CN103938095A

CN103938095A - 一种165ksi钢级高强高韧钻杆及其制造方法

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Publication number: CN103938095A
Application number: CN201410177106.9A
Authority: CN
Inventors: 李云涛; 张忠铧; 钱华; 赵鹏; 张建伟; 刘绍锋; 董长富
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN103938095B

Abstract

一种165k_si钢级高强高韧钻杆及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.40％；Cr：0.50～1.40％；M_o：0.60～2.10％；Ti：0.005～0.025％；Nb：0.03～0.10％；V：0.02～0.15％；Si：0.20～0.40％；Al≤0.05％；N≤0.10％；P≤0.015％；S≤0.008％；其余为F_e和不可避免的杂质；且，Mn减小值＝(3～6)×C增加值，[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，5≤[Nb]/[Ti]≤10，1％≤[Cr]+[Mo]≤3％；钻杆组织平均晶粒度不小于8.5级，组织为回火索氏体和弥散分布的析出强化相。本发明钻杆力学性能相比S135钢级提高20％以上，同时具有冲击功(全尺寸试样)在-20℃下不小于80J的高韧性，以解决在严酷工况条件下API钻杆的强韧性不足的问题。

Description

一种165ksi钢级高强高韧钻杆及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气开采钻井工程领域的钻杆产品，特别涉及一种165ksi钢级高强高韧钻杆及其制造方法。

背景技术

随着油气资源日益枯竭，油气井的开发难度增加。为了满足现有油气开采的需要，开发者面临着的超深井、大位移井、深海或高温和高压等复杂工况条件下的钻井项目，对钻井作业中的钻杆产品的强度、韧性和钢管壁厚等均提出了新的要求。

钻杆产品钢级提高能减小钻杆壁厚，降低超深井和大位移井钻井时钻杆的摩阻扭矩，提高钻柱的水力特性，使钻杆能更容易实现超深井、大位移井的钻进作业。现有API系列钻杆中强度最高的S-135钢级已无法满足部分深井和大位移井对钻杆的强韧性要求，继续开发高钢级强度等级的钻杆产品，满足钻进工程需要。

钻杆在服役中受到周期性的轴向和径向应力，作业中同时受到提拉冲击和横向冲击等作用，复杂的受力环境导致产品断裂是钻杆失效的主要形式。为了保证产品的服役安全性，除了结构设计降低疲劳断裂风险外，需要提高钻杆材料的断裂韧性，提高产品的冲击功值。

国内外生产企业加大超高强韧钻杆材料和产品的研究。中国专利CN103147014A报道了一种钢级达到135KSI的钻杆产品，其成分采用国家战略资源稀土进行合金化，稀土元素一方面增加材料的生产成本，同时Ce元素在生产上存在不稳定的问题，难以保证钻杆产品大批量生产性能的稳定性。中国专利CN102787274A和CN101935804A公开的钻杆产品钢级为135钢级，成分设计上没有采用添加Ti元素，无法满足超深井开发需要。

中国专利CN102268609A主要通过两次淬火和一次回火的工艺来生产165钢级钻杆。该专利在钢种上采用低C、Mn元素含量，没有添加Nb、Ti元素，大幅度提高了V元素的含量，该成分体系通过减小元素固溶强化、增加V元素的沉淀强化效果来提高产品的强度。但是，由于没有添加Nb、Ti元素，单独添加高含量V元素(0.1～0.30％)进行微合金化，容易导致V元素和有害元素的晶界偏析，使得冲击性能下降，同时钻杆采用两次高温加热后淬火的热处理方法，产品生产效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种165ksi钢级高强高韧钻杆及其制造方法，通过适当的成分和工艺设计，采用一次调质热处理工艺得到一种具有超高强韧匹配性能的钻杆，满足深井、超深井钻进对钻杆强韧性的技术要求。本发明钻杆的力学性能满足165KSI钢级钻杆的强度要求，相比S135钢级提高20％以上，同时具有冲击功(全尺寸试样)在-20℃下不小于80J的高韧性，以解决在严酷工况条件下API钻杆的强韧性不足的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种165ksi钢级高强高韧钻杆，其成分重量百分比为：C：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.40％；Cr：0.50～1.40％；Mo：0.60～2.10％；Ti：0.005～0.025％；Nb：0.03～0.10％；V：0.02～0.15％；Si：0.20～0.40％；Al≤0.05％；N≤0.10％；P≤0.015％；S≤0.008％；其余为Fe和不可避免的杂质；且，Mn减小值＝(3～6)×C增加值，[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，5≤[Nb]/[Ti]≤10，1％≤[Cr]+[Mo]≤3％；钻杆组织平均晶粒度不小于8.5级，组织为回火索氏体和弥散分布的析出强化相。

