CN104313479A - 一种耐腐蚀抽油杆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种耐腐蚀抽油杆及其制造方法涉及一种油田采油机械中所用的抽油杆以及该抽油杆的制造方法。其目的是为了提供一种生产成本较低，却具有较强的耐疲劳、耐腐蚀性能的抽油杆，该抽油杆可以更好的应用于含H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质的油井。本发明还要解决的技术问题是提供一种用于制造上述抽油杆的方法。本发明一种耐腐蚀抽油杆，包括杆体；以质量百分比计，所述杆体的材料成分为：C 0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe。本发明一种耐腐蚀的抽油杆是采用的现有抽油杆方法及设备制造而成的。
Description
技术领域
本发明涉及一种油田采油机械中所用的抽油杆以及该抽油杆的制造方法。
背景技术
抽油杆是油田采油系统中用于连接地面抽油机和井下抽油的重要部件，是石油开采活动中重要的消耗性材料之一。在采油生产过程中，抽油杆承受的载荷包括抽油杆柱的重量、液柱重量、抽油杆柱和液体的惯性载荷、抽油杆柱在运动中的摩擦阻力、抽油杆柱的弹性引起的震动载荷及由于液体和柱塞运动不一致而引起的冲击载荷等。以上六种载荷在抽油杆上下往复运动期间是循环变化的，因此抽油杆承受的是不对称循环载荷。抽油井井液中含有盐分、二氧化碳或硫化氢等腐蚀介质，腐蚀介质的侵蚀作用会大大降低抽油杆使用寿命。因此，抽油杆失效形式常表现为疲劳断裂、腐蚀疲劳断裂。
随着油田的不断开采，现有大部分油田的开采已步入后期，井深及井液腐蚀性(CO2，H2S，NaCL等)均呈上升趋势；近年来，在全球获得的重大油田勘探发现中，有一半来自海洋，特别是深水区域；而从发展趋势看来未来的油田开发项目更将主要来自于海洋。因此，含蜡井、稠油井、深井、超深井等新的工作条件，对抽油杆的强度、韧性、耐腐蚀性、抗腐蚀疲劳等性能提出了更高的要求。
国内油田目前大量使用的抽油杆多为D级(GB/T26075-2010)，在强度和耐腐蚀性方面无法满足油田未来开发的要求。H级抽油杆虽然在抗拉强度方面比D级抽油杆有优势，但是在耐腐蚀性方面并没有提高。因此，对于需要高耐腐蚀性的特殊油井如含含H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质的油井的开发中，目前还多是采用进口产品以满足需要。但是进口产品由于价格昂贵，不适合大范围使用。因此，找到一种成本较低、强度高、耐腐蚀性和耐疲劳性优异的抽油杆是满足我国今后油田开发需要的重要问题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生产成本较低，却具有较强的耐疲劳、耐腐蚀性能的抽油杆，该抽油杆可以更好的应用于含H2S、CO2、Cl-等腐蚀介质的油井。
本发明还要解决的技术问题是提供一种用于制造上述抽油杆的方法。
本发明一种耐腐蚀抽油杆，包括杆体；以质量百分比计，所述杆体的材料成分为：C0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe。
本发明一种耐腐蚀抽油杆，其中所述稀土为La和Ce的混合物。
本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法，包括如下步骤：
a冶炼，将各原料放入电炉中冶炼，调整各合金元素成分，使合金元素的质量分数达到C 0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe。
b浇注，将上述冶炼而成的浇注液注入钢锭模，制得钢锭；
c轧制，将上述浇注而成的钢锭经过Φ650X1和Φ650X3的轧机轧制成65mmX65mm2的方胚；然后将上述轧制而成的方胚通过Φ400X1和Φ250X5连轧机轧制成圆钢并定尺剪切，制得抽油杆粗胚，其中控轧控冷加热温度为1090℃，终轧温度为900℃，冷却速度为3℃/s直至空冷到室温；
d热处理，首先将上述轧制而成的抽油杆粗胚进行淬火处理，其中淬火温度830℃～850℃，保温1小时；然后将经淬火处理的抽油杆粗胚作回火处理，回火温度370℃～410℃，保温2小时；最后将经回火处理的抽油杆粗胚放在空气中自然冷却。至此权利要求1所述的一种耐腐蚀抽油杆制造完成。
本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法，其中所述浇注步骤制得的钢锭重量为560kg。
本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法，其中所述轧制步骤轧制而成的圆钢尺寸为Φ28mm，剪切而得的抽油杆粗胚长度为7m。
