CN108517472B - 页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢及其生产工艺，其化学成分及质量百分比为：C：0.39‑0.43%，Si：0.20‑0.35%，Mn：0.85‑1.00%，Cr：0.95‑1.10%，Ni：0.50‑0.60%，Mo：0.18‑0.25%，S≤0.010%，P≤0.015%，[O]≤0.0015%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。整提高C、Mn、Cr含量，降低贵重合金Mo、Ni的含量，在不降低钢的热处理强度、低温冲击性能的前提下,成本大幅降低，生产周期得到缩短。

Description

页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢及其生产工艺

技术领域

本发明涉及钢生产领域，具体涉及一种页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢及其生产工艺。

背景技术

随着世界各国对于化石能源需求的不断攀升，能源压力逐渐增大。非常规能源逐渐引起了人们开发的热潮，尤其页岩气的快速崛起，更是各国解决能源短缺和改变能源结构的途径。页岩气具有普遍存在、规模巨大、廉价开发、绿色环保等多种优点，将逐渐成为绿色能源的主要选择，成为缓解原油产量不足的重要途径。

2008年以来，美国页岩气勘探开发技术实现了阶段性的突破，页岩气产量快速上升，美国页岩气占天然气产量的比重迅速增加到50%以上。而我国近年来经济快速发展，能源消费需求不断攀升，能源供应安全已经成为国家安全的重要组成部分，寻求能源供应多元化与降低能源对外依存度就成为我国能源工业面临的核心问题之一。同时，我国以煤为主的能源结构也使得我国在应对气候变化、减少污染气体排放方面面临极大的国际压力，亟需大力开发页岩气、常规天然气，以及可再生能源等低碳、清洁能源。

页岩气的大规模开发，带动了与页岩气相关的设备制造研发。页岩气开采目前的成熟技术为美国采用的水平井+水力压裂技术，其中水力压裂技术是开采的关键技术，压裂车是压裂技术的主要设备，决定页岩气开采的成本、推广价值，而压裂泵阀又是压裂车的主体装备，因此对压裂泵阀的加工材料性能提出较高的要求，必须具有压力高、耐腐蚀、抗磨损性强等特点。压裂车泵阀内外使用的压裂车压力泵阀用钢为模铸+自由锻生产的高镍AISI4340钢，经870-925℃正火，840-900℃淬火，580-680℃两次回火后得到稳定组织，其抗拉强度为900～1000MPa、屈服强度为780～850MPa、伸长率为17～22%、断面收缩率为45～55%，-40℃下冲击功KV₂为40～50J，钢中镍、钼贵重合金含量高，成本高，热处理工艺复杂，生产周期长。因此页岩气开采机械制造商希望钢铁企业尽快研制开发新钢种，降低压裂车泵阀的制造成本，以此来降低页岩气开采的成本。

发明内容

本发明克服现有缺陷提供一种页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢及其生产工艺，降低成本，提高生产效率。

本发明通过以下技术方案实现：

页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢，其化学成分及质量百分比为：C：0.39-0.43%，Si：0.20-0.35%，Mn：0.85-1.00%，Cr：0.95-1.10%，Ni：0.50-0.60%，Mo：0.18-0.25%，S≤0.010%，P≤0.015%，[O]≤0.0015%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

下面具体说明本发明页岩气开采压裂车的压力泵阀专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0.39%，强度达不到使用要求。如果C含量高于0.43%，材料的韧性将明显降低，因此取C含量控制在0.39-0.43%。

Si：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：0.20-0.35%。

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0.85%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1.00%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0.85-1.00%。

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，考虑到尽量少用钼的原因，所以适量增加铬的含量，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0.50%-0.60%。

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%。

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。本发明的生产工艺可以将O含量控制在0.0015%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，本发明的工艺将H控制在0.00015%以下。

本发明进一步的改进方案是，其化学成分及质量百分比为：C：0.40-0.42%,Si：0.22-0.32%,Mn：0.92-0.97%,Cr：1.00-1.05%，Ni：0.53-0.56%,Mo：0.20-0.23%,S≤0.005%,P≤0.015%，[O]≤0.0012%，

[H]≤0.00015%，余量为Fe。

页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺依次包括以下步骤：

1）KR铁水预处理：将铁水包置于KR脱硫装置的工位，下降搅拌头进行搅拌，搅拌过程中加入脱硫剂，使铁水与脱硫剂充分接触反应，进行脱硫，脱硫产物上浮聚集，搅拌12-14分钟后倾斜铁水包，使用扒渣机扒渣；扒渣率可达98%。

2）转炉冶炼：在100吨顶底复吹式碱性转炉中对铁水进行吹炼，顶部吹氧气、底部吹氮气或氩气，采用双渣法或多渣法实现脱磷，达到控制出钢P≤0.010%，出钢时每吨钢中加入合成精炼渣600kg、铝类脱氧剂200kg，按上述的质量百分比加入碳粉、硅铁、金属锰、铬铁、镍板、钼铁进行预脱氧及成分初调。

3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧，精炼时全程双透气砖吹氩搅拌，强化脱硫、去夹杂，精炼过程持续35分钟。

