CN103789685A - 一种高强度、高韧性石油钻杆及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度、高韧性石油钻杆及其生产方法。该石油钻杆的钢种成分的质量百分比组成是C 0.22-0.35%,Si 0.17-0.30%,Mn 0.45-0.65%,Cr 0.9-1.5%,Mo 0.9-1.5%,V 0.05-0.15%,Al 0.02-0.04%,Ni 0.05-0.20%,Ti 0.01-0.06%,B 0.001-0.008%,S <0.005%,P <0.008%,其余成分为Fe。该石油钻杆的制造方法是,含上述成分的钢水经脱碳精练,制成钢坯;经芯棒轧机热轧成无缝钢管;轧制成无缝钢管后,需要采用两次淬火+高温回火的热处理工艺,以保证钢管的强度和韧性。经该方法制造的石油钻杆,一个显著特点是可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,提高钢的强韧性。本发明的高强度高韧性钻杆,屈服强度可达150~165KSI(1034~1138MPa),其室温纵向全尺寸冲击韧性≥100J。

Description

一种高强度、高韧性石油钻杆及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种开采石油或天然气的石油钻杆,特别是一种高强度、高韧性石油钻杆及其生产方法,属于冶金技术领域。
背景技术
石油和天然气是人类的重要能源。随着钻井技术发展和浅层易开采油气层的逐渐减少,钻井深度在不断增加,我国近几年要钻大量7000~8000m的超深井,我国海洋钻井也逐步走向深海开发。井的深度增加,就要求材料有更高的屈服强度和与之匹配的高韧性,目前常用的符合美国石油学会(API)规定的最高钢级S-135钻杆无法满足其要求,V-150钢级及165钢级等超高强度钻杆是有效的解决方案。
试验结果表明,常用的钻杆管体如27CrMo钢种,生产S-135钻杆没有问题,但是生产强度级别S-135以上的钻杆(如150~165Ksi钢级)时,存在很大问题,主要是超高强度与高韧性的匹配问题。高强韧石油钻杆的性能不仅与采用的材料成分有关,也与其生产方法密切相关。众所周知,超高强度钢的冲击韧性取决于钢材化学成分、纯净度、组织细化程度等。采用超纯净冶炼技术,尽可能降低超高强度钢中硫、磷等杂质元素和气体含量,减少夹杂物数量,才能获得满意的冲击韧性。采用适当的热处理工艺,在超高强度钢中获得以超细化板条马氏体为基体、弥散分布奥氏体韧性相为特征的显微组织,在轧制过程中以获得高精度的几何尺寸和低残余应力为目标,这是实现超高韧性石油钻杆的技术关键。
目前石油钻杆采用的钢种,硫、磷等杂质元素含量高,组织中含有片状夹杂物,当其屈服强度为150~165Ksi(1034~1138MPa),其室温纵向全尺寸冲击功往往只有50~75J左右,同时,淬透性差,在管体整体热处理时难以保证加厚端(30mm左右)的淬透性,从而导致加厚端冲击韧性低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度、高韧性石油钻杆及其生产方法,以克服现有技术的不足,屈服强度可达150~165KSI(1034~1138MPa),其室温纵向全尺寸冲击韧性≥100J,满足深井、超深井的开采需要。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案。
一种高强度、高韧性石油钻杆,其特征在于:该石油钻杆的钢种成分的质量百分比组成是C 0.22-0.35%,Si 0.17-0.30%,Mn 0.45-0.65%,Cr0.9-1.5%,Mo 0.9-1.5%,V 0.05-0.15%,Al 0.02-0.04%,Ni 0.05-0.20%,Ti0.01-0.06%,B 0.001-0.008%,S <0.005%,P <0.008%,其余成分为Fe。
其中,C有利于提高钢的强度,但容易与Cr形成碳化物Cr23C6,降低钢的耐腐蚀性,降低钢的低温韧性。因此,需要控制在0.22%-0.35%。
Si、Mn有利于钢的脱氧和提高钢的淬透性,但如果这两种元素含量过多,则会降低钢的韧性。所以,将Si控制在0.17-0.30%,Mn控制在0.45-0.65%。
Cr为碳化物形成元素,可以提高钢的强度和淬透性,太低时效果不明显,太高时会大大降低钢的韧性。因此,将Cr控制在0.9-1.5%之间。
Mo元素在调质或正火钢管的热处理中能生成碳化物,易于除掉固溶碳,还能防止有害元素Si、P的晶间偏析。应控制在0.9%-1.5%之间。
V、Ti可起细化晶粒和扩大淬透性的作用,提高钢的强度和韧性,其中Ti还可以固硫、消除钢中MnS或FeS的夹杂物形成。但是,当含量达到一定量时效果就不明显了,同时因为价格高,要限制使用量。V控制在0.05-0.15%,Ti控制在0.01-0.06%。
