CN104894487B - 一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢及其生产工艺，本发明通过调整C、Mn、Cr、Mo含量，加入一定量的Ni、Nb，使得钢的强度、低温冲击性能得到大幅度提高,满足石油阀体的工况对材料塑韧性及强硬度同时提高的要求，明显优于普通30CrMo钢。本发明生产工艺流程为转炉+精炼+真空处理+连铸。转炉工序采用采用双渣或多渣操作控制控制出钢P≤0.010%；在精炼装置中进行精炼，精炼成分调整完成后，采用RH/VD进行脱气和去除夹杂物。本发明通过RH/VD工艺,可显著提高钢的洁净度，从而显著提高钢的強韧性；采用弧形连铸机，使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、使用内装侵入式水口实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯，防止钢水二次氧化、吸气。

Description

一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉及一种高强度、高韧性石油阀体用钢及其生产工艺。

背景技术：

随着世界经济的持续增长，尤其是发展中国家的迅速崛起，对石油的需求量将继续呈现高增长的趋势，而另一方面，目前易采区的油源逐步枯竭，为满足石油需求量的逐年提高，石油的开采呈现开采深度增加、由陆地转向海洋、由浅海向深海、由赤道向两级过渡的趋势，开采设备工况越来越恶劣，对开采设备能力的要求越来越高。石油钻井平台阀体作为开采设备的关键部件，需要满足高压、低温等越来越苛刻的工况，对其所用钢材提出了更高的要求。目前用于开发新型石油阀体用钢所需要的特种钢，有的在国内市场很难找到，甚至是空白，有的因质量存在一定问题而难以使用，仍然需要进口。因此石油机械制造商希望钢铁企业尽快研制开发，跟上石油开采行业的高速发展的需求。

目前，国内外使用的石油阀体用钢为普通中碳铬钼钢（30CrMo钢），其抗拉强度Rm为600～650MPa、屈服强度Rm为430～470MPa、伸长率δ₅为26～30%（由A₂₀₀换算而得）、断面收缩率Z为26～30%，-60℃下冲击功AKV为9～40J，因此普通中碳铬钼钢强度、耐冲击性能均较低，使用寿命较短，不能满足越来越苛刻的钻井平台工矿条件，寿命短，消耗大，不稳定性带来的损失大。

石油阀体的制造工艺为：下料→加热→自由锻→模锻→热处理→机加工→探伤→精加工→性能检验。材料的成分，决定了在一定热处理下的组织，组织决定了材料的性能。由于该类工件特殊的服役工况，对其性能要求较苛刻，因此合理的成分设计，以满足其特殊的工况对性能的要求是本钢种设计的关键。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、强韧性石油阀体用钢，其强度、低温耐冲击韧性优越，钢坯经锻轧后（压缩比≥4），经整体热处理，热处理工艺为正火+淬火（加热至843℃～885℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至649℃～704℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样检测具有如下力学性能：抗拉强度≥665 MPa，屈服强度≥517 MPa，延伸率≥18%，收缩率≥35%，-60℃纵向冲击功≥30J，能够满足越来越严峻的海洋石油开采工况。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢，其化学成分wt%为：C 0.28-0.35%,Si 0.20-0.35%, Mn 0.70-0.80%, Cr 0.95-1.10%，Ni 0.35-0.50%,Mo 0.18-0.25%,Nb0.01-0.04%, S≤0.020%, P≤0.020%，［O］≤0.0020%，［H］≤0.00016%，余为Fe。

所述化学成分进一步优选为（wt%）：C 0.29-0.33%, Si 0.25-0.32%, Mn 0.70-0.78%, Cr 1.00-1.06%，Ni 0.40-0.45%,Mo 0.20-0.25%,Nb 0.02-0.03%, S≤0.005%, P≤0.015%，［O］≤0.0020%，［H］≤0.00016%余为Fe。

