CN104532149A - 一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢及其制造方法，其化学成分按质量百分比计为C：0.20～0.30%，Si：0.15～0.40%，Mn：0.20～0.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Cr：0.70～1.30%，Mo：0.40～0.95%，Ni：≤0.25%，Cu：0.05～0.10%，Alt：0.05～0.10%，V：≤0.1%，Nb：≤0.06%，Ti：≤0.010%， N：≤ 0.009%，B：0.001～0.003%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；可以制造最大规格达350mm的圆钢，特别适于加工成酸性油井中使用的抗硫化氢腐蚀钻杆、钻铤、钻杆接头等大规格强韧性要求高的受力复杂钻具。

Description

一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢及其制造方法

技术领域

本发明属于抗硫化氢腐蚀钻具用钢制备领域，具体涉及一种同时满足高强韧和抗硫化氢腐蚀的大规格油井钻具用圆钢及其制造方法。

背景技术

在酸性油气田开采开发过程中，腐蚀是自始至终存在的严重问题，钻具材料在H₂S解离产生的氢作用下会突然发生脆断（这种现象被称作硫化物应力腐蚀开裂，简称SSCC），从而造成油套管或整口井的报废，不仅给油田造成巨大经济损失，而且往往带来一些灾难性后果，如人员伤亡、停工停产及环境污染等。因此，油气田开采对高抗腐蚀系列油井用钢需求日益迫切。

在井下钻具中，钻铤、钻杆、钻杆接头等是重要的传力、受力部件，在钻采过程中需承受巨大内外压、扭曲、弯曲和振动等交变载荷，如在酸性井中工作，同时还会受到H₂S气体腐蚀，使工作环境更加恶劣，因此在高H₂S含量的酸性井下工作的钻铤、钻杆、钻杆接头等不但要有很高的强韧度，还得兼具优异的抗硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）性能。

目前，国内钢厂及钻具厂商采用的抗硫化氢腐蚀钻具钢，有的只能在低强度级别下使用，难以满足制造高强度级别部件的使用要求，有的采用高合金含量钢种，并配以双真空炼钢等复杂工艺生产，总体制造成本很高。而且目前的抗硫化氢腐蚀钢大多是通过热穿管-热处理-机加工的方式来制造油管、油套管等规格较小、壁厚较薄、整体性能要求不高的非钻具类部件的。受炼钢、热处理设备及工艺所限，这些抗腐蚀钢存在成分设计不佳、钢材纯净度低、夹杂物形态难以控制、淬硬层深度浅、组织均匀性差、热处理后强韧性不能同时达到钻具高使用要求的问题，无法同时满足油井钻具要求的抗腐蚀性与高强韧性必须结合的要求。因此，大多无法广泛用于生产钻铤、大规格钻杆、钻杆接头等关键油井开采受力复杂的钻具部件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种适于酸性油井下使用的钻具用圆钢，能够同时满足大规格、高强韧和抗硫化氢应力腐蚀的井下作业钻具要求。

本发明所要解决的另一技术问题是针对上述现有技术现状提供一种制造上述高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的炼钢方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，该圆钢的化学成分按质量百分比计为C：0.20 ～ 0.30%，Si：0.15 ～ 0.40%，Mn：0.20 ～ 0.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Cr：0.70 ～ 1.30%，Mo：0.40 ～ 0.95%，Ni：≤0.25%，Cu：0.05 ～ 0.10%，Alt：0.05 ～ 0.10%，V：≤0.1%，Nb：≤0.06%，Ti：≤0.010%， N：≤ 0.009%，B：0.001～0.003%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述圆钢的直径为50～350mm，200mm及以下规格的圆钢在距表面二分之一半径以内取样检验，200mm以上规格的圆钢在距表面35mm以内取样检验，圆钢的屈服强度≥758MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，室温下夏比冲击功≥90J，圆钢全截面平均硬度≤30HRC。

进一步地，所述圆钢满足美国NACE TM0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验，在饱和硫化氢溶液中预加载65% 名义屈服应力条件下720小时不断。

本发明高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的化学成分是这样确定的:

