CN106435373A - 一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法 - Google Patents

一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低合金高强度抗硫化氢钢，各元素质量百分数含量为：碳0.20％～0.25％，铬0.5％～1.0％，锰<0.3％，铌0.015％～0.03％，钼0.7％～1.0％，钒0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量。所述低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法包括以下步骤：(1)将原料加入真空感应炉进行脱氧和合金化；(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；(3)最后采用淬火加高温回火工艺进行热处理，加工成型得上述各元素质量百分数含量的产品。本发明一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法，提高了石油开采用钢的强度和抗硫化氢性能。

Description

一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法。
背景技术
随着我国对能源需求的增长以及勘探开发力度的加大，对高含硫油气田的勘探开发逐渐提到日程上。由于H2S化学活性极大，可对金属材料产生电化学失重腐蚀和氢脆破坏，造成井下管柱突然断落、地面管汇和仪表爆破、井口装置失灵，甚至发生严重的井喷失控或火灾。因此，开发新型抗H2S石油钻具用钢具有重要意义。
抗H2S石油钻(套)管是一种高技术含量的关键钢材，国内几乎不能生产，全靠进口，价格贵，成本高。20世纪90年代初，我国从日本进口的油井管，价格每年递增20％，2000年以来，油井管的价格日趋高涨，仅2000年第l季度，美国石油管材生产企业2次提价，第2次提价的幅为30～70美元/吨。据估算，在塔里木，钻一口3400m的油井，成本为1.1亿元，其中所需的油井管费用占总成本的20％～30％。因此，自主研发出抗H2S石油钻(套)管用钢代替进口钢，对于降低石油开采成本，促进石油工业的发展具有重要意义。
目前，世界上能够生产钻杆且取得API认证的企业仅4家。能够完整地拥有1套包括冶炼、轧制钻杆生产线的也只有6、7家。美国石油专用管材行业在制造抗H2S管材方面取得了显著进展。1993年，美国Grant Prideco公司制造出第一批抗H2S钻杆，其最低屈服强度为665MPa，配上标准API钻杆接头，可抵抗硫化物应力断裂(SSC)。为了开发更高强度的钢级材料，该公司会同Chevron公司研制成功最低屈服强度为735MPa的XD-105钢级钻杆和钻杆接头，于1998年应用于俄罗斯Tengiz油田。最近的研究工作集中在开发及采用高强度级的钻杆材料和加强钻杆接头冶炼及焊接技术方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法，解决石油开采用合金钢强度不够高且容易被硫化氢腐蚀的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种低合金高强度抗硫化氢钢，各元素质量百分数含量为：碳0.20％～0.25％，铬0.5％～1.0％，锰<0.3％，铌0.015％～0.03％，钼0.7％～1.0％，钒0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量。
优选地，各元素质量百分数含量为：碳0.25％，铬0.5％，锰0.2％，铌0.022％，钼0.74％，钒0.15％，磷0.01％，硫0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量。
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉进行脱氧和合金化；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后采用淬火加高温回火工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.20％～0.25％，铬0.5％～1.0％，锰<0.3％，铌0.015％～0.03％，钼0.7％～1.0％，钒0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的产品。
真空感应炉熔炼能够精确控制所炼钢种的成分及含量，而且还可以有效脱气，所制得的钢中气体和非金属杂质含量远低于其他熔炼方法。经过电渣重熔处理后的钢，纯度高、含硫低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、金相组织和化学成分均匀。淬火配合不同温度的回火可以大幅度提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度和韧性。
其中，步骤(1)中所述真空感应炉的熔炼真空度为2Pa，真空下保持时间为70min，熔炼温度为2000℃，出钢温度为1550℃。
其中，步骤(3)中所述淬火的温度为770℃～800℃。
优选地，所述淬火的温度为785℃～790℃。
其中，所述高温回火的温度为300℃～400℃。不同温度下进行回火处理得到的钢材硬度不同，此处依据石油开采的实际需要确定了高温回火的温度。
优选地，所述高温回火的温度为370℃～380℃。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法，采用真空感应炉脱氧合金化和电渣重熔降低杂质含量的复合冶炼工艺，提高了钢材有益成分的纯度和钢材的抗硫化氢腐蚀性能；
2、本发明一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法，对其化学成分进行了优化设计，进一步提高了低合金高强度抗硫化氢钢的综合性能；
3、本发明一种低合金高强度抗硫化氢钢及其制备方法，采用Mo、Cr、V、Ti对钢材进行微合金化，充分发挥了合金元素的作用。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉，控制熔炼真空度2Pa、熔炼温度2000℃、真空下保持时间70min进行脱氧和合金化，出钢温度为1550℃；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后，采用800℃淬火加300℃高温回火的工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.25％，铬1.0％，锰0.28％，铌0.015％，钼1.0％，钒0.3％，磷0.01％，硫0.005％，钛0.04％，铝0.15％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的低合金高强度抗硫化氢钢。
对产品进行性能测试的结果如下：
A、力学性能测试：冲击韧性Akv≥115J；硬度HRC<37；屈服强度σs≥860MPa；抗拉强度σb≥926MPa；
B、抗H2S腐蚀实验：采用NACEA法试验，即H2S分压为0.1MPa，采用标准A溶液，试样经200h试验后，未发生硫化氢应力腐蚀裂纹。
实施例2
