CN108411204B - 一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法 - Google Patents

一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法，按下述成分进行冶炼成钢坯，其成分按质量百分比计组成为C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质；将钢坯加热均匀，进行轧制穿孔，得到钢管；对钢管进行热处理，水冷至室温，得到超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管。本发明通过控制钢管材料的化学成分，各成分协同配合，钻杆在钻井液中服役168h无明显腐蚀，大幅度提升了钻杆的服役安全性；高温回火过程中采用水作为冷却液，冷却速度明显高于目前使用的空气冷却速度，大幅度降低钻杆的制造周期。

Description

一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及钻杆领域，尤其涉及一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法。
背景技术
钻杆是石油天然气钻井开发过程中的一种重要工具，钻杆的服役安全对于保证钻井质量和速度具有重要作用。随着深层油气资源的勘探开发和先进钻井技术的推广应用，钻杆的服役载荷越来苛刻，为了满足钻井作业的需求，钻杆制造商相继设计开发了165ksi(1138MPa)超高强度钻杆。专利CN102268614A、CN104651750A、CN103938095B及CN102268609A提出了165ksi钢级钻杆及其制造方法，采用C、Si、Cr、Mn及Mo等合金作为强化元素，添加V等微合金元素，获得超165ksi强度钻杆。专利CN104651741B公布了一种含稀土元素Ce的160钢级高强韧钻杆材料。目前设计的165ksi(1138MPa)超高强度钻杆主要是在普通钻杆材料的基础上调整材料中Mn及Mo等合金元素的含量，或添加V等微合金强化元素，提高钻杆的强度，而并未考虑钻杆的耐腐蚀性能，超高强度钻杆在使用过程中容易发生与腐蚀相关失效事故。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管及其制造方法，通过添加Ni元素并调整合金元素含量，确保钻杆的屈服强度强度大于1138MPa，同时具有较好的耐腐蚀性能。
为了达到上述目的，本发明钢管采用如下技术方案：
按质量百分比计，其成分组成为：C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步地，该钢管的屈服强度大于1138MPa，抗拉强度大于1206MPa，延伸率大于15％，-20℃条件下的冲击吸收能大于100J。
进一步地，该钢管的屈服强度在1198～1260MPa，抗拉强度在1265～1310MPa，延伸率在23～25％，-20℃条件下的冲击吸收能在115～122J。
进一步地，该钢管的金相组织为回火索氏体。
进一步地，按质量百分比计，其成分组成为：C：0.15～0.20％、Si：0.22～0.32％、Mn：0.82～1.10％、Cr：0.72～1.0％、Mo：1.06～1.22％、Ni：2.28～2.50％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步地，按质量百分比计，其成分组成为：C：0.15～0.20％、Si：0.22～0.25％、Mn：0.82～0.95％、Cr：0.86～1.0％、Mo：1.12～1.22％、Ni：2.28～2.50％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明制造方法的技术方案是：包括以下步骤：
(1)按下述成分进行冶炼成钢坯，其成分按质量百分比计组成为C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质；
(2)将钢坯加热均匀，进行轧制穿孔，得到钢管；
(3)对钢管进行热处理，水冷至室温，得到超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管。
进一步地，步骤(2)中钢坯在980℃～1080℃温度范围加热均匀，进行轧制穿孔，终轧温度控制在920℃～1020℃。
进一步地，步骤(3)中热处理的工艺为：淬火温度为880℃～920℃，保温40min～70min，以水作为淬火液，回火温度为560℃～600℃，保温时间为30min～50min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的钢管材料中通过采用0.15～0.22％的C，是决定钢强度的最主要元素，可以提高钢强度，过高则会显著降低韧性；采用0.20～0.35％的Si作为脱氧剂，能与钢液中的氧化物形成硅酸盐，漂浮于渣中，使钢体致密，大量的Si会降低韧性；采用0.8～1.2％的Mn，是奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，提高钢的强度，含量过高时会影响钢的组织均匀性；加入0.6～1.0％的Cr，是碳化物形成元素，可提高钢的强度和耐蚀性，过高时会降低钢的韧性；加入0.9～1.3％的Mo，可以提高钢的强度和回火稳定性，降低钢韧脆转变温度；加入2.0～3.0％的Ni改善钢的强韧性和耐腐蚀性；通过控制有害元素S≤0.005％，避免形成MnS夹杂；通过控制有害元素P≤0.010％，避免使钢产生偏析。
本发明通过控制钢管材料的化学成分，各成分协同配合，所得钢管的屈服强度大于1138MPa，抗拉强度大于1206MPa，延伸率大于15％，-20℃条件下的冲击吸收能大于100J，钻杆在钻井液中服役168h无明显腐蚀，大幅度提升了钻杆的服役安全性。
