CN103498105A

CN103498105A - 一种高强度地质钻探用无缝钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN103498105A
Application number: CN201310442952.4A
Authority: CN
Inventors: 左宏志; 王孝兵; 武冬兴
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明公开了一种高强度地质钻探用无缝钢管，其化学元素质量百分含量为：C：0.22～0.32%；Si：0.10～0.50%；Mn：1.01～1.19%；Cr：0.80～1.20%；Mo：0.10～0.29%；V：0.01～0.05%；Al：0.01～0.04%；余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明还公开了上述高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其包括步骤：1）制造成品管；2）对成品管进行淬火+回火的热处理；3）全长矫直。该无缝钢管的屈服强度≥850Mpa，抗拉强度≥950Mpa，全尺寸纵向冲击功≥50J，延伸率≥14%具有良好的车丝加工性能；且该无缝钢管的制造方法仅需一次调质热处理。

Description

一种高强度地质钻探用无缝钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铁基合金钢管及其制造方法，尤其涉及一种无缝钢管及其制造方法。

背景技术

目前，矿产资源紧缺是全世界范围内共同面临的问题，我国矿产资源的大量需求与供给不足的矛盾更加突出，“攻深找盲”已成为下一轮地质寻矿的重点。现在，地质钻探已向地质条件更为复杂、深度高达到1000米以上的矿产资源发展，这样对用于地质钻探的钻杆的综合性能提出了更严苛的要求；不仅要求制造地质钻杆的材料具有较高的强度水平，而且还要有充足的韧性和塑性储备，以抵御钻探过程中过载操作的强拉、强扭、冲击振动以及各种交变载荷作用，从而能适应各种矿产资源的特殊工作条件的使用要求。根据YB/T5052-93标准生产的、适用于地质钻探的钢管所涉及的钢级主要有DZ40、DZ50、DZ55、DZ60和DZ65等。由于DZ40和DZ50钢管为C-Mn钢管，其强度及延伸率指标偏低，DZ60钢管为Mn-Mo-B系钢管，相较于DZ40和DZ50钢管，其最小抗拉强度指标提升到了765MPa，但是由于DZ60钢管的C含量较高，而Mn含量不高，导致其延伸率和塑性指标都相对偏低，在钻杆的实际使用中易出现丝扣部位断裂，甚至发生管体断裂的现象。对于强度更高的DZ65钢管而言，尽管YB/T5052-93标准中对其成分和性能均提出了相应的要求，但是其并未得到市场的广泛认可。

公告号为CN102953019A，公告日为2013年3月6日，名称为“一种地质钻探用合金钢无缝钢管及其加工方法”的中国专利文献公开了一种地质钻探用合金无缝钢管及其加工方法，其化学成分（wt.%）为：C：0.25～0.30，Si：0.17～0.35，Mn：0.85～1.00，P≤0.012，S≤0.008，Cr：0.90～1.10，Mo：0.40～0.50，Ni、Cu≤0.1，Alt：0.015～0.030。通过采用冷拔、热处理及矫直工艺以获得服强度超过1000Mpa的无缝钢管。但是该无缝钢管需要冷拔和调质热处理，并且在生产过程中需要多次调质热处理，耗费能源较多，工序较为复杂。

公告号为CN101928890A，公告日为2010年12月29日，名称为“一种绳索取芯钻探用含Cr钢及其制造方法”的中国专利文献涉及一种绳索取芯钻探用含Cr钢及其制造方法，其化学元素重量百分配比（wt.%）为：C：0.25～0.42%，Si：0.30～0.50%，Mn：0.35～0.55%，Cr：0.85～1.15%，Mo：0.20～0.40%，Cu：0.08～0.15%，Ti：0.03～0.050%，V：0.01～0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。由于采用轧后回火的热处理工艺，使得钢材的屈服强度大于740MPa，抗拉强度大于880MPa且伸长率大于13%，钢材的力学性能满足DZ75钢级的使用要求，不过该钢材产品的Mn含量低，需要加入Cu、Ti等合金元素，提高了产品的合金成本，同时，轧后还需要进行回火热处理。

