CN102828011A - 一种轻质钻具材料的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种新型轻质钻具材料的热处理工艺，属于石油钻井机械材料领域。为了解决钻井过程中钻柱重量大限制钻井深度的问题，在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，经回火热处理，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，提高了材料的力学性能，符合钻具材料性能要求，可以用来制造钻具，重量轻且能节约材料。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井机械材料领域，特别涉及一种轻质钻具材料的热处理工艺。
背景技术
随着石油工业的不断发展，油气井钻井深度不断增加，井深度增加，使得钻井工况越来越复杂，在钻超深井时钻柱的重量问题就给石油钻机带来了更大的负荷，对地面承载结构提出了很大的挑战，因此研究一种制造轻质钻具的新型材料迫在眉睫，不但要减轻整个钻柱的重量，而且这种材料特性能够满足现场复杂使用工况下钻具性能的要求。
为了获得轻质钻具，选材上可以从两个方面进行考虑：一是考虑选择密度低的材料；二是考虑选择强度高的材料进行设计。目前，针对密度低的材料制造成的钻具有三类：1.碳纤维材料的钻具；2.铝合金钻具；3.钛合金材料的钻具。其中铝合金材料的钻具在这三种低密度材料钻具中应用的数量最大，性价比最高。但是铝合金材料的钻具在国内大规模推广还是有很大困难的，这是因为国内生产铝合金钻具的基础条件还不能满足，它的制造工艺与普通钢质钻具的的制造工艺差别很大，有许多独特的制造工艺，如非等截面铝合金钻杆管体生产工艺；铝合金管材专用热处理生产线(铝合金无磁性，现有的钢钻杆电感应固溶生产线不能使用；铝合金杆体热处理后拉伸矫直工艺(钢钻杆一般采用轧辊矫直法、非外平钻杆采用静压矫直法；螺纹车削工艺(光洁度加工、煤油切削液配制等)、锥配合+管螺纹+热过盈嵌装铝合金钻杆接头拧固装置等。
国内外厂家制造G105和S135常规钻具所用材料均为优质合金钢。材料的使用状态是淬火、回火后的调质态，组织为回火索氏体，即在铁素体基体上弥散分布着粒状碳化物。国内外在高强钻杆用材上，基本上都是含有Cr、Mo的中碳合金钢，采用调质处理。因此，原材料成本较高，且淬火过程控制不当易出现裂纹，工艺复杂。
目前，现有材料在钻具的制造应用中主要存在以下几个问题：
1. 碳纤维复合材料钻具的主要缺点在于其水力特性和效率，阻碍了其在超深井钻井和大位移井钻井（ERD）的应用, 碳纤维复合材料钻杆价格为普通钢钻杆的3倍以上，这会增加投资。
2.新型贝氏钢(高强度钢)钻具的主要缺点在于减轻重量后容易出现失稳现象，减轻的重量有限制，否则保证不了钻具的稳定性。
3. 铝合金钻具的缺点主要缺点在于价格昂贵，铝合金钻杆的成本大约是常规钢钻杆的2.5~3倍多；屈服强度较低，需要通过增加壁厚来提升强度重力比，从而影响水力性能，且当温度高于120度多度时，屈服强度急剧降低。
4. 钛合金钻具主要缺点在于相同载荷作用下，变形量大；对扭矩变动会有延时效应；成本太高，常规钻井不适合用。
发明内容
为了克服现有的钻具重量大对石油勘探开发超深井的限制这一难题，本发明提供了一种新型材料——低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢的热处理工艺，是在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，低温回火，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，用该材料制造的钻具强度重量比高、重量轻。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用适量Mn对中温转变的拖曳和类拖曳作用，改变等温转变C曲线的形状，利用Mn、Cr降低钢的Bs点，Si抑制碳化物析出，研制出在连续冷却条件下获得CFB/M（无碳化物贝氏体/马氏体）复相组织的新钢种。控制硅含量后，可以提高残余奥氏体的稳定性，从而显著提高回火温度，改善中碳、中低碳Mn-B系贝氏体钢的强韧性。硅的作用既有利于在贝氏体中形成残余奥氏体薄膜,又能推迟第一类回火脆性，可将回火温度提高至300℃以上，从而增加韧性及抗延迟断裂性能。并且该材料碳含量较低，对焊接工艺性有利。
Mn系中低碳贝氏体钢空冷条件下得到贝氏体/马氏体复相组织，经低温回火后，具有高的强度和一定的韧性；经中高温回火，韧性进一步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni含量及高淬透性调质钢，适用于各类韧性要求高的调质件以及需表面淬火的调质件。在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，可以制造多种性能指标苛刻的特殊结构件。
低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢料热处理后得到常规力学性能如下：
本发明的有益效果是，提高了新型材料的力学性能，连续冷却获得的贝氏体/马氏体复相组织具有较高的强韧性及抗延迟断裂性能，具有较优的高周疲劳性能。拉伸强度可达到1500MPa，具有优良的强韧性配合，疲劳性能和抗氢脆与应力腐蚀性能均优于同强度级别的调质处理合金钢，价格也不高，用这种新型材料制造的钻具重量轻，节约材料。该材料碳含量较低，对焊接工艺性有利。
具体实施方式
在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，低温回火，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能。
热轧空冷生产的外径133mm壁厚5mm的无缝钢管，其常规力学性能见下表，该性能是未经回火时的性能，若经过适当回火，强度不会降低，韧性却有很大提高。
| σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ（%） | ψ（%） | aK(J) |
| 1550 | 1060 | 13.00 | 33.5 | 76 |
Claims (3)
1.一种轻质钻具材料的热处理工艺，包括低碳锰-硅空冷贝氏体/马氏体复相钢材料的制备方法，材料的热处理工艺，其特征在于：严格控制材料的成分组成与比例，以及材料热处理工艺、回火温度的控制。
2.根据权利要求1所述的轻质钻具材料的热处理工艺，其特征在于：在Mn系贝氏体钢的基础上添加Si元素得到的新型Mn-Si系贝氏体钢，空冷获得无碳化物贝氏体/马氏体复相组织，低温回火，与等强度的回火马氏体相比，无碳化物贝氏体/马氏体复相组织具有更好的韧性，更高的疲劳强度和耐延迟断裂性能，用该材料制造的钻具强度重量比高，重量轻。
3.根据权利要求1所述的轻质钻具材料的热处理工艺，其特征在于：Mn系中低碳贝氏体钢空冷条件下得到贝氏体/马氏体复相组织，经低温回火后，具有高的强度和一定的韧性；经中高温回火，韧性进一步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni含量及高淬透性调质钢，适用于各类韧性要求高的调质件以及需表面淬火的调质件。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105397438A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-16 | 武汉江钻恒立工程钻具股份有限公司 | 一种组合钻具的制造方法 |
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2012
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