C：增加材料淬透性、强度和硬度，但降低塑性和韧性，升高韧脆转变温度，使材料HIC敏感性增强，为了达到高强韧的要求，本发明采用较低的碳含量。本发明控制其含量为0.20～0.30%。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si 含量低于0.10%时，脱氧效果较差，Si 含量较高时降低韧性。本发明Si 含量控制为0.15～0.4%。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C 含量降低而引起的强度损失。但Mn易促进有害元素P、Sn、Sb等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂。在进行大规格圆钢锻造时，控制Mn的含量极其重要，为了达到强度和尺寸的均衡，本发明Mn 含量控制在0.20～0.70%。

Cr、Mo：增加材料淬透性及强韧性，在钢表面形成钝化膜，可以降低钢在H₂S中的均匀腐蚀，并且形成的弥散碳化物是氢的强陷阱，除此以外，Mo还具有降低韧脆转变温度，抑制回火脆性，提高碳、氮化铌沉淀强化效果，抑制块状铁素体，阻碍P偏析等作用，因此，本发明将Cr含量控制在0.70～1.30%，Mo含量控制在0.40～0.95%。

Ni：是提高钢的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响。但Ni 含量太高时将显著增加材料的碳当量不利于钢板的焊接性能。另外，Ni 也是贵重金属，含量过高会增加成本。综合考虑，本发明Ni是以残余元素的形式存在的，其含量控制在≤0.25%，有利于达到最优的性价比。

V：是使V(C，N) 析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度。但若添加量过高，则将降低钢材的韧性，本发明中V是以残余元素的形式存在的，其含量控制在≤0.1%。

Nb：是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为圆钢在调质处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C 含量的限制及加热温度的影响，过高的Nb 无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本，因此，本发明控制其含量≤0.06%。

Ti：是形成析出物对提高钢材强韧性有利的元素。钢中加入元素Ti有利于细化钢的组织，减少基体组织间的电位差异从而提高钢的耐晶间腐蚀性能。但是，加入过多的Ti将有利于粗大的TiN 析出。粗大的TiN与基体间的电位差异较大，会成为腐蚀的源头，反而恶化钢的耐蚀性能，本发明Ti是以残余元素的形式存在的，其含量控制在≤0.01%。

Cu：可提高钢板的淬透性和耐腐蚀性能，降低钢材的氢致裂纹敏感性。但过高的Cu 含量不利于钢材的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢材的表面性能，本发明控制Cu 含量为0.05～0.1%。

Al：主要是起固氮和脱氧作用。Al与N 结合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性，并且恶化钢水浇铸性。本发明控制其含量在0.05～0.10%。

B：是提高钢的淬透性最为显著的元素，本发明控制其含量在0.0010～0.0030%。

S、P：磷的偏析促进HIC形成，硫形成带尖端长条状夹杂，易使H原子聚集形成应力。本发明控制P ≤0.010%、S ≤0.005%，且须通过Ca 处理技术使夹杂物球化和分布均匀，减少长条状夹杂对钢的抗硫化氢腐蚀性能影响。

本发明的另一目的是提供一种上述高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的制造方法，工艺步骤如下: 冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH 脱气或VD脱气生产出钢水，在RH 脱气或VD脱气破空后通过喂硅钙线或钙铁线进行钙处理；钢水采用15～40℃的低过热度全程氩气保护浇注成连铸坯，连铸坯经300～600℃温送或入缓冷坑缓冷48小时以上，出坑；将连铸坯加热至1200～1250℃，保温5～15小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材轧制完成后入缓冷坑缓冷；对缓冷后的棒材直接进行调质处理获得钻具用调质圆钢，或对缓冷后的棒材先进行退火和钻孔，之后对钻孔获得的非实心棒材进行调质；调质后的圆钢或非实心棒材可直接用于加工成钻杆、钻铤、钻杆接头等成品钻具部件。

上述调质工艺包括淬火和回火，淬火加热温度为840～920℃，在炉时间为60～360min，使用淬火环水淬；回火加热温度为540～620℃，在炉时间为300～600min，出炉后空冷或水冷至室温。

优选地，所述淬火和回火工艺是在辊底式连续炉中进行的。

上述退火工艺是将缓冷后的棒材加热至650～720℃，保温时间5～20小时，随后炉冷至300℃出炉空冷。

本发明针对目前酸性油井钻具制造业对抗硫化氢应力腐蚀钻具钢的需求，使用优化的成分设计、高纯净度的钢水、夹杂物球化处理、低过热度全程氩气保护浇注生产的连铸坯作为坯料，通过后续的轧制及在辊底式连续热处理炉中棒材整体调质热处理制造出淬硬层深、热处理组织均匀、偏析小、具有高的强度、良好塑性、韧性并能够在硫化氢环境下使用的钻具制造用圆钢。本发明制造的圆钢最大直径可达350mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，

