CN103243273A

CN103243273A - 采用同种材料锥面焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺

Info

Publication number: CN103243273A
Application number: CN2013102163899A
Authority: CN
Inventors: 袁鹏斌; 余世杰; 欧阳志英; 龚丹梅; 赵金凤
Original assignee: SHANGHAI HAILONG PETROLEUM PIPE MATERIAL INSTITUTE; SHANGHAI HILONG DRILL PIPE CO Ltd; Southwest Petroleum University
Current assignee: SHANGHAI HAILONG PETROLEUM PIPE MATERIAL INSTITUTE; SHANGHAI HILONG DRILL PIPE CO Ltd; Southwest Petroleum University
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明涉及一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺。该钻杆管体与接头采用同种材料，材料化学成分由下述重量百分比的成分组成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余为Fe和不可去除的痕量元素。本发明主要通过改变钻杆焊缝的金属流线分布，使得焊缝流线上的MnS夹杂物及第二相的形状、取向与氢原子扩散方向呈一定角度，氢原子的表观扩散系数降低，来解决现有普通抗硫钻杆焊缝在服役过程中存在失效情况，提高抗硫钻杆管体及焊缝的抗硫性能。

Description

采用同种材料锥面焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺

技术领域

本发明涉及钻杆，特别是一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺。

背景技术

钻杆是钻柱的重要组成部分，是钻井的主要工具。随着世界经济的快速发展，石油天然气的需求不断地增加，含硫化氢的酸性油气田开发愈发加剧，钻杆在含硫区块的失效为一个日益严重的问题。

钻杆在含硫区块服役过程中，由于钻杆本身材质因素及其常规加工工艺特点，降低了钻杆的抗硫性能。主要表现在：

其一、钻杆材料纯净度，以及夹杂物数量、形貌、取向，对于材料的抗硫敏感性均有较大影响，特别条状MnS夹杂物能加大抗硫敏感性。

其二、钻杆接头与管体端面采用摩擦对焊，使得钻杆焊缝的金属流线方向垂直于钻杆管体轴线，且暴露在外壁，据资料显示，氢原子扩散的行为影响取决于扩散通道效应、陷阱效应的强弱，及第二相的形状、数量及取向。钻杆在服役过程中，焊缝的MnS夹杂物受挤压作用呈长条形状且平行于焊缝金属流线成为氢原子的一条天然“通道”，促使氢原子扩散，导致钻杆焊缝的抗硫性能往往低于管体与接头，成为抗硫钻杆的薄弱部位之一。

目前，国内外对于抗硫钻杆的研究主要集中在管体与接头的新材料以及热处理工艺的研究上，而对于焊缝抗硫敏感性问题未作深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同种材料锥面焊接式抗硫化氢应力腐蚀钻杆及其加工工艺，主要通过改变钻杆焊缝的金属流线分布，使得焊缝流线上的MnS夹杂物及第二相的形状、取向与氢原子扩散方向呈一定角度，氢原子的表观扩散系数降低，来解决现有普通抗硫钻杆焊缝在服役过程中存在失效情况，提高抗硫钻杆管体及焊缝的抗硫性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆，其特征在于：该钻杆管体与接头采用同种材料，材料化学成分由下述重量百分比的成分组成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余为Fe和不可去除的痕量元素。

本发明的所述的抗硫钻杆的化学成分设计原理如下：

C：C为碳化物形成元素，可提高钢的强度与淬透性，太低了效果不明显，太高了又会降低材料的韧性，并有可能产生淬火裂纹。为了考虑本钻杆采用同种材料焊接，要满足钻杆接头与管体的不同强度韧性要求，本技术方案将C元素控制在0.22%～0.34%范围内。

Cr：Cr为碳化物形成元素，可提高钢的强度、硬度、淬透性，但含量过高会影响材料的抗硫性能，本技术方案将Cr元素控制在0.6%～1.2%范围内。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温时奥氏体向铁素体及贝氏体的转变，增大马氏体的转变率，从而提高钢的淬透性；其次，Mn还可以与S结合降低S的有害性，但Mn的含量过大会增加淬火后的残留奥氏体量，降低抗硫性能以及增大材料的回火脆性，结合抗硫钻杆性能要求，本技术方案将Mn元素控制在0.6%～1.1%范围内。

Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高材料的强度以及回火稳定性，也能提高钢的淬透性，但是Mo的成本较高，含量过高也会降低材料的韧性，本技术方案将Mo元素控制在0.5%～1.2%范围内。

Si：Si为钢水脱氧所添加，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶的方式提高钢的强度，但含量过大的话会降低材料的韧性，本技术方案将Si元素控制在0.17～0.35%范围内。

P、S：P、S为材料中的有害元素，含量越低越好，考虑到生产成本等因素，本技术方案将P元素控制在0.010%以下，S元素控制在0.005%以下。

V：V元素的主要作用是抑制钢中晶界移动和晶粒生长，细化晶粒，提高钢的强韧性，但其含量到一定时，其效果不明显，本技术方案将V元素控制在0.10～0.30%范围内。

Nb：Nb主要为细化晶粒，形成碳化物，提高材料的强韧性，但其含量到一定时，其效果不明显，本技术方案将V元素控制在0.01～0.06%范围内。

Al：Al在钢中除了脱氧外，还能与N元素结合，降低N在钢中的危害，提高钢的韧性和时效应变能力，但Al含量过高的话，会在材料中形成过量的夹杂物，本技术方案将Al元素控制在0.030%以下。

Ca：Ca在材料冶炼过程中，可以优先形成球状CaS夹杂，可以避免形成条状MnS夹杂，或形成复合型球状夹杂物，可提高材料的抗硫性能，但不宜过量，本技术方案将Ca元素控制在0.005～0.03范围内。

相应的，本发明还提供了一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆的加工工艺，具体步骤如下：

A钻杆焊接结构方式：

采用惯性锥面摩擦焊方式将钻杆管体与接头连成一体，其中，锥面摩擦焊时，钻杆管端锥面角A（图2所示）控制在60°至75°之间，钻杆接头焊接端面锥面角度与之相匹配，顶锻压力与正常的垂直对焊相持平，控制在1500～1800lb/in²范围内，转速控制在700～900r/min，使摩擦焊缩短量保持在13～20mm之间，保证焊缝的焊接性能。

B钻杆焊区热处理工艺：

步骤一、对所述管体与接头的焊区中频感应加热至300℃～600℃后进行去应力退火，然后车削摩擦焊接过程中产生的飞边毛刺，随后加热进行焊后热处理；

步骤二、将去应力退火后的抗硫钻杆焊区中频感应加热由室温升到780℃～900℃，保温3～20分钟后，使用20℃～40℃的淬火介质进行喷淋淬火；

步骤三、将抗硫钻杆焊区进行一次回火，中频感应加热由室温升到690℃～750℃，保温5～20分钟后，使用20℃～40℃的淬火介质进行喷淋冷却；

步骤四、将抗硫钻杆焊区进行二次回火，中频感应加热由室温升到600℃～700℃，保温5～20分钟后，空冷至室温。

为取得良好的处理效果，并覆盖钻杆焊缝锥面热影响区，中频感应加热线圈的宽度比普通焊缝热处理的感应线圈宽，上述步骤二的中频感应加热的感应线圈宽度，控制在15～25mm；上述步骤三和步骤四的中频感应加热的感应线圈宽度应大于所述步骤二的线圈宽度5-20mm，且保持一致。

由于本发明高性能抗硫钻杆管体与接头焊区的处理方法采用了上述技术方案，可以取得以下效果。

其一、合理的控制了抗硫钻杆的合金元素配比，对材料内的MnS夹杂物进行钙化处理，使得MnS夹杂物形成球状的复合型夹杂物，降低MnS夹杂物的形貌取向对于钻杆抗硫性能的敏感性；

其二、对钻杆接头、管体采用同种材料进行锥面摩擦焊接处理，使得钻杆焊区的焊接性能得以提高，焊缝线上的金属流线也呈一定的角度分布，MnS夹杂物即使由于摩擦挤压力呈长条状的情况下，但其取向已经和氢原子的扩散方向成一定角度，氢原子的表观扩散系数降低，能阻碍氢原子的扩散，提高钻杆焊缝的抗硫敏感性。同时，采用锥面摩擦焊，在同样钻杆壁厚的情况下，增加钻杆焊缝的焊合面积，可以改善焊缝的理化性能。

其三、对钻杆焊区感应加热后去应力退火后，再将钻杆焊区升温并保温后喷淋淬火、进行二次回火处理；经上述处理的钻杆提高了管体与接头焊区的抗硫化物应力腐蚀开裂性能，使焊区具有合适的强度、韧性及硬度并分布均匀，保证了钻杆焊区性能。