本发明一种耐腐蚀抽油杆与现有技术不同之处在于本发明一种耐腐蚀抽油杆通过引入稀有元素以及合理的合金元素配比，即实现了抽油杆的耐腐蚀性能和抗疲劳性能得到大幅提升的目的。相较于常规采用的，通过提高贵金属元素Mo、Ni的含量来增强抽油杆耐腐蚀性能的做法，本发明一种耐腐蚀抽油杆的生产成本更低；对油田而言，使用本发明一种耐腐蚀抽油杆的产出投入比更高。
本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法与现有抽油杆的制造方法基本相同，使用的所有设备都是现有设备，省去了生产设备的研发经费，只不过在使用本方法制造上述一种耐腐蚀抽油杆时，需要对工艺参数做适应性修改。
下面结合具体实施方式对本发明一种耐腐蚀抽油杆及其制造方法作进一步说明。
具体实施方式
本发明一种耐腐蚀抽油杆，包括杆体；以质量百分比计，所述杆体的材料成分为：C0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe，其中稀土为La和Ce的混合物。
本发明一种耐腐蚀抽油杆中部分元素含量的确定如下：
C：一般认为0.08％～0.4％的碳含量对钢的硫化氢腐蚀破裂敏感性没有明显影响。碳是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量，但是碳元素对塑性不利，同时大于0.3％的碳含量不利于焊接。控制0.15％～0.25％的碳含量可以保证获得足够的强度，同时使钢具有良好的韧性和焊接性。
Cr：铬能显著提高钢的耐硫化物破裂能力显著提高钢的淬透性，铬与Mn共同使用效果良好，由于Cr降低钢中的碳活度，同时又是碳化物形成元素，提高碳的扩散激活能，故能减轻钢的脱碳倾向。能改变钢材的电极电位，提高耐腐蚀性能。0.5％～1.0％的铬是经济有效的最佳含量。
Mo：在低合金钢中能提高钢的耐硫化物破裂能力，同时它可以强烈推迟铁素体转变，显著提高钢的淬性。可降低钢的回火脆性，改善热处理工艺性能，提高钢材的疲劳性能。钼能降低钢中氢的活度，大大降低钢的吸氢倾向。可以强烈地阻碍碳化物的形核和长大，减少钢中的储氢陷阱。本发明钢加入0.1％～0.2％的钼是最经济有效的含量。
Nb：能显著提高钢的耐硫化物破裂能力显著提高钢的淬透性，在钢种能形成细小的NbCN颗粒，钢坯再加热时未溶NbCN颗粒可以阻止奥氏体晶粒的长大；Nb能显著提高钢的再结晶温度，使钢在较高、较大的热变形温度范围进行未再结晶控轧，促进晶粒的细化，提高钢的强韧性。0.2％～0.4％的铌能起到上述的作用。
Ti：作用与铌相似，但它是更强的碳氮化物形成元素，细小的TiCN颗粒有效阻止钢坯再加热时奥氏体晶粒长大的作用更显著。0.05％～0.15％的钛是耐硫化物破裂有有益的作用。
稀土：稀土在钢中的作用主要包括变质作用和微合金化作用。(1)变质作用。稀土加入到钢中可以控制硫、氧夹杂物的形态，会形成高熔点的在晶体内任意分布的球形夹杂，取代沿晶界分布的第二类硫化物。这种夹杂物全部为灰黑色的RE2O2S，外层为浅灰色的稀土硫化物。脱氧加入的Al形成的Al2O3作为稀土硫化物的结晶核心，从而使群聚的AL2O3消失。另外，当稀土加入量适宜时，稀土硫化物可以完全取代MnS。稀土化合物在钢热加工变形时，仍保持细小的球形或纺锤形，均匀的分布在钢材中，消除了原先存在的沿钢材轧制方向分布的呈长条状MnS等夹杂。这样可以明显改善钢的横向韧性、疲劳性能、耐腐蚀能力。另外，因为稀土夹杂物的热膨胀系数和钢近似，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，有利于提高钢的疲劳强度。(2)微合金化作用。由稀土-铁系相图可知，稀土元素在铁液中与铁原子是互溶的，稀土原子半径比铁原子大，对固溶体能提供强化作用。固溶在钢中的稀土往往通过扩散机制富集于晶界，减少了杂质元素在晶界的偏聚，从而改善了晶界并抑制了局部弱化，如：低温脆性、晶界腐蚀、回火脆性等。另外，适量稀土的加入改变了钢的相变曲线。当铈含量不超过0.15％时，随着含铈量增加，先共析铁素体量减小，贝氏体量增加，魏氏体消除。进一步改善钢的疲劳性能和耐腐蚀性能。
本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法包括如下步骤：
a冶炼，将各原料放入电炉中冶炼，调整各合金元素成分，使合金元素的质量分数达到C 0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe。
b浇注，将上述冶炼而成的浇注液注入钢锭模，制得重量为560kg的钢锭；
c轧制，将上述浇注而成的钢锭经过Φ650X1和Φ650X3的轧机轧制成65mmX65mm2的方胚；然后将上述轧制而成的方胚通过Φ400X1和Φ250X5连轧机轧制成尺寸为Φ28mm的圆钢并定尺剪切，制得长度为7m的抽油杆粗胚，其中控轧控冷加热温度为1090℃，终轧温度为900℃，冷却速度为3℃/s直至空冷到室温；