下面具体说明本发明一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢化学成分的限定理由。

C：C能与多种元素一起形成不同的碳化物，并显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑韧性恶化。C是提高钢的强度最廉价元素。如果C含量低于0.28%，强度达不到客户使用要求。如果C含量高于0.35%，材料的韧性将明显降低，因此取C含量控制在0.28%-0.35%。

Si：在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，仅次于P，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。Si易使钢呈带状组织，因而使钢材的横向性能低于纵向性能。Si虽然也提高钢的淬透性，但由于Si含量高了，易于产生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，石墨化的出现，降低了钢的塑性和耐冲击性能及淬硬性，因此仅用Si提高共析钢和亚共析钢淬透性的办法没有实际的意义。所以本发明按照石油阀体使用的各项性的要求，适当采用低的Si含量。所以Si取值范围为：0.25-0.35%。

Mn：Mn和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低钢的临界转变温度，所以起到细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体强度的作用；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织稳定性，强烈的增加钢的淬透性；当Mn含量低于0.70%时，材料的力学性能很难达到石油阀体用钢的使用要求，当Mn含量高于0.80%时，加大了工件淬火后的变形趋势，对石油阀体热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，综合考虑Mn含量确定为0.70-0.80%。

Cr： Cr和铁能形成连续固溶体，和多种碳化物，能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，但Cr亦增加钢的回火脆性。Cr含量的增加对钢退火后的强度和硬度提高的比较缓慢。这是因为Cr对于固溶强化铁素体本来就是很弱的元素，当退火时，一部分Cr又形成碳化物，致使固溶于铁素体中的Cr减少，所以退火后对提高钢的强度表现的较弱。加入铬，可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高，考虑到钢的使用性能及成本，所以确定Cr含量为0.95-1.10%。

Ni:与Fe以互溶形式存在于钢中的α相或γ相中，使之强化，并通过细化α相的晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显的改善钢材的冲击性能，并提高钢的耐腐蚀性。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素，是一种重要的战略物资，作为合金化元素，尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落，未脱落的氧化铁皮易导致锻造过程中造成锻件表面凹坑，增加后期机加工的量，增加工作量，材料损失大。所以本发明Ni范围取0.35%-0.50%。这也是本发明的一个创新点。

Mo:能提高钢的淬透性、热强性，并能提高钢的抗腐蚀性与防止点蚀倾向的作用。当Mo含量超过0.25%时，对材料性能改善的效果不明显，所以综合考虑，本发明Mo含量为0.18%-0.25%。

Nb:细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高钢的强度、韧性及对蠕变的抗力等。同时，Nb对降低钢中的气体含量及改善钢的低温冲击韧性有显著作用。当Nb含量高于0.04%时，作用增加不明显。所以，本发明的一创新点为Nb含量定为0.01%-0.04%。

P：增加钢的脆性，尤其是低温脆性，对钢材低温冲击功影响较大，且P为易偏析元素，造成钢严重偏析，对本钢种的使用来说，应该控制越低越好，根据生产保障能力，控制P≤0.015%。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0.0020%以内。

H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功、延伸率及断面收收缩降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.0002%以下。

残余元素S等，上述元素都是作为杂质元素存在，允许不超过标准要求，这里不再一一叙述。

一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢的生产工艺，包括下列步骤：

（1）转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，采用双渣或者多渣实现预脱P，使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P≤0.010%，出钢每吨钢加入合成精炼渣500kg、铝类脱氧剂150kg及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

（2）精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R为5.0-8.0，强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程吹氩搅拌；

（3）真空脱气：在LF精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00016%、［O］≤0.0020%，所有成分进入要求的范围；

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂丝线对夹杂物变性，并进行软吹处理，软吹时间为20分钟；