本发明制造方法简单，高温回火过程中采用水作为冷却液，冷却速度明显高于目前使用的空气冷却速度，大幅度降低钻杆的制造周期；同时与C、Si、Cr、Mn、Cr、Mo和Ni元素含量相配合，保证组织的均匀细小，将残余应力控制在较低的范围，保证钻杆的高强韧性匹配。
具体实施方式
本发明的一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管，其化学成分(质量百分比)为C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％、P≤0.01％，3.8％≤[Cr]+[Mo]+[Ni]≤5.0％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明钢管的制造方法包括以下步骤：
1、按照下述成分进行冶炼成圆钢坯，其化学成分(质量百分比)为C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％、P≤0.01％，3.8％≤[Cr]+[Mo]+[Ni]≤5.0％，其余为铁和不可避免的杂质。
2、将钢坯在980℃～1080℃温度范围加热均匀后，进行轧制穿孔，轧制过程中自然降温，终轧温度控制在920℃～1020℃；
3、对钢管进行整体调制热处理，热处理工艺为：淬火温度为880℃～920℃，保温40min～70min，以水作为淬火液，回火温度为560℃～600℃，保温时间为30min～50min，冷却方式为水冷。
实施例1
按照下述表1中的成分进行冶炼成圆钢坯。钢坯在1000℃加热均匀后进行轧制穿孔，终轧温度控制在950℃；将钢管加热到900℃，保温55min，随后以水作为淬火液将钢管冷却到室温；将冷却后的钢管加热到580℃，保温为40min，以水作为冷却介质快速冷却至室温，获得的钢管力学性能及腐蚀性能如表2所示。
表1是本发明实施例1至实施例3钻杆用钢管的化学成分，表2为本发明实施例1至实施例3的测试结果，性能明显优于表3所示的现有的某2种钢管。实施例2和实施例3的制造方法同实施例1。在实施例1至实施例3中，[Cr]+[Mo]+[Ni]的总含量(质量百分比)分别为4.18％，4.72％和4.26％。
表1钢管的化学成分(Wt，％)
C Si Mn Cr Mo Ni S P
实施例1 0.16 0.32 1.10 0.72 1.06 2.40 0.005 0.009
实施例2 0.15 0.25 0.95 1.00 1.22 2.50 0.003 0.007
实施例3 0.20 0.22 0.82 0.86 1.12 2.28 0.005 0.010
表2钢管的力学性能及腐蚀性能
Figure BDA0001619782040000041
Figure BDA0001619782040000051
表3现有某2种钢管的力学性能及腐蚀性能
Figure BDA0001619782040000052
实施例4
按照下述成分进行冶炼成圆钢坯，其化学成分(质量百分比)为C：0.22％、Si：0.20％、Mn：1.2％、Cr：1.0％、Mo：1.3％、Ni：2.0％、S≤0.004％、P≤0.008％，[Cr]+[Mo]+[Ni]＝4.3％，其余为铁和不可避免的杂质。钢坯在980℃加热均匀后进行轧制穿孔，终轧温度控制在920℃；将钢管加热到880℃，保温40min，随后以水作为淬火液将钢管冷却到室温；将冷却后的钢管加热到560℃，保温为50min，以水作为冷却介质快速冷却。
实施例5
按照下述成分进行冶炼成圆钢坯，其化学成分(质量百分比)为C：0.18％、Si：0.35％、Mn：0.8％、Cr：0.6％、Mo：0.9％、Ni：3.0％、S≤0.003％、P≤0.009％，[Cr]+[Mo]+[Ni]＝4.5％，其余为铁和不可避免的杂质。钢坯在1080℃加热均匀后进行轧制穿孔，终轧温度控制在1020℃；将钢管加热到920℃，保温70min，随后以水作为淬火液将钢管冷却到室温；将冷却后的钢管加热到600℃，保温为30min，以水作为冷却介质快速冷却。
本发明采用上述材料及热处理工艺获得的钢管材料的金相组织为回火索氏体，屈服强度大于1138MPa，抗拉强度大于1206MPa，延伸率大于15％，-20℃条件下的冲击吸收能大于100J，钻杆在钻井液中服役168h无明显腐蚀，大幅度提升了钻杆的服役安全性。

Claims (3)

1.一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按下述成分进行冶炼成钢坯，其成分按质量百分比计组成为C：0.15～0.22％、Si：0.20～0.35％、Mn：0.8～1.2％、Cr：0.6～1.0％、Mo：0.9～1.3％、Ni：2.0～3.0％、S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质；
(2)将钢坯加热均匀，进行轧制穿孔，得到钢管；
(3)对钢管进行热处理，水冷至室温，得到超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管；
步骤(3)中热处理的工艺为：淬火温度为880℃～920℃，保温40min～70min，以水作为淬火液，回火温度为560℃～600℃，保温时间为30min～50min；
钢管的金相组织为回火索氏体。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管的制造方法，其特征在于：步骤(2)中钢坯在980℃～1080℃温度范围加热均匀，进行轧制穿孔，终轧温度控制在920℃～1020℃。
3.采用权利要求1或2所述制造方法得到的超高强度钻杆用含镍耐腐蚀钢管，其特征在于，屈服强度在1198～1260MPa，抗拉强度在1265～1310MPa，延伸率在23～25％，-20℃条件下的冲击吸收能在115～122J。
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