附图说明

图1为本发明钻杆焊缝锥面焊接示意图。

图中：1.钻杆管体、2.钻杆接头、3.钻杆焊缝。

图2是图1中A部的局部放大图。

图3为采用本发明方法与常规方法对比处理的焊缝区域硬度值分布图。

图中，纵坐标为硬度值（HRC），横坐标负向为接头侧，正向为管体侧，0点为焊缝线（锥面焊缝与钻杆径向成一定角度，O点为斜焊缝线的中点）。

具体实施方式

本发明公开了一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆，其结构如图1、2所示：该钻杆管体1与接头2采用同种材料，材料化学成分由下述重量百分比的成分组成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余为Fe和不可去除的痕量元素。

以下结合本发明要求的实施例一、二、三与常规的抗硫钻杆焊缝性能作为一个对比（本案例实施案例一、二、三及对比例的化学成分见表1，其中，对比例的钻杆焊区采用不同材质的常规CrMnMo钢种）。

对钻杆管体、接头进行摩擦焊及焊缝热处理，其中，实施例一、二、三分别采用本发明要求进行，而对比例则采用常规抗硫钻杆生产工艺，工艺要求见表2。

表1（余量为Fe及除P、S外其他不可避免的杂质）（Wt%）

编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Nb	V	Al	Ca
												实施例一	0.22	0.21	0.65	0.006	0.002	0.88	0.60	0.02	0.023	0.015	0.008
实施例二	0.33	0.29	0.85	0.008	0.001	1.10	0.87	0.03	0.020	0.018	0.010
												实施例三	0.27	0.26	0.94	0.008	0.002	0.76	1.01	0.04	0.017	0.016	0.011
对比例（管体）	0.26	0.23	0.50	0.005	0.002	0.98	0.52		0.005	0.015
												对比例（接头）	0.37	0.22	0.46	0.008	0.002	1.33	0.40		0.014	0.017

表2实施例与对比例的焊接及其热处理工艺

实施例与对比例的机械性能结果及焊缝抗硫性能见表3，焊区的硬度分布结果见表4、图3。其中，X轴负向为接头侧，X轴正向为管体侧，零位为焊缝融合线，一个基本单位为5mm，Y轴为焊区硬度值（HRC），曲线1、曲线2、曲线3为经本方法处理的焊区硬度分布，曲线4为常规方法处理的焊区硬度分布；试样的抗硫试验按NACE0177标准A法，试验溶液为5%NaCl+0.5%冰醋酸溶液（A溶液），通入饱和硫化氢；试验载荷中SMYS为724MPa（105Ksi）。

表3实施例与对比例的性能结果

表4实施例与对比例的焊区硬度分布结果

从以上试验结果可以看出，本方法降低了焊缝融合线的焊区硬度，且整个焊区硬度分布均匀，提高抗硫钻杆焊区的冲击韧性，其次，改变了钻杆焊缝的金属流线，使得焊缝流线上的MnS夹杂物及第二相的形状、取向与氢原子扩散方向呈一定角度，氢原子的表观扩散系数降低，可有效提高抗硫化物应力腐蚀开裂性能。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实发明的技术范畴。

Claims

1.一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆，其特征在于：该钻杆管体与接头采用同种材料，材料化学成分由下述重量百分比的成分组成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余为Fe和不可去除的痕量元素。

2.一种如权利要求1所述的采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆的加工工艺，其特征在于：

A采用惯性锥面摩擦焊方式将钻杆管体与接头连成一体，其中，锥面摩擦焊时，钻杆管端锥面角A控制在60°至75°之间，钻杆接头焊接端面锥面角度与之相匹配，顶锻压力与正常的垂直对焊相持平，控制在1500～1800lb/in2范围内，使摩擦焊缩短量保持在13～20mm之间，保证焊缝的焊接性能；

B钻杆焊区热处理工艺：

3.根据权利要求2所述的采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆的加工工艺，其特征在于：中频感应加热线圈的宽度比普通焊缝热处理的感应线圈宽，步骤二的中频感应加热的感应线圈宽度，控制在15～25mm；上述步骤三和步骤四的中频感应加热的感应线圈宽度应大于所述步骤二的线圈宽度5-20mm，且保持一致。