CN107099756A - 一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢及其生产方法，其中，以质量百分比计，该钢的化学成分如下：Si：0.15％～0.25％，Mn：1.8％～2.5％，Ni：2.0％～2.4％，Cr：11.00％～11.50％，Mo：0.40％～0.60％，Cu：0.20％～0.35％，Al:0.010％～0.025％,Ti：0.10％～5(C％‑0.02)％，C≤0.055％，P≤0.025％，S≤0.010％，[N]：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的有益之处在于：通过对化学成分的优化设计，我们开发出了具有高强度、耐腐蚀性能的抽油杆用钢，填补了该领域的国内空白，满足了油田腐蚀环境采油对耐腐蚀抽油杆的需求，对油田的安全稳定生产、提高生产效率、降低开采成本会产生显著效果，对石油开采产业的长远发展具有重要意义。

Description

一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业中的一种合金结构钢，具体涉及一种高强度、耐腐蚀抽油杆用钢及其生产方法，属于油田用钢技术领域。

背景技术

随着石油开采工矿环境的日益复杂，大量油田的H²S、Cl^-含量逐年升高，开采工具长期工作在腐蚀性环境中，由于受到油质腐蚀，导致抽油杆断裂事故频发，给油田造成了较大经济损失，大大增加了石油生产成本。

普通抽油杆主要采用20—42CrMo系列钢种制作而成，已不能满足在这种腐蚀性工矿油田的开采任务。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不仅力学性能和疲劳性能优良，而且还具有优良的耐腐蚀性能的抽油杆用钢，以及该钢的生产方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢，其特征在于，以质量百分比计，前述钢的化学成分如下：

Si：0.15％～0.25％，Mn：1.8％～2.5％，Ni：2.0％～2.4％，Cr：11.00％～11.50％，Mo：0.40％～0.60％，Cu：0.20％～0.35％，Al:0.010％～0.025％,Ti：0.10％～5(C％-0.02)％，C≤0.055％，P≤0.025％，S≤0.010％，[N]：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。

一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢的生产方法，其特征在于，按前述组分的质量百分比计，包括以下步骤：

一、冶炼：采用EAF冶炼+VOD+LF精炼，精炼渣目标成分以质量百分比计，具体如下：CaO：45％～50％，SiO₂：25％～35％，Al₂O₃：10％～15％，Mg0：3％～6％，碱度R：2.0～2.5；

二、钢锭浇铸：采用下注法浇铸，钢液相线1495℃，过热度控制在50±5℃，浇铸钢锭；

三、钢锭退火：按780±10℃进行钢锭退火；

四、钢坯锻制：钢锭先升温至700℃并保温2h，然后升温至1000℃并保温2h，再升温至1160℃～1190℃并保温4h，然后出炉锻造，钢锭开锻温度≥1100℃，终锻温度控制在900℃以上，制成钢坯；

五、棒材轧制：使用步进式加热炉加热，入炉温度不超过650℃，预热段温度控制在850℃～980℃，加热1段温度控制在960℃～1100℃，加热2段温度控制在1120℃～1180℃，均热段温度控制在1170±10℃，加热时间4h～6h，然后出炉轧制，产材总压缩比控制在6.0以上；

六、钢材退火：产材定尺切割后打捆入保温坑缓冷并及时退火。

前述的生产方法，其特征在于，在步骤二中，浇铸的同时采取Ar气保护浇铸措施。

前述的生产方法，其特征在于，在步骤四中，钢锭先以不大于100℃/h的速度升温至700℃，然后以不大于150℃/h的速度升温至1000℃，再以不大于100℃/h的速度升温至1160℃～1190℃。

前述的生产方法，其特征在于，在步骤四中，采用10吨电液锤锻制规格为220mm×220mm的方形钢坯。

前述的生产方法，其特征在于，在步骤五中，前述步进式加热炉以不大于100℃/h的速度升温。

前述的生产方法，其特征在于，在步骤六中，退火使用连续式退火炉，退火温度控制在780℃±10℃，辊速控制在3.0m/h～3.5m/h。

本发明的有益之处在于：通过对化学成分的优化设计(例如：将C含量控制在0.06％以下以保证钢材良好的耐蚀性、将Cr含量控制在11％～12％以提高钢材在氧化性介质中的优良耐蚀性、将Ni含量控制在2.0％～2.4％以改善钢材的力学性能以及在还原性介质中的耐蚀性和耐气蚀性能、将Mo含量控制在0.40％～0.60％以改善钢材的强度和硬度以及耐蚀性、将Cu含量控制在0.20％～0.35％以提高钢材的强度以及改善钢材在还原性介质中的耐蚀性)，我们开发出了具有高强度、耐腐蚀性能的抽油杆用钢，填补了该领域的国内空白，满足了油田腐蚀环境采油对耐腐蚀抽油杆的需求，对油田的安全稳定生产、提高生产效率、降低开采成本会产生显著效果，对石油开采产业的长远发展具有重要意义。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、设计钢材的化学成分