公告号为CN102994895A，公告日为2013年3月27日，名称为“一种微合金化高强度高韧性地质钻探用钢及其生产工艺”的中国专利文献公开了一种微合金化高强度高韧性地质钻探用钢，该钢材的化学成分按重量百分比（wt.%）为：C：0.36～0.42%，Si：0.40～0.60%，Mn：1.45～1.70%，Cr：0.20～0.30%，V：0.10～0.20%，Al：0.010～0.030%，Ti：0.015～0.035%，S≤0.015%，P≤0.020%，Cu≤0.20%，余量为Fe和不可避免的杂质。该技术方案中的地质钻探用钢的性能满足YB/T5052标准中DZ55的钢级要求，部分钻杆的性能可以达到DZ60的钢级要求，但该钢材的热轧正火态性能延伸率仅为12～15%，并且塑性指标偏低，不能用于情况条件较为复杂的地质环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度地质钻探用无缝钢管，该无缝钢管具有较高的屈服强度、抗拉强度和韧性指标以及良好的延伸率，其屈服强度≥850MPa，抗拉强度≥950MPa，全尺寸纵向冲击功≥50J，延伸率≥14%，从而使得该无缝钢管具有优良的强度、韧性和塑性指标。

为达到上述发明目的，本发明提供了一种高强度地质钻探用无缝钢管，其化学元素质量百分含量为：

C：0.22～0.32%；

Si：0.10～0.50%；

Mn：1.01～1.19%；

Cr：0.80～1.20%；

Mo：0.10～0.29%；

V：0.01～0.05%；

Al：0.01～0.04%；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

进一步地，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的微观组织的主体为回火索氏体。

更进一步地，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的硬度为27～35HRC。

本技术方案中各化学元素的设计原理如下：

C：C是碳化物的形成元素，其可以提高钢的强度和硬度，当碳含量太低时，提高钢的强度和硬度的效果不明显，不过碳含量太高时，又会大大降低钢的韧性，淬火后可能导致淬火裂纹产生，因此，在本发明的技术方案中将C含量控制为0.22～0.32%。

Si：加入的Si元素能够提高钢的浇铸性能及其强度，但是Si含量过高会增加钢的脆性，因此，本发明需要控制Si的质量百分含量为0.10～0.50%。

Mn：Mn元素为奥氏体的形成元素，通过稳定奥氏体组织来推迟高温冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的转变，从而获得更多的淬火马氏体以提高钢的淬透性。当Mn的含量＜1.01%时，提高钢的淬透性的作用并不明显，若Mn的含量＞1.19%时，则钢的奥氏体组织过于稳定，会增加淬火后的残余奥氏体的体积分数，同时，Mn含量过高还会致使炼钢时容易发生偏析，从而对钢的韧性产生不利影响。因而，对于本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管而言，Mn含量需控制为1.01～1.19%。

Cr：Cr元素为碳化物的形成元素，其可以提高钢的强度和淬透性，同时还能提高材料的抗腐蚀性及耐磨性。由于Cr含量太高时会大幅度提高钢的硬度，而降低钢的韧性和塑性，所以需要对Cr元素的添加进行控制，将其含量控制为0.80～1.20%。

Mo：Mo元素主要是通过碳化物析出强化及固溶强化形式来提高钢的强度和回火稳定性。Mo的碳化物颗粒细小而不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高钢的冲击韧性。较高的Mo含量会使得Mo在形成碳化物同时，还会有部分多余的Mo固溶在基体中，这一部分固溶于基体中的Mo则能以固溶强化的形式提高钢的回火稳定性。回火稳定性的提高有利于提高回火温度，从而降低热处理后的残余应力，提升钢的冲击韧性。不过，过高含量的Mo，就会大大地提高合金成本。因此，需要将Mo含量限制为0.10～0.29%。

V：V元素能够起到细化晶粒的作用，其所形成的碳化物能够提高钢的强度、韧性和塑性。不过，当V元素的含量达到一定量时，它的提高效果并不明显，并且V元素为价格较高的合金元素，故在本发明的技术方案中将其控制在0.01～0.05%的范围之间。