（1）与现有的大多只用于制造油管、套管等小规格、薄壁、低韧性要求部件抗腐蚀钢相比，可以制造最大规格达350mm的圆钢，特别适于加工成酸性油井中使用的抗硫化氢腐蚀钻杆、钻铤、钻杆接头等大规格强韧性要求高的受力复杂钻具。

（2）本发明制造的圆钢采用辊底式连续炉进行调质处理，整体淬硬层深、热处理组织均匀、机械性能稳定，并且不需矫直，平直度高，残余应力小，在保证圆钢力学性能的前提下使之实现大规格化的重要因素之一。

（3）按照本发明生产的圆钢合金配比合理、纯净度高、偏析小、非金属夹杂物形态好，为钢材的高强韧性与抗腐蚀性能奠定了良好基础，并且热处理后淬硬层深、拉伸性能优良，屈服强度 ≥758MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15%， 且钢的韧性好，室温夏比冲击功≥90J，满足油井钻铤、钻杆、钻杆接头等油井开采关键受力部件的高强韧性要求。

（4）本发明的圆钢在满足油井开采用钻具性能要求的前提下，满足美国NACE TM0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验，在饱和H₂S溶液中预加载65%名义屈服应力（65%SMYS）条件下720小时不断。

（5）本发明制造的圆钢采用KR-BOF-LF-RH-连铸-连轧或EAF-LF-VD-连铸-连轧短流程工艺，棒材经整体调质处理后可直接加工成钻铤、钻杆、钻杆接头等部件，或棒材先经退火-钻孔，再对钻孔后得到的非实心棒材进行调质处理，用以缩短钻孔后的加热时间或提高淬透层深度，使适于实现圆钢的大规格生产。之后加工成钻具部件，节约了工序与成本，保证了下游加工的钻具部件的使用性能。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。。

实施例1

本实施例涉及的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的直径为220mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.26%，Si：0.23 %，Mn：0.50%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：1.00%，Mo：0.72%，Ni：0.06%，Cu：0.06%， Al：0.06%，V：0.042%，Nb：0.0294%，N：0.00568%，B：0.0025%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述钻具用圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度较高的钢水，在RH 精炼破空后喂入硅钙线进行钙处理，使夹杂物球化、分布均匀；钢水采用20℃的低过热度全程氩气保护浇注成连铸圆坯，将连铸圆坯送入缓冷坑缓冷48小时以上，出坑；将连铸圆坯加热至1200℃，保温5小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材轧制完成后入缓冷坑缓冷；将缓冷后的棒材送入辊底式连续炉进行调质，调质包括淬火和回火，淬火加热温度为900℃，在炉153min，使用淬火环水淬，回火加热温度为600℃，在炉369min，出炉后水冷至室温，获得钻具用调质圆钢。经由上述工艺制造的成品圆钢可直接加工成油井作业钻具部件，如钻铤、钻杆及钻杆接头。该圆钢的力学性能见表1。

表1 实施例1中高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的力学性能

实施例2

本实施例涉及的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的直径为180mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.24%，Si：0.24 %，Mn：0.490%，P：0.006%，S：0.003%，Cr：1.00%，Mo：0.74%，Ni：0.06%，Cu：0.06%， Al：0.054%，V：0.035%，Nb：0.0313%，N：0.00859%，B：0.0026%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述钻具用圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理、电炉冶炼、LF精炼、VD脱气以获得纯净度较高的钢水，在VD精炼破空后喂入钙铁线进行钙处理，使夹杂物球化、分布均匀；钢水采用25℃的低过热度全程氩气保护浇注成连铸圆坯，将连铸圆坯送入缓冷坑缓冷48小时以上，出坑；将连铸圆坯加热至1250℃，保温6小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材轧制完成后入缓冷坑缓冷；将缓冷后的棒材进行退火，退火加热温度为650℃，加热时间5小时，炉冷至300℃后空冷；退火后采用深孔钻进行钻孔，将获得的非实心棒材在辊底式连续炉中进行调质，调质包括淬火和回火，淬火加热温度为840℃，在炉200min，使用淬火环水淬，回火加热温度为550℃，在炉300min，出炉后水冷至室温，获得非实心棒材。经由上述工艺制造的非实心棒材可直接加工成油井作业钻具部件，如钻铤、钻杆及钻杆接头，其力学性能见表2。