表1化学成分 单位：wt％

本发明的不锈钢属于微合金化的低碳马氏体铬镍不锈钢，其成分设计要点说明如下：

(1)C含量控制在0.06％以下，以保证本发明的不锈钢具有良好的耐蚀性；

(2)Cr含量控制在11％～12％，以提高本发明的不锈钢在氧化性介质中的优良耐蚀性；

(3)Ni含量控制在2.0％～2.4％，以改善本发明的不锈钢在还原性介质中的耐蚀性和耐气蚀性能，另外，还可以进一步提高钢材淬透性、保证钢中较低的δ-铁素体含量，改善本发明的不锈钢的力学性能，尤其是改善韧性；

(4)Mo含量控制在0.40％～0.60％，除了能改善钢材的耐蚀性外，主要是用以提高钢材的强度和硬度，增加钢材回火稳定性，保证在较低C含量下，钢材仍具有高的强度；

(5)Cu的含量控制在0.20％～0.35％，以改善钢材在还原性介质中的耐蚀性，另外，适量的Cu可以进一步提高钢材的强度；

(6)Mn：保证本发明的钢材具有极低的δ-铁素体含量，部分代替Ni达到节Ni的目的；

(7)Ti用以改善钢材的耐晶间腐蚀性能，Ti含量按5(C％-0.02)％～0.25％进行控制；

(8)S易在氯化物溶液中形成点腐蚀，降低钢材的耐蚀性，所以应控制在极低水平(≤0.010％)；

(9)Al含量控制在较低水平，可保证马氏体铬镍不锈钢极低的δ-铁素体含量及淬火后的完全马氏体组织。

二、生产方法

本发明的高强度耐腐蚀抽油杆用钢的生产方法，按上述组分的质量百分比计，包括以下步骤：

1、冶炼

电炉冶炼采用EAF冶炼+VOD+LF精炼。

(1)配料

原料由低磷碳结返回切头、低磷高碳铬铁、镍板、钼铁、钛铁和铜板组成，为控制钢水气体含量，渣料及合金必须进行烘烤以去除水分，钢铁料不能有锈蚀。

(2)电炉冶炼

电炉的炉壳必须是前期，电炉熔清取样全分析(包括残余元素)要求P≤0.015％，并且残余五害元素满足要求。钢液温度≥1600℃，吹氧脱碳并调整成分。用SiCaAl粉还原渣中Cr，还原时间≥10min。

(3)VOD

合VOD罐后，定氧枪高度1000mm(可适当提高至1100mm)；抽真空，当真空度达100×133.3Pa(可适当提高至150×133.3Pa)时开始吹氧，氧气压力0.60MPa～0.65MPa，氩气压力0.2MPa～0.4MPa。真空度显著下降，停氧时先抬枪后停氧，停氧后进入极真空,极真空期间罐内真空度≤133Pa，极真空时间10min(可适当延长至20min)。

(4)LF精炼

破真空开罐后，加入铁合金、渣料及脱氧剂，加入的量具体如下：

CaO：20kg/t～25kg/t；CaF₂：2kg/t～4kg/t；Fe-Si粉、Al粉：总量0.5kg/t～2.0kg/t；Fe-Si块：4kg/t～8kg/t；铝锭+铝线：2kg/t～3kg/t。

精炼渣目标成分以质量百分比计，具体如下：

CaO：45％～50％，SiO₂：25％～35％，Al₂O₃：10％～15％，Mg0：3％～6％，碱度R：2.0～2.5。

取样满足内控成分要求后开始吹氮气，吹氮结束后弱氩搅拌，搅拌时间≥20min。要求[O]≤30ppm，[N]150ppm～250ppm。

2、钢锭浇铸

采用下注法浇铸，钢液相线1495℃，过热度控制50±5℃，浇铸温度控制在1545℃±5℃，浇铸锭型2650kg钢锭。

浇铸的同时，采取Ar气保护浇铸措施，

3、钢锭退火

按780±10℃进行钢锭退火。

4、钢坯锻制

钢锭先以不大于100℃/h的速度(本实施例选用的升温速度为100℃/h)升温至700℃并保温2h，然后以不大于150℃/h的速度(本实施例选用的升温速度为150℃/h)升温至1000℃并保温2h，再以不大于100℃/h的速度(本实施例选用的升温速度为100℃/h)升温至1160℃～1190℃并保温4h，然后出炉锻造，采用10吨电液锤作为开坯设备，钢锭开锻温度≥1100℃，终锻温度控制在900℃以上，制成规格为220mm×220mm的方形钢坯，钢坯尺寸偏差：-10mm～+5mm，长度控制在5300mm～5900mm。