在本发明钢的成分设计中：

为了提高固溶强化效果，同时保证材料高韧性，本发明综合考虑C元素和Mn元素的匹配，在降低C元素含量同时提高Mn元素添加量。由于Mn元素含量过高后在连铸过程中容易成分偏析，后续轧制和热处理过程中难以消除，在产品中形成带状组织而降低产品韧性。为了保证固溶强化效果和减小成分偏析，根据C含量要求，Mn元素适宜的添加范围控制在0.5～1.40％；随着C含量增加，Mn元素含量减小量采用公式：Mn减小值＝(3～6)×C增加值。

与其他专利相比，本发明采用Nb、Ti、V三种沉淀强化元素添加进行微合金化，其中0.005≤Ti≤0.025％，0.03≤Nb≤0.10％，0.02≤V≤0.15％。本发明综合利用Nb、Ti、V三种元素在碳钢中析出温度不同的特点，一方面用于控制产品晶粒度，提高细晶强化效果，同时结合V元素添加在后续热处理工艺中实现沉淀强化要求。Ti元素在钢种能有效抑制有害元素的晶界偏析，有利于产品韧性提高；Nb、Ti元素在钢中能形成NbC、(Nb、Ti)(N、C)等沉淀相，在900℃以上稳定存在，通过适当控制可以在1200℃高温下不溶解，属于高温沉淀相；钢中V元素在450～800℃析出VC粒子，属于中温沉淀相，通过调质热处理工艺可以有效的控制VC沉淀相的大小和分布。Nb、Ti两种元素联合添加对抑制连铸坯在环形炉加热过程的晶粒粗化具有显著效果。但是，Nb、Ti元素含量过高容易在连铸过程中形成粗大的一次沉淀相，降低晶粒细化效果和沉淀强化作用；V元素添加量过高，容易在晶界偏聚，降低产品的冲击功。本发明严格控制Nb、Ti和V元素添加量上限，三种元素总添加量满足[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，其中5≤[Nb]/[Ti]≤10。

为了提高产品淬透性，保证产品晶粒度和相变强化效果，本发明采用Cr、Mo元素合金化。适量的Cr延缓索氏体转变，改变F_e3C形态，细化索氏体片；钼具有较强的碳化物形成能力，能够阻止奥氏体晶粒粗化，同时钼会造成C曲线的右移，极大的提高淬透性；Cr、Mo元素能形成M₇C₃、M₂₃C₆等沉淀相起到沉淀强化效果。提高Mo含量可以显著保证产品相变强化效果，但是由于Mo元素属于贵金属，为保证提高淬透性和细化效果，在C、Mn元素设计基础上保证Cr、Mo元素含量满足：1％≤[Cr]+[Mo]≤3％，Mo元素添加量为0.60-2.10％。

本发明的165ksi钢级高强高韧钻杆的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、连铸

按下述成分冶炼、连铸成连铸圆坯，其成分重量百分比为：C：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.40％；Cr：0.50～1.40％；Mo：0.60～2.10％；Ti：0.005～0.025％；Nb：0.03～0.10％；V：0.02～0.15％；Si：0.20～0.40％；Al≤0.05％；N≤0.10％；P≤0.015％；S≤0.008％；其余为Fe和不可避免的杂质；且，Mn减小值＝(3～6)×C增加值，[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，5≤[Nb]/[Ti]≤10，1％≤[Cr]+[Mo]≤3％；

2)控制轧制连铸圆坯在1100℃～1250℃充分加热后，控制穿孔、缩径、连轧和拉矫段分别在再结晶区变形，终轧温度控制在880～950℃；管端进行加厚处理，制成钻杆的管体；

3)热处理对管体整体进行调质热处理，调质工艺：870～950℃保温大于60min后水淬；回火温度550～650℃，回火时间大于45min；

4)焊接

将管体和工具接头焊接。

进一步，步骤3)管体进行调质热处理后在冷床上进行风冷，风冷开始时管体表面温度为350～480℃，以此保证钻杆冲击功。

又，步骤4)所述的焊接为摩擦焊接，采用连续摩擦焊或惯性摩擦焊，焊缝采用在线热处理。

在本发明制造方法中：

为了增加产品的断裂韧性，提高冲击功值，控制析出相的形貌，热处理工艺特征在于：为保证晶粒度，连铸圆坯加热温度为1100℃～1250℃，根据产品成分控制连铸坯在环形炉加热温度不超过1250℃；管坯热轧采用低温轧制，终轧温度控制在880～950℃，保证轧制顺行基础上温度不大于950℃。