Al属于钢的脱氧剂,但过量的Al会降低钢的清洁度,损害其加工性能。控制在0.02-0.04%。
Ni为奥氏体稳定元素,可抑制δ铁酸盐的生成,而δ铁酸盐的存在会导致管子热加工性能下降。将Ni控制在3.0%-6.0%。
B属强碳化物形成元素,它与碳/氮形成的金属间隙相化和物质点硬度高,并通过提高淬透性,细化晶粒。将B控制在0.001-0.008%。
P、S是钢中不可避免的杂质元素,属于有害元素。这两种元素会降低铁素体/γ晶界的强度,显著降低热加工性。因此,将P含量控制在0.008%以下,将S含量控制在0.005%以下。
一种如上所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:它包括如下生产步骤:
a、精炼:将钢水经脱碳精练,制成钢坯;其中钢水的成分的质量百分比组成是为C 0.22-0.35%,Si 0.17-0.30%,Mn 0.45-0.65%,Cr 0.9-1.5%,Mo0.9-1.5%,V 0.05-0.15%,Al 0.02-0.04%,Ni 0.05-0.20%,Ti 0.01-0.06%,B 0.001-0.008%,S <0.005%,P <0.008%,其余成分为Fe;
b、轧管:将上述钢坯经芯棒轧机热轧成无缝钢管。
所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:轧制时,轧制顶头采用的材料成分质量百分比组成是C 0.30%,Si 0.30%,Mn 0.40%,Cr0.40%,Ni 1.00%,Nb 0.45%,Mo 1.20%,W 5.00%,Co 1.20%,其余成分为Fe。
所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:在轧管后,再进行热处理:采用两次淬火+高温回火的热处理工艺,淬火介质为水,第一次淬火温度为900℃-1100℃,保温40-80分钟;第二次淬火温度比第一次调低50-70℃,保温时间不变;回火温度在500℃-750℃,保温时间30-60分钟;该钢种经热处理后可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,晶粒度9级或者更细小,提高钢的强韧性。
这种超高强度高韧性钢属于Cr-Ni-Mo-V合金系的调制钢种,不同于普通的钻杆钢种,轧制时,开发了新的轧制顶头材料,轧制顶头采用的材料成分质量百分比组成是C 0.30%,Si 0.30%,Mn 0.40%,Cr0.40%,Ni 1.00%,Nb 0.45%,Mo 1.20%,W 5.00%,Co 1.20%,其余成分为Fe。而普通轧头材料成分为:C 0.30,Si 0.30,Mn 0.40,Cr0.40,Ni 1.00。
与现有技术相比,本发明具有显著进步,具体表现在:1)该发明采用了新的钢种成分设计,该钢种经过热处理后可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,使钻杆不但具有超高的强度,而且具有良好的韧性。2)采用了两次淬火+高温回火的热处理工艺,可以保证加厚端的组织和管体组织基本一致,且回火温度较高,保证了焊后热处理及喷涂内涂层等后续工序的正常开展。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明详细描述。
以下以Φ127×9.19mm石油钻杆的生产为例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用海绵铁和废钢做炼钢原料,用电弧炉融化成钢水,经炉外精炼和真空脱气后,得到制造石油钻杆的钢,其成分按质量百分比为:C 0.22%,Si0.17%,Mn 0.45%,Cr 0.9%,Mo 0.9%,V 0.05%,Al 0.02%,Ni 0.05%,Ti 0.01%,B 0.001%,S 0.001%,P 0.001%,其余成分为Fe。
含上述成分的钢水经脱碳精练,制成钢坯。经限动芯棒轧机热轧成无缝
钢管,轧制时轧头与钢坯之间不使用润滑剂,但轧头采用的材料为(质量百分比):C 0.30%,Si 0.30%,Mn 0.40%,Cr0.40%,Ni 1.00%,Nb 0.45%,Mo 1.20%,W 5.00%,Co 1.20%,其余成分为Fe。热轧时,热定心温度为1270℃,热穿孔温度为1250℃,热轧温度为1100℃,定减径温度为920℃。最后经锯切,形成Φ127×9.19mm的钢管。
将上述钢管两端加厚,然后采用两次淬火+高温回火的热处理工艺,淬火介质为水,第一次淬火温度为900℃-1100℃,保温40-80分钟;第二次淬火温度比第一次调低50-70℃,保温时间不变;回火温度在500℃-750℃,保温时间30-60分钟。然后经过560℃热定径,520℃热矫直,最后探伤,得到成品钻杆管体。