Al：在本技术方案中，作为炼钢时脱氧定氮剂的Al，其能够细化晶粒，抑制低碳钢的时效，并改善钢在低温时的韧性；尤其是其能降低钢的脆性转变温度。Al含量不宜过高，过高的Al含量会降低钢材产品的强度和韧性。因此，需要将Al的质量百分含量设定为0.01～0.04%。

本技术方案中不可避免的杂质主要为P和S元素。

综上所述，在成分设计方面，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管，通过添加Cr来提高材料的淬透性，从而提高热处理后材料的强度；不添加Cu或Ti等昂贵合金元素，降低了生产制造的合金成本；减少Mo和V元素的含量，则进一步地降低了其生产制造的合金成本；同时，通过适当增加Mn的添加量来提高钢的淬透性和热处理工艺后的强度性能，以减少因降低Mo含量所带来不利的影响。

相应地，本发明的另一目的在于提供了上述高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其包括步骤：

（1）制造成品管；

（2）对成品管进行淬火+回火的热处理；

（3）全长矫直。

本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法仅需要采取一次调质热处理即可，避免现有技术中需要采用多次调质热处理的制造方式，从而提升了能源使用效率。

进一步地，在本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法中，在上述步骤（2）中，淬火步骤为将成品管加热至870～950℃，然后对成品管进行喷水冷却。

在热处理工艺方面，将钢管在淬火炉内加热到相变点（AC3）以上30-50℃，使其内部组织转变为奥氏体组织，并保温一段时间，让奥氏体组织充分均匀化，再将加热好的钢管通过水淬设备以大于临近冷却速度的速度快速冷却，以获得足够多的马氏体组织，然后再将钢管送入回火炉内以一定的温度及合适的保温时间进行回火处理，可以最终得到综合性能较好的回火索氏体组织。

更进一步地，在本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法中，在上述步骤（2）中，喷水冷却步骤为：对成品管外表面进行层流冷却喷水冷却，对成品管内表面进行轴流喷水冷却，以大幅度地提高材料的强度和韧性。

淬火采用外表层流冷却+内表轴流喷水冷却的模式，确保了水淬过程中全长均匀的淬透性。采用水为淬火介质，既节能环保，又满足了材料成分对淬火冷却速度的要求。

优选地，在本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法中，在上述步骤（2）中，回火步骤的回火温度为520～620℃。

进一步地，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法中的步骤（1）中：将管坯加热至1250～1300℃；穿孔；在950～1050℃下轧管；再加热至950～1000℃保温一段时间；轧制成成品管；空冷。

与现有采取YB/T5052-93标准制造的钢管相比较，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管具备较高的屈服强度，抗拉强度和韧性指标以及良好的延伸率：

（1）屈服强度达到850Mpa以上，且抗拉强度达到950Mpa以上；

（2）全尺寸纵向冲击功≥50J；

（3）延伸率≥14%；

（4）合金元素的种类和总量添加适当，生产制造成本降低。

此外，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管还具有良好的车丝加工性能。

在一种优选的技术方案中，本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的硬度为27～35HRC，其能够更好地适应于地质条件复杂、恶劣的钻探环境。

本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法在合理成分设计的基础上采用一次淬火+回火的热处理控制，在保证钢管具有较高的屈服强度，抗拉强度和韧性指标及良好的延伸率的前提下，减少了生产制造的工序，降低了能源消耗，提高了经济效益。

具体实施方式

下面将根据具体实施例对本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管及其制造方法作进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例1～6和比较例

按照下述步骤制造本发明所述的高强度地质钻探用无缝钢管：

1）冶炼：冶炼并控制各化学元素的配比如表1所示；

2）制坯：将钢水直接连铸成圆管坯；

3）制造成品管：将圆管坯在环形加热炉内加热至1250～1300℃，经穿孔机穿孔后在950～1050℃下轧管，轧后钢管进入再加热炉中加热至950～1000℃并保温15-20分钟时间，采用张力减径机或延伸机轧制成成品管后空冷；