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉，控制熔炼真空度2Pa、熔炼温度2000℃、真空下保持时间70min进行脱氧和合金化，出钢温度为1550℃；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后，采用800℃淬火加400℃高温回火的工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.24％，铬0.5％，锰0.2％，铌0.03％，钼0.7％，钒0.15％，磷0.01％，硫0.005％，钛0.01％，铝0.16％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的低合金高强度抗硫化氢钢。
对产品进行性能测试的结果如下：
A、力学性能测试：冲击韧性Akv≥121J；硬度HRC<37；屈服强度σs≥859MPa；抗拉强度σb≥933.5MPa；
B、抗H2S腐蚀实验：采用NACEA法试验，即H2S分压为0.1MPa，采用标准A溶液，试样经200h试验后，未发生硫化氢应力腐蚀裂纹。
实施例3
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉，控制熔炼真空度2Pa、熔炼温度2000℃、真空下保持时间70min进行脱氧和合金化，出钢温度为1550℃；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后，采用770℃淬火加300℃高温回火的工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.24％，铬0.8％，锰0.1％，铌0.025％，钼0.8％，钒0.3％，磷0.01％，硫0.004％，钛0.05％，铝0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的低合金高强度抗硫化氢钢。
对产品进行性能测试的结果如下：
A、力学性能测试：冲击韧性Akv≥123J；硬度HRC<36；屈服强度σs≥863.6MPa；抗拉强度σb≥928.8MPa；
B、抗H2S腐蚀实验：采用NACEA法试验，即H2S分压为0.1MPa，采用标准A溶液，试样经200h试验后，未发生硫化氢应力腐蚀裂纹。
实施例4
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉，控制熔炼真空度2Pa、熔炼温度2000℃、真空下保持时间70min进行脱氧和合金化，出钢温度为1550℃；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后，采用785℃淬火加380℃高温回火的工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.20％，铬1.0％，锰0.25％，铌0.03％，钼0.7％，钒0.3％，磷0.008％，硫0.005％，钛0.05％，铝0.1％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的低合金高强度抗硫化氢钢。
对产品进行性能测试的结果如下：
A、力学性能测试：冲击韧性Akv≥119J；硬度HRC<35；屈服强度σs≥856.9MPa；抗拉强度σb≥932.4MPa；
B、抗H2S腐蚀实验：采用NACEA法试验，即H2S分压为0.1MPa，采用标准A溶液，试样经200h试验后，未发生硫化氢应力腐蚀裂纹。
实施例5
一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉，控制熔炼真空度2Pa、熔炼温度2000℃、真空下保持时间70min进行脱氧和合金化，出钢温度为1550℃；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后，采用790℃淬火加370℃高温回火的工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.25％，铬0.5％，锰0.2％，铌0.022％，钼0.74％，钒0.15％，磷0.01％，硫0.005％，钛0.03％，铝0.15％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的低合金高强度抗硫化氢钢。
对产品进行性能测试的结果如下：
A、力学性能测试：冲击韧性Akv≥125J；硬度HRC<36；屈服强度σs≥861.9MPa；抗拉强度σb≥930.8MPa；
B、抗H2S腐蚀实验：采用NACEA法试验，即H2S分压为0.1MPa，采用标准A溶液，试样经200h试验后，未发生硫化氢应力腐蚀裂纹。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低合金高强度抗硫化氢钢，其特征在于，各元素质量百分数含量为：碳0.20％～0.25％，铬0.5％～1.0％，锰<0.3％，铌0.015％～0.03％，钼0.7％～1.0％，钒0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量。
2.根据权利要求1所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢，其特征在于，各元素质量百分数含量为：碳0.25％，铬0.5％，锰0.2％，铌0.022％，钼0.74％，钒0.15％，磷0.01％，硫0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量。
3.一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原料加入真空感应炉进行脱氧和合金化；
(2)检测并调节各元素含量，然后进行电渣重熔；
(3)最后采用淬火加高温回火工艺进行热处理，加工成型得各元素质量百分数含量为：碳0.20％～0.25％，铬0.5％～1.0％，锰<0.3％，铌0.015％～0.03％，钼0.7％～1.0％，钒0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，钛0.01％～0.05％，铝0.1％～0.2％，硼<0.005％，硅<0.3％，铈<0.003％，铁余量的产品。
4.根据权利要求3所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述真空感应炉的熔炼真空度为2Pa，真空下保持时间为70min，熔炼温度为2000℃，出钢温度为1550℃。
5.根据权利要求3所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述淬火的温度为770℃～800℃。
6.根据权利要求5所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为785℃～790℃。
7.根据权利要求3所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，所述高温回火的温度为300℃～400℃。
8.根据权利要求7所述的一种低合金高强度抗硫化氢钢的制备方法，其特征在于，所述高温回火的温度为370℃～380℃。
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CN117701982A (zh) * 2023-11-14 2024-03-15 山东钢铁集团永锋临港有限公司 一种锰钒微合金高强钢制备工艺方法
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