 105ksi钢级力学性能及抗SSC试验性能*

抗SSC性能试验，按NACE的TM0177-2005A法所规定的试验环境下，通入分压为1atm H₂S的饱和A溶液(含重量百分比的5.0％的氯化钠和0.5％的冰醋酸的蒸馏水或去离子水)，实际载荷为105ksi×85％、105ksi×90％的恒定载荷下720h的抗应力腐蚀试验。

Claims

1.一种105ksi钢级耐硫化物应力腐蚀钻杆料的制造方法，该方法包括以下步骤：

(3)、对步骤(2)的无缝钢管加热到1100～1250℃时进行管端墩粗处理，然后调质热处理，经高温炉加热到890～950℃保温，对无缝钢管整管进行整管淬火，再进行≥649℃的低温炉回火处理，在温度≥500℃时进行热矫直，冷却到室温后进行探伤，然后进行力学性能试验及SSC试验。

2.根据权利要求1所述制造方法制造的耐硫化物应力腐蚀钻杆料，其特征是：所述钻杆料的性能具有724MPa以上的屈服强度、抗硫化物应力腐蚀性能(SSC)≥85％SMYS，完全符合IRP抗硫钻杆的性能指标标准。