（5）连铸：采用弧形连铸机，使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、使用内装侵入式水口实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯，防止钢水二次氧化、吸气。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1) 本发明通过调整C、Mn、Cr、Mo含量，加入一定量的Ni、Nb，使得钢的强度、低温冲击性能得到大幅度提高,钢坯经锻轧后（压缩比≥4），经整体热处理，热处理工艺为正火+淬火（加热至843℃～885℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至649℃～704℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样检测具有如下力学性能：抗拉强度≥665 MPa，屈服强度≥517MPa，延伸率≥18%，收缩率≥35%，-60℃纵向冲击功≥30J，能够满足越来越严峻的海洋石油开采工况对材料塑韧性及强硬度同时提高的目的。

2) 转炉吹炼使用采用双渣或者多渣实现预脱P，使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P≤0.010%；

3）连铸过程使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、内装侵入式水口实行全程全保护浇铸。

具体实施方式：

目前国内使用的普通石油阀体用钢30CrMo与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。

表1 化学成分对比 wt%

采用以下生产工艺制备：

（1）转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，采用双渣或者多渣实现预脱P，使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P≤0.010%，出钢每吨钢加入合成精炼渣500kg、铝类脱氧剂150kg及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

（2）精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R为5.0-8.0，强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程吹氩搅拌；

（3）真空脱气：在LF精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00016%、［O］≤0.0020%，所有成分进入要求的范围；

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂丝线对夹杂物变性，并进行软吹处理，软吹时间为20分钟；

（5）连铸：采用弧形连铸机，使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、使用内装侵入式水口实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯，防止钢水二次氧化、吸气。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

按照本发明生产的石油阀体用钢，钢坯经锻轧后（压缩比≥4），经整体热处理，热处理工艺为：正火+淬火（加热至843℃～885℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至649℃～704℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样,其力学性能如表2。

表2

项目	抗拉σb(MPa)	屈服σs(MPa)	延伸率δ5 (％)	断面收缩率ψ(％)	-60℃，冲击功AKV(J)
						30CrMo	600-650	430-470	26-30	71-74	9-40
本发明	710-750	550-650	26-29	72-74	80-170

实施例1

取C 0.31%, Si 0.30%, Mn 0.75%, Cr 1.05%，Ni 0.43%,Mo 0.22%,Nb 0.022%,S≤0.001%, P≤0.013%, ［O］≤0.0012%，［H］≤0.00011%，余为Fe。连铸φ500mm圆坯经轧制成φ200mm钢材后，经整体热处理，热处理工艺为：正火+淬火（加热至865℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至680℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样，力学性能达到表3。

表3

项目	抗拉σb(MPa)	屈服σs(MPa)	延伸率δ5 (％)	断面收缩率ψ(％)	-60℃，冲击功AKV(J)
						本发明	731	572	26	72	103/169/146

实施例2

取C 0.32%, Si 0.28%, Mn 0.74%, Cr 1.06%，Ni 0.42%,Mo 0.23%,Nb 0.028%,S≤0.003%, P≤0.013%，［O］≤0.0007%，［H］≤0.00012%，余为Fe。连铸φ500mm圆坯经轧制成φ190mm钢材后，经整体热处理，热处理工艺为：正火+淬火（加热至860℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至670℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样，力学性能达到表4。

表4

项目	抗拉σb(MPa)	屈服σs(MPa)	延伸率δ5 (％)	断面收缩率ψ(％)	-60℃，冲击功AKV(J)
						本发明	741	588	25	74	143/124/104

实施例3

取C 0.30%, Si 0.26%, Mn 0.77%, Cr 1.03%，Ni 0.44%,Mo 0.23%,Nb 0.030%,S≤0.002%, P≤0.013%, ［O］≤0.0008%，［H］≤0.00009%余为Fe。连铸φ500mm圆坯经轧制成φ210mm钢材后，经整体热处理，热处理工艺为：正火+淬火（加热至870℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至672℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样，力学性能达到表5。

表5

项目	抗拉σb(MPa)	屈服σs(MPa)	延伸率δ5 (％)	断面收缩率ψ(％)	-60℃，冲击功AKV(J)
						本发明	723	580	27	73	169/128/159