d热处理，首先将上述轧制而成的抽油杆粗胚进行淬火处理，其中淬火温度830℃～850℃，保温1小时；然后将经淬火处理的抽油杆粗胚作回火处理，回火温度370℃～410℃，保温2小时；最后将经回火处理的抽油杆粗胚放在空气中自然冷却。至此权利要求1所述的一种耐腐蚀抽油杆制造完成。
由此可以看出本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法与现有抽油杆的制造方法基本相同，使用的所有设备都是现有设备，省去了生产设备的研发经费，只不过在使用本方法制造上述一种耐腐蚀抽油杆时，需要对工艺参数做适应性修改。
本发明一种耐腐蚀抽油杆的性能测验
下面分别按照如下三个实施例所列的元素配比称取原料并按照本发明一种制造上述耐腐蚀抽油杆的方法制造三种抽油杆。
其中稀土为La和Ce的混合物。
下面从上述制造的三种抽油杆中随机抽样，并对抽样进行力学性能、抗疲劳性能进行实验。
力学性能测验
采用100吨拉伸试验机进行拉伸试验，实验结果如下表：
实验结果表明本发明一种耐腐蚀抽油杆的实施例的力学性能均满足SY/T5029《抽油杆》HL级标准。
抗疲劳性能测验
利用抗拉疲劳试验机进行轴向拉伸试验，试验最大载荷540Mpa，载荷比0.1，正弦波加载，加载频率50Hz，拉伸试验结果如下表：
实验结果表明本发明的实施例的疲劳性能均满足SY/T5029《抽油杆》HL级标准。
耐腐蚀性能测验
耐腐蚀性采用对比实验，对比常规20CrMo钢抽油杆，采用浸泡法考察试样的腐蚀失重。
将本发明各实施例以及对比用20CrMo抽油杆制作成Φ28.6x4.5mm的试样。试样经220号、400号、600号砂纸逐级打磨，清水处理，丙酮除油，干燥后称重并计算工作面尺寸。采用美国Cortest公司生产的34.4Mpa高温高压釜，带有试样旋转装置。介质采用油田模拟采出液，模拟油田常见的带有H2S、Cl-、CO2等腐蚀介质的工作环境。介质的离子浓度为(g/L)：Cl-50，Ca2+18，Mg2+2；气体分压为(MPa)：CO21.20，H2S 0.014。在釜中放好试样，加入腐蚀介质，密封，通入高纯N2除氧12h，升温至预定温度80℃，通入H2S和CO2至预定压力，调节试样旋转装置，使介质相对试样的流速为1m/s，然后实验开始计时。腐蚀时间72小时。实验结束后取出试样，用清水冲去腐蚀介质，用无水乙醇脱水干燥并去除腐蚀产物膜。计算出各个试样的腐蚀速率。实验结果如下表：
实验结果表明本发明的实施例耐腐蚀性能比20CrMo提高了3倍以上。
综合上述三个实验可以看出，本发明一种耐腐蚀抽油杆除了具备了较好的力学性能及抗疲劳性能以外，耐腐蚀性能更加突出。另外相较于常规采用的，通过提高贵金属元素Mo、Ni的含量来增强抽油杆耐腐蚀性能的做法，本发明反其道而行之，降低了贵金属元素的含量从而其生产成本更低。所以无论是从使用寿命的考量，还是从投入成本的考量，本发明一种耐腐蚀抽油杆都值得作为优先选择的对象。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种耐腐蚀抽油杆，包括杆体；以质量百分比计，所述杆体的材料成分为：C0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀抽油杆，其特征在于：所述稀土为La和Ce的混合物。
3.一种制造权利要求1所述的耐腐蚀抽油杆的方法，包括如下步骤：
a冶炼，将各原料放入电炉中冶炼，调整各合金元素成分，使合金元素的质量分数达到C 0.15％～0.25％；Cr 0.5％～1.0％；Mo 0.1％～0.2％；Si 1.0％～1.5％；Mn 1.5％～2.5％；Cu 0.05％～0.2％；Ti 0.05％～0.15％；Nb 0.2％～0.4％；稀土0.1％～0.15％；余量为Fe；
b浇注，将上述冶炼而成的浇注液注入钢锭模，制得钢锭；
c轧制，将上述浇注而成的钢锭经过Φ650X1和Φ650X3的轧机轧制成65mmX65mm2的方胚；然后将上述轧制而成的方胚通过Φ400X1和Φ250X5连轧机轧制成圆钢并定尺剪切，制得抽油杆粗胚，其中控轧控冷加热温度为1090℃，终轧温度为900℃，冷却速度为3℃/s直至空冷到室温；
d热处理，首先将上述轧制而成的抽油杆粗胚进行淬火处理，其中淬火温度830℃～850℃，保温1小时；然后将经淬火处理的抽油杆粗胚作回火处理，回火温度370℃～410℃，保温2小时；最后将经回火处理的抽油杆粗胚放在空气中自然冷却；至此权利要求1所述的一种耐腐蚀抽油杆制造完成。
4.根据权利要求3所述的一种制造权利要求1所述的耐腐蚀抽油杆的方法，其特征在于：所述浇注步骤制得的钢锭重量为560kg。
5.根据权利要求3所述的一种制造权利要求1所述的耐腐蚀抽油杆的方法，其特征在于：所述轧制步骤轧制而成的圆钢尺寸为Φ28mm，剪切而得的抽油杆粗胚长度为7m。
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