5、棒材轧制

采用步进式加热炉加热，以不大于100℃/h的速度(本实施例选用的升温速度为100℃/h)升温，入炉温度不超过650℃，预热段温度控制在850℃～980℃，加热1段温度控制在960℃～1100℃，加热2段温度控制在1120℃～1180℃，均热段温度控制在1170±10℃，加热时间4h(可适当延长至6h)，然后出炉轧制，得到规格分别为Φ22mm、Φ25mm的两种棒材。产材总压缩比控制在6.0以上。

6、钢材退火

产材定尺切割后打捆入保温坑缓冷并及时退火，退火使用连续式退火炉，退火温度控制在780℃±10℃，辊速控制在3.0m/h～3.5m/h。

钢材退火工艺具体如下：

表2钢材退火工艺

三、棒材检测

1、化学成分检测

经检测，我们轧制生产得到的小规格钢材的化学成分如下：

表3实测钢材的化学成分 单位：wt％

2、低倍组织检验

在酸浸低倍组织试片上，我们没有看到肉眼可见的缩孔、夹杂、裂纹、气泡和白点等缺陷，低倍组织按GB/T1979-2001评级图评定，级别如下：

表4低倍组织 单位/级

规格	中心疏松	一般疏松	方框偏析
				Φ22mm	1.0	1.0	1.0
Φ25mm	1.0	1.0	1.0

3、非金属夹杂物检测

按标准GB/T 10561进行非金属夹杂物检测，检测结果如下：

表5非金属夹杂物 单位/级

4、晶粒度检测

实际晶粒度均为7级。

5、力学性能

热处理工艺：淬火：960℃/空冷—回火：560℃/油冷。

力学性能检测数据如下：

表6力学性能

调质后硬度：291HBW～298HBW。

屈强比：0.85～0.87。

6、超声波探伤

钢材采用GB/T4162-2008标准探伤，钢材质量达到A级。

7、抗疲劳性能

抗疲劳性能检测结果如下：

表7抗疲劳性能

σ0.1	循环周次
		406MPa	≥1×106次，1000000次未断

8、抗腐蚀性能

抗腐蚀性能检测结果如下：

表8抗腐蚀性能

由此可见，本发明通过对钢材化学成分的优化设计，最终开发出了具有高强度、耐腐蚀性能的抽油杆用钢，该钢材完全能够满足油田腐蚀环境采油对耐腐蚀抽油杆的需求，对油田的安全稳定生产、提高生产效率、降低开采成本会产生显著效果，对石油开采产业的长远发展具有重要意义。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢，其特征在于，以质量百分比计，所述钢的化学成分如下：

Si：0.15％～0.25％，Mn：1.8％～2.5％，Ni：2.0％～2.4％，Cr：11.00％～11.50％，Mo：0.40％～0.60％，Cu：0.20％～0.35％，Al:0.010％～0.025％,Ti：0.10％～5(C％-0.02)％，C≤0.055％，P≤0.025％，S≤0.010％，[N]：0.015％～0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢的生产方法，其特征在于，按权利要求1所述组分的质量百分比计，包括以下步骤：

一、冶炼：采用EAF冶炼+VOD+LF精炼，精炼渣目标成分以质量百分比计，具体如下：CaO：45％～50％，SiO₂：25％～35％，Al₂O₃：10％～15％，Mg0：3％～6％，碱度R：2.0～2.5；

二、钢锭浇铸：采用下注法浇铸，钢液相线1495℃，过热度控制在50±5℃，浇铸钢锭；

三、钢锭退火：按780±10℃进行钢锭退火；

四、钢坯锻制：钢锭先升温至700℃并保温2h，然后升温至1000℃并保温2h，再升温至1160℃～1190℃并保温4h，然后出炉锻造，钢锭开锻温度≥1100℃，终锻温度控制在900℃以上，制成钢坯；

五、棒材轧制：使用步进式加热炉加热，入炉温度不超过650℃，预热段温度控制在850℃～980℃，加热1段温度控制在960℃～1100℃，加热2段温度控制在1120℃～1180℃，均热段温度控制在1170±10℃，加热时间4h～6h，然后出炉轧制，产材总压缩比控制在6.0以上；

六、钢材退火：产材定尺切割后打捆入保温坑缓冷并及时退火。

3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，在步骤二中，浇铸的同时采取Ar气保护浇铸措施。

4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，在步骤四中，钢锭先以不大于100℃/h的速度升温至700℃，然后以不大于150℃/h的速度升温至1000℃，再以不大于100℃/h的速度升温至1160℃～1190℃。

5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，在步骤四中，采用10吨电液锤锻制规格为220mm×220mm的方形钢坯。

6.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，在步骤五中，所述步进式加热炉以不大于100℃/h的速度升温。

7.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，在步骤六中，退火使用连续式退火炉，退火温度控制在780℃±10℃，辊速控制在3.0m/h～3.5m/h。