实施例4

取C 0.29%, Si 0.29%, Mn 0.76%, Cr 1.04%，Ni 0.42%,Mo 0.21%,Nb 0.032%,S≤0.002%, P≤0.011%，［O］≤0.0013%，［H］≤0.00014%，余为Fe。连铸φ500mm圆坯经轧制成φ220mm钢材后，经整体热处理，热处理工艺为：正火+淬火（加热至850℃保温后水或聚合物淬火）+回火（加热至680℃保温后空冷），在距边缘25mm部位取样，力学性能达到表6。

表6

项目	抗拉σb(MPa)	屈服σs(MPa)	延伸率δ5 (％)	断面收缩率ψ(％)	-60℃，冲击功AKV(J)
						本发明	735	565	28	74	128/152/132

本发明材料可用于制造高强度、高韧性石油阀体，应用于高压低温的海洋石油开采工况，用户试用良好，性能优，稳定性高，阀体寿命提高，降低维护、失效等造成的经济损失，本发明的材料使用性能得到使用商的好评。

Claims (3)

1.一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢，其特征在于：其化学成分wt%为：C0.28-0.35%, Si 0.20-0.35%, Mn 0.70-0.80%, Cr 0.95-1.10%，Ni 0.35-0.50%,Mo0.18-0.25%,Nb 0.01-0.04%, S≤0.020%, P≤0.020%，［O］≤0.0020%，［H］≤0.00016%，余量为Fe；

具体生产步骤如下： 按上述组分wt%，

（1）转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，采用双渣或者多渣实现预脱P，使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P≤0.010%，出钢每吨钢加入合成精炼渣500kg、铝类脱氧剂150kg及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

（2）精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R为5.0-8.0，强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程吹氩搅拌；

（3）真空脱气：在LF精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00016%、［O］≤0.0020%，所有成分进入要求的范围；

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂丝线对夹杂物变性，并进行软吹处理，软吹时间为20分钟；

（5）连铸：采用弧形连铸机，使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、使用内装侵入式水口实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯，防止钢水二次氧化、吸气；

（6）锻轧和热处理：钢坯经锻轧后，压缩比≥4，进行整体热处理：正火+淬火，即加热至843℃～885℃保温后水或聚合物淬火，再回火，即加热至649℃～704℃保温后空冷。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢，其特征在于：其化学成分wt%为：C 0.29-0.33%, Si 0.25-0.32%, Mn 0.70-0.78%, Cr 1.00-1.06%，Ni0.40-0.45%,Mo 0.20-0.25%,Nb 0.02-0.03%, S≤0.005%, P≤0.015%，［O］≤0.0020%，［H］≤0.00016%，余量为Fe。

3.一种高强度、高韧性石油钻井平台阀体用钢的生产工艺，其特征在于包括下列步骤：按权利要求1所述组分wt%，

（1）转炉冶炼：在90吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，采用双渣或者多渣实现预脱P，使用出钢滑板机构控制下渣，防止出钢回P，达到控制出钢P≤0.010%，出钢每吨钢加入合成精炼渣500kg、铝类脱氧剂150kg及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；

（2）精炼：在90吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造高碱度渣R为5.0-8.0，强化脱S、去夹杂，精炼过程采用全程吹氩搅拌；

（3）真空脱气：在LF精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00016%、［O］≤0.0020%，所有成分进入要求的范围；

（4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂丝线对夹杂物变性，并进行软吹处理，软吹时间为20分钟；

（5）连铸：采用弧形连铸机，使用结晶器专用保护渣，长水口氩封、中包充氩、使用内装侵入式水口实行全程全保护浇铸生产连铸圆坯，防止钢水二次氧化、吸气；

（6）锻轧和热处理：钢坯经锻轧后，压缩比≥4，进行整体热处理：正火+淬火，即加热至843℃～885℃保温后水或聚合物淬火，再回火，即加热至649℃～704℃保温后空冷。