4）真空脱气：精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气进一步去除夹杂物，在真空下保持25分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0012%，所有成分进入要求的范围。

5）软吹：进行软吹处理，软吹时间为20分钟；软吹过程中不能进行成分调整，避免污染钢水。

6）连铸：采用大半径弧形连铸机全程保护浇铸生产钢坯。

7）连轧和热处理：钢坯经连轧后，压缩比≥4，而后进行整体热处理：首先进行正火，即加热至870℃～925℃保温后空冷，然后进行淬火，即加热至840℃～900℃保温后水或油或聚合物淬火，最后再回火，即加热至480℃～650℃保温后空冷。

本发明进一步的改进方案是，步骤1）中的脱硫剂为石灰和萤石，石灰和萤石的质量比为9:1，脱硫后铁水可满足S≤0.001%。

本发明进一步的改进方案是，步骤2）中使用出钢下渣红外检测和出钢滑板机构控制下渣防止出钢回磷。

本发明进一步的改进方案是，步骤3）中炉渣的碱度R为4.0-7.0。

本发明进一步的改进方案是，步骤6）连铸过程中采用结晶器电磁搅拌器、二冷段电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器进行三段式电磁搅拌，实现成分偏析小（横截面碳极差≤0.03%）、纯净度高、致密性高（按照YB/T4149，中心疏松≤1.0级）的连铸钢坯生产。

本发明进一步的改进方案是，步骤6）使用的弧形连铸机半径为16m。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

1) 本发明通过调整提高C、Mn、Cr含量，降低贵重合金Mo、Ni的含量，在不降低钢的热处理强度、低温冲击性能的前提下,成本大幅降低，生产周期得到缩短，性能基本等同于AISI4340钢。

2）本发明采用连铸大圆坯加连轧工艺生产，代替目前主要采用的模铸钢锭加自由锻造工艺，提高了成材率，提高了生产效率，生产周期得到缩短，降低了生产成本。

3）本发明基于其组分特点只需采用“正火+淬火+一次回火”的热处理工艺即可达到使用要求，代替了目前主要使用的AISI4340钢的“正火+淬火+两次回火”的热处理工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

具体实施方式

目前国内使用的页岩气开采压裂车压力泵的压力阀用钢AISI4340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%

页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，依次包括以下步骤：（1）KR铁水预处理：将铁水包置于KR脱硫装置的工位，下降搅拌头进行搅拌，搅拌过程中加入脱硫剂，搅拌12-14分钟后倾斜铁水包，使用扒渣机扒渣；（2）转炉冶炼：在100吨顶底复吹式碱性转炉中对铁水进行吹炼，顶部吹氧气、底部吹氮气或氩气，采用双渣法或多渣法实现脱磷，出钢时每吨钢中加入合成精炼渣600kg、铝类脱氧剂200kg，按上述质量百分比加入碳粉、硅铁、金属锰、铬铁、镍板、钼铁进行预脱氧及成分初调；（3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧，精炼时全程双透气砖吹氩搅拌，强化脱硫、去夹杂，精炼过程持续35分钟；（4）真空脱气：精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气进一步去除夹杂物，在真空下保持25分钟以上；（5）软吹：进行软吹处理，软吹时间为20分钟；（6）连铸：采用大（7）半径弧形连铸机全程保护浇铸生产钢坯；连轧和热处理：钢坯经连轧后，压缩比≥4，而后进行整体热处理：首先进行正火，即加热至870℃～925℃保温后空冷，然后进行淬火，即加热至840℃～900℃保温后水或油或聚合物淬火，最后再回火，即加热至480℃～650℃保温后空冷。

步骤1中的脱硫剂为石灰和萤石，石灰和萤石的质量比为9:1。步骤2中使用出钢下渣红外检测和出钢滑板机构控制下渣防止出钢回磷。步骤3中炉渣的碱度R为4.0-7.0。步骤6连铸过程中采用结晶器电磁搅拌器、二冷段电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器进行三段式电磁搅拌，使用的弧形连铸机半径为16m。

以上生产工艺中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

按照本工艺生产的石油阀体用钢，在1/2r部位取样检测具有如下力学性能,其力学性能如表2。

表2

项目	抗拉(MPa)	屈服(MPa)	延伸率(％)	断面收缩率(％)	-40℃，冲击功KV2(J)
						AISI4340	900～1000	780～850	17～22	45～55	40～50
本发明	920～1010	790～855	18～23	46～54	42～50

实施例1

取C：0.42%, Si：0.28%, Mn：0.95%, Cr：1.05%，Ni：0.56%,Mo： 0.22%, S≤0.001%, P≤0.012%,［O］≤0.0012%，［H］≤0.00011%，余为Fe。经步骤1-5后连铸φ500mm圆坯经轧制成φ200mm钢材后，经整体热处理，热处理工艺为：热处理工艺为正火（温度900℃）+淬火（淬火温度870℃，水、油或聚合物淬火）+回火（温度530℃），在1/2r部位取样检测，力学性能达到表3。

