CN107099756B - 一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢及其生产方法 - Google Patents
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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
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 (6)
1.一种高强度耐腐蚀抽油杆用钢的生产方法,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,按上述组分的质量百分比计,该钢的生产方法包括以下步骤:
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%,MgO :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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1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℃。
4.根据权利要求1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。
5.根据权利要求1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。
6.根据权利要求1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。
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