高温淬火和低温回火调质热处理工艺：采用870～950℃保温大于60min后水淬或油淬，最后采用低温回火工艺，回火温度550～650℃，回火时间大于45min。

为了提高产品韧性，抑制回火脆性，回火热处理后钢管随后在冷床上进行风冷，风冷开始时钢管表面温度控制为350～480℃。

通过上述各种强化手段，本发明可得到组织为回火索氏体和大量弥散析出沉淀相的材料，组织晶粒度达到了8.5级以上，微观组织为晶粒细小的回火索氏体组织、少量铁素体以及细小弥散分布的MC、M₇C₃和M₂₃C₆型复合沉淀相。钻杆材料以细晶强化、相变强化和沉淀强化为主要强韧性手段，具有高的强度和韧性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表1为本发明钢的成分实施例。表2所示为本发明钢实施例性能。

本发明钻杆的生产工艺如下：按下述成分的材料进行熔炼，连铸成圆坯；圆坯在1100℃～1250℃充分加热，经过穿孔、缩径、连轧和拉矫张减后制成光管，终轧温度880～950℃；光管经过端部加厚处理的得到钻杆管体，管体进行全管热处理，管体加热至890℃～950℃，保温30～60min进行奥氏体化；用工业水冷却至室温；最后进行550～650℃回火热处理，回火时间大于45min；出炉后在管外壁温度自然冷却至350～480℃时在冷床上进行风冷，得到组织为回火索氏体和大量析出相的管体。管体和工具接头采用连续摩擦焊机进行焊接和在线感应热处理，制作了六根满足APISpec5DP钻杆规范尺寸的样品，钻杆管体组织以及力学性能指标列表如下所示。

表1单位：重量％

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Nb	Ti
											实施例1	0.21	0.25	1.38	0.013	0.008	1.38	1.57	0.13	0.09	0.016
实施例2	0.26	0.32	1.22	0.011	0.006	1.03	0.97	0.082	0.05	0.009
											实施例3	0.30	0.28	0.86	0.010	0.007	0.53	2.01	0.056	0.08	0.012
实施例4	0.34	0.36	0.81	0.014	0.008	1.13	0.66	0.032	0.09	0.009
											实施例5	0.38	0.21	0.53	0.010	0.004	0.50	0.62	0.023	0.04	0.008
实施例6	0.40	0.26	0.51	0.009	0.005	0.52	0.60	0.026	0.06	0.012

表2

Claims

1.一种165ksi钢级高强高韧钻杆，其成分重量百分比为：C：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.40％；Cr：0.50～1.40％；Mo：0.60～2.10％；Ti：0.005～0.025％；Nb：0.03～0.10％；V：0.02～0.15％；Si：0.20～0.40％；Al≤0.05％；N≤0.10％；P≤0.015％；S≤0.008％；其余为Fe和不可避免的杂质；且，Mn减小值＝(3～6)×C增加值，[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，5≤[Nb]/[Ti]≤10，1％≤[Cr]+[Mo]≤3％；钻杆组织平均晶粒度不小于8.5级，组织为回火索氏体和弥散分布的析出强化相。

2.一种165ksi钢级高强高韧钻杆的制造方法，包括如下步骤：1)冶炼、连铸

按下述成分冶炼、连铸成圆坯，其成分重量百分比为：C：0.20～0.40％；Mn：0.50～1.40％；Cr：0.50～1.40％；Mo：0.60～2.10％；Ti：0.005～0.025％；Nb：0.03～0.10％；V：0.02～0.15％；Si：0.20～0.40％；Al≤0.05％；N≤0.10％；P≤0.015％；S≤0.008％；其余为Fe和不可避免的杂质；且，Mn减小值＝(3～6)×C增加值，[Nb]+[Ti]+[V]≤0.25％，5≤[Nb]/[Ti]≤10，1％≤[Cr]+[Mo]≤3％；

2)控制轧制

连铸圆坯在1100℃～1250℃充分加热后，控制穿孔、缩径、连轧和拉矫段分别在再结晶区变形，终轧温度控制在880～950℃；管端进行加厚处理，制成钻杆的管体；

3)热处理

对管体整体进行调质热处理，调质工艺：870～950℃保温大于60min后水淬；回火温度550～650℃，回火时间大于45min；

4)焊接

将管体和工具接头焊接。

3.如权利要求2所述的165ksi钢级高强高韧钻杆的制造方法，其特征是，步骤3)管体进行调质热处理后在冷床上进行风冷，风冷开始时管体表面温度为350～480℃。

4.如权利要求2所述的165ksi钢级高强高韧钻杆的制造方法，其特征是，步骤4)所述的焊接为摩擦焊接，采用连续摩擦焊或惯性摩擦焊，焊缝采用在线热处理。