表3

项目	抗拉(MPa)	屈服(MPa)	延伸率(％)	断面收缩率(％)	-40℃，冲击功KV2(J)
						本发明	1002	835	19	47	47/48/50

实施例2

取C ：0.41%, Si：0.29%, Mn：0.89%, Cr：0.99%，Ni：0.0.53%,Mo ：0.19% , S≤0.003%, P≤0.013%，［O］≤0.0007%，［H］≤0.00012%，余为Fe。经步骤1-5后连铸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（温度910℃）+淬火（淬火温度880℃，水、油或聚合物淬火）+回火（温度550℃），在1/2r部位取样检测，力学性能达到表4。

表4

项目	抗拉(MPa)	屈服(MPa)	延伸率(％)	断面收缩率(％)	-40℃，冲击功KV2(J)
						本发明	965	820	22	51	45/48/47

实施例3

取C：0.39%, Si：0.20%, Mn：0.85%, Cr：0.95%，Ni：0.50%,Mo： 0.18%, S≤0.010%, P≤0.015%, ［O］≤0.0015%，［H］≤0.00015%余为Fe。经步骤1-5后连铸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（温度925℃）+淬火（淬火温度900℃，水、油或聚合物淬火）+回火（温度650℃），在1/2r部位取样检测，力学性能达到表5。

表5

项目	抗拉(MPa)	屈服(MPa)	延伸率(％)	断面收缩率(％)	-40℃，冲击功KV2(J)
						本发明	977	807	20	49	46/50/49

实施例4

取C：0.43%, Si：0.35%, Mn：1.00%, Cr：1.1%，Ni：0.60%,Mo：0.25%, S≤0.002%,P≤0.011%，［O］≤0.0013%，［H］≤0.00014%，余为Fe。经步骤1-5后连铸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（温度870℃）+淬火（淬火温度840℃，水、油或聚合物淬火）+回火（温度480℃），在1/2r部位取样检测，力学性能达到表6。

表6

项目	抗拉(MPa)	屈服(MPa)	延伸率(％)	断面收缩率(％)	-40℃，冲击功KV2(J)
						本发明	939	812	22	53	43/47/48

本发明材料可用于制造耐高压、高强度、高韧性页岩气开采压裂车压力泵的压力阀，应用于高压环境多变的页岩气开采，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 (7)

1.页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢，其特征在于：其化学成分及质量百分比为：

C：0.39-0.43%，Si：0.20-0.35%，Mn ：0.85-1.00%，Cr：0.95-1.10%，Ni：0.50-0.60%，Mo：0.18-0.25%，S≤0.010%，P≤0.015%，[O]≤0.0015%，[H]≤0.00015%，余量为Fe;

依次包括以下步骤：

1）KR铁水预处理：将铁水包置于KR脱硫装置的工位，下降搅拌头进行搅拌，搅拌过程中

加入脱硫剂，搅拌12-14分钟后倾斜铁水包，使用扒渣机扒渣；

2）转炉冶炼：在100吨顶底复吹式碱性转炉中对铁水进行吹炼，顶部吹氧气、底部吹氮

气或氩气，采用双渣法或多渣法实现脱磷，出钢时每吨钢中加入合成精炼渣600kg、铝类脱

氧剂200kg，按权利要求1或2的质量百分比加入碳粉、硅铁、金属锰、铬铁、镍板、钼铁进行预

脱氧及成分初调；

3）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧，精炼时全程双透气砖吹氩搅拌，强化

脱硫、去夹杂，精炼过程持续35分钟；

4）真空脱气：精炼后采用RH/VD脱气设备进行真空脱气进一步去除夹杂物，在真空下保

持25分钟以上；

5）软吹：进行软吹处理，软吹时间为20分钟；

6）连铸：采用大半径弧形连铸机全程保护浇铸生产钢坯；

7）连轧和热处理：钢坯经连轧后，压缩比≥4，而后进行整体热处理：首先进行正火，即

加热至870℃～925℃保温后空冷，然后进行淬火，即加热至840℃～900℃保温后水或油或聚合物淬火，最后再回火，即加热至480℃～650℃保温后空冷。

2.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢，其特征在于：其化学成

分及质量百分比为：C：0.40-0.42%,Si：0.22-0.32%,Mn：0.92-0.97%,Cr：1.00-1.05%，Ni：0.53-0.56%,Mo：0.20-0.23% ,S≤0.005%,P≤0.015%，[O]≤0.0012%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，其特征是：

步骤1）中的脱硫剂为石灰和萤石，石灰和萤石的质量比为9:1。

4.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，其特征是：

步骤2）中使用出钢下渣红外检测和出钢滑板机构控制下渣防止出钢回磷。

5.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，其特征是：

步骤3）中炉渣的碱度R为4.0-7.0。

6.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，其特征是：

步骤6）连铸过程中采用结晶器电磁搅拌器、二冷段电磁搅拌器、凝固末端电磁搅拌器进行

三段式电磁搅拌。

7.根据权利要求1所述的页岩气开采压裂车的压力泵阀专用钢的生产工艺，其特征是：

步骤6）使用的弧形连铸机半径为16m。