表2 实施例2中高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的力学性能

实施例3

本实施例涉及的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的直径为350mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.26%，Si：0.25 %，Mn：0.50%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：1.20%，Mo：0.90%，Ni：0.03%，Cu：0.03%， Al：0.058%，V：0.045%，Nb：0.0305%，N：0.00543%，B：0.0026%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述钻具用圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气以获得纯净度较高的钢水，在RH 精炼破空后喂入硅钙线进行钙处理，使夹杂物球化、分布均匀；钢水采用20℃的低过热度全程氩气保护浇注成连铸圆坯，将连铸圆坯送入缓冷坑缓冷64小时以上，出坑；将连铸圆坯加热至1200℃，保温10小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材轧制完成后入缓冷坑缓冷；将缓冷后的棒材送入辊底式连续炉进行调质，调质包括淬火和回火，淬火加热温度为900℃，在炉360min，使用淬火环水淬，回火加热温度为600℃，在炉600min，出炉后水冷至室温，获得钻具用调质圆钢。经由上述工艺制造的成品圆钢可直接加工成油井作业钻具部件，如钻铤、钻杆及钻杆接头。该圆钢的力学性能见表3。

表3 实施例3中高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的力学性能

Claims (7)

1.一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，其特征在于：该圆钢的化学成分按质量百分比计为C：0.20 ～ 0.30%，Si：0.15 ～ 0.40%，Mn：0.20 ～ 0.70%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Cr：0.70 ～ 1.30%，Mo：0.40 ～ 0.95%，Ni：≤0.25%，Cu：0.05 ～ 0.10%，Alt：0.05 ～ 0.10%，V：≤0.1%，Nb：≤0.06%，Ti：≤0.010%， N：≤ 0.009%，B：0.001～0.003%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述圆钢的直径为50～350mm，200mm及以下规格的圆钢在距表面二分之一半径以内取样检验，200mm以上规格的圆钢在距表面35mm以内取样检验，圆钢的屈服强度≥758MPa，抗拉强度≥862MPa，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，室温下夏比冲击功≥90J，圆钢全截面平均硬度≤30HRC。

2.根据权利要求1所述的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，其特征在于：所述圆钢满足美国NACE TM0177标准抗硫化氢应力腐蚀试验，在饱和硫化氢溶液中预加载65% 名义屈服应力条件下720小时不断。

3.一种制造如权利要求1或2所述高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，其特征在于：工艺步骤如下：

冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH 脱气或VD脱气生产出钢水，在RH 脱气或VD脱气破空后通过喂硅钙线或钙铁线进行钙处理；钢水采用15～40℃的低过热度全程氩气保护浇注成连铸坯，连铸坯经300～600℃温送或入缓冷坑缓冷48小时以上，出坑；将连铸坯加热至1200～1250℃，保温5～15小时，出炉；经高压水除鳞后在1100～1150℃的温度范围内开轧，轧成圆钢棒材；棒材轧制完成后入缓冷坑缓冷；对缓冷后的棒材直接进行调质处理获得钻具用调质圆钢，或对缓冷后的棒材先进行退火和钻孔，之后对钻孔获得的非实心棒材进行调质；调质后的圆钢或非实心棒材可直接用于加工成成品钻具部件。

4.根据权利要求3所述的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的制造方法，其特征在于：所述调质工艺包括淬火和回火，淬火加热温度为840～920℃，在炉时间为60～360min，使用淬火环水淬；回火加热温度为540～620℃，在炉时间为300～600min，出炉后空冷或水冷至室温。

5.根据权利要求4所述的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的制造方法，其特征在于：所述淬火和回火工艺是在辊底式连续炉中进行的。

6.根据权利要求3所述的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的制造方法，其特征在于：所述退火工艺是将缓冷后的棒材加热至650～720℃，保温时间5～20小时，炉冷至300℃后空冷。

7.根据权利要求3所述的高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的制造方法，其特征在于：所述成品钻具部件包括钻杆、钻铤、钻杆接头。