4）淬火：将成品管整体加热至870～950℃，然后对成品管进行喷水冷却，其中，对成品管的外表面进行层流喷水冷却，对成品管内表面进行从一端向另一端的轴流喷水冷却，成品管在淬火过程中绕着其自身轴心旋转；

5）回火：在连续炉或步进式炉内进行回火，回火温度为520～620℃，以获得主体微观组织为回火索氏体的高强度地质钻探用无缝钢管，具体工艺参数如表2所示；

6）全长矫直：采用矫直机对成品管进行全长矫直，以满足地质钻探对钢管直度要求。同时，实施例1～6的钢管的尺寸公差满足：外径公差-0.75%D～+0.75%D，壁厚公差：-12.5%t～+12.5%t，钢管不直度≤1mm/m，其中，D为钢管的外径，t为钢管的壁厚。

比较例则是按照YB/T5052-93标准生产的DZ60钢管。

表1显示了实施例1～6和比较例的钢管的各化学元素的质量百分配比。

表1.（wt.%，余量为Fe和其他不可避免的杂质）

序号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Al
								实施例1	0.22	0.49	1.19	1.20	0.28	0.05	0.03
实施例2	0.23	0.35	1.15	1.11	0.25	0.03	0.02
								实施例3	0.25	0.19	1.03	0.99	0.21	0.01	0.03
实施例4	0.27	0.25	1.06	0.98	0.23	0.02	0.03
								实施例5	0.30	0.15	1.15	1.12	0.20	0.03	0.04
实施例6	0.32	0.11	1.02	0.81	0.11	0.02	0.02
								比较例	0.47	0.26	1.05	0.005	0.26	0.05	0.03

表2显示了制造实施例1～6和比较例的钢管的工艺参数。

表2.

表3显示了实施例1～6和比较例的钢管的力学机械性能参数。

表3.

由表3可知，实施例1～6的钢管的屈服强度均达到了862MPa及以上，抗拉强度则均达到了956MPa及以上，说明实施例1～6的钢管相较于比较例的DZ60钢管具备较高的屈服强度和抗拉强度；尤其是比较例的DZ60钢管的全尺寸纵向冲击功的平均功仅为11J，而实施例1～6的钢管的全尺寸纵向冲击功的平均值均达到74J及以上，说明实施例1～6的钢管具备优良的韧性指标；此外，实施例1～6的钢管的硬度达到了28.6HRC及以上，且延伸率达到了16%，两者均高于比较例的DZ60钢管。因此，本发明的高强度地质钻探用无缝钢管具有良好的综合力学机械性能，其适合应用于地质条件复杂恶劣，深度超过1000米的钻探环境。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化或变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种高强度地质钻探用无缝钢管，其特征在于，其化学元素质量百分含量为：

C：0.22～0.32%；

Si：0.10～0.50%；

Mn：1.01～1.19%；

Cr：0.80～1.20%；

Mo：0.10～0.29%；

V：0.01～0.05%；

Al：0.01～0.04%；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强度地质钻探用无缝钢管，其特征在于，其微观组织的主体为回火索氏体。

3.如权利要求1所述的高强度地质钻探用无缝钢管，其特征在于，其硬度为27～35HRC。

4.如权利要求1～3中任一项所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其包括步骤：

（1）制造成品管；

（2）对成品管进行淬火+回火的热处理；

（3）全长矫直。

5.如权利要求4所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，淬火步骤为将成品管加热至870～950℃，然后对成品管进行喷水冷却。

6.如权利要求5所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述喷水冷却步骤为：对成品管外表面进行层流冷却喷水冷却，对成品管内表面进行轴流喷水冷却。

7.如权利要求4所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，回火步骤的回火温度为520～620℃。

8.如权利要求4所述的高强度地质钻探用无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：将管坯加热至1250～1300℃；穿孔；在950～1050℃下轧管；再加热至950～1000℃保温一段时间；轧制成成品管；空冷。