经该方法生产的石油钻杆,其力学性能达到的指标如下:
屈服强度:1034MPa;
抗拉强度:1152MPa;
冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功:≥100J;
横向全尺寸夏比冲击功:≥80J;
延伸率:≥17%。
通过本发明生产的石油钻杆,屈服强度可达150KSI,其室温纵向全尺寸冲击韧性≥100J,延伸率≥17%。可以满足深井、超深井对钻杆的超高强度和韧性要求。
实施例2
采用海绵铁和废钢做炼钢原料,用电弧炉融化成钢水,经炉外精炼和真空脱气后,得到制造石油钻杆的钢,其成分按质量百分比为:C 0.35%,Si0.30%,Mn 0.65%,Cr 1.5%,Mo 1.5%,V 0.15%,Al 0.04%,Ni 0.20%,Ti 0.06%,B 0.008%,S 0.005%,P 0.008%,其余成分为Fe。
含上述成分的钢水经脱碳精练,制成钢坯。经限动芯棒轧机热轧成无缝
钢管,轧制时轧头与钢坯之间不使用润滑剂,但轧头采用的材料为(质量百分比):C 0.30%,Si 0.30%,Mn 0.40%,Cr0.40%,Ni 1.00%,Nb 0.45%,Mo 1.20%,W 5.00%,Co 1.20%,其余成分为Fe。热轧时,热定心温度为1270℃,热穿孔温度为1250℃,热轧温度为1100℃,定减径温度为920℃。最后经锯切,形成Φ127×9.19mm的钢管。
将上述钢管两端加厚,然后采用两次淬火+高温回火的热处理工艺,淬火介质为水,第一次淬火温度为900℃-1100℃,保温40-80分钟;第二次淬火温度比第一次调低50-70℃,保温时间不变;回火温度在500℃-750℃,保温时间30-60分钟。然后经过560℃热定径,520℃热矫直,最后探伤,得到成品钻杆管体。
经该方法生产的石油钻杆,其力学性能达到的指标如下:
屈服强度:1138MPa;
抗拉强度:1315MPa;
冲击韧性:纵向全尺寸夏比冲击功:≥100J;
横向全尺寸夏比冲击功:≥80J;
延伸率:≥17%。
通过本发明生产的石油钻杆,屈服强度可达165KSI,其室温纵向全尺寸冲击韧性≥100J,延伸率≥17%。可以满足深井、超深井对钻杆的超高强度和韧性要求。
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,都应为本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种高强度、高韧性石油钻杆,其特征在于:该石油钻杆的钢种成分的质量百分比组成是C 0.22-0.35%,Si 0.17-0.30%,Mn 0.45-0.65%,Cr0.9-1.5%,Mo 0.9-1.5%,V 0.05-0.15%,Al 0.02-0.04%,Ni 0.05-0.20%,Ti0.01-0.06%,B 0.001-0.008%,S <0.005%,P <0.008%,其余成分为Fe。
2.一种如权利要求1所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:它包括如下生产步骤:
a、精炼:将钢水经脱碳精练,制成钢坯;其中钢水的成分的质量百分比组成是为C 0.22-0.35%,Si 0.17-0.30%,Mn 0.45-0.65%,Cr 0.9-1.5%,Mo0.9-1.5%,V 0.05-0.15%,Al 0.02-0.04%,Ni 0.05-0.20%,Ti 0.01-0.06%,B 0.001-0.008%,S <0.005%,P <0.008%,其余成分为Fe;
b、轧管:将上述钢坯经芯棒轧机热轧成无缝钢管。
3.根据权利要求2所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:轧制时,轧制顶头采用的材料成分质量百分比组成是C 0.30%,Si 0.30%,Mn 0.40%,Cr0.40%,Ni 1.00%,Nb 0.45%,Mo 1.20%,W 5.00%,Co 1.20%,其余成分为Fe。
4.根据权利要求2或3所述的高强度、高韧性石油钻杆的生产方法,其特征在于:在轧管后,再进行热处理:采用两次淬火+高温回火的热处理工艺,淬火介质为水,第一次淬火温度为900℃-1100℃,保温40-80分钟;第二次淬火温度比第一次调低50-70℃,保温时间不变;回火温度在500℃-750℃,保温时间30-60分钟;该钢种经热处理后可以获得超细板条马氏体基体上弥散分布一定数量的奥氏体韧性相,晶粒度9级或者更细小,提高钢的强韧性。
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