CN109868413A

CN109868413A - 110ksi钢级抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法

Info

Publication number: CN109868413A
Application number: CN201910166322.6A
Authority: CN
Inventors: 周国帅; 周晓锋; 边令喜; 王亚男; 刘金海; 张传友; 刘江成; 窦志超; 田琨
Original assignee: Tianjin Pipe Group Corp
Current assignee: Tianjin Steel Tube Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2019-06-11

Abstract

本发明公开了一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法，步骤如下：步骤一、炼钢、制备圆坯；步骤二、轧成无缝钢管7～10米长的无缝钢管经过无损探伤和精整工序后送到下道工序；步骤三、两次调质热处理；步骤四、性能检测；步骤五、将检验合格的无缝钢管分切成机加工要求尺寸的抗硫钻杆接头坯料。本发明的有益效果是：采用以上成分和制造方法得到的钻杆接头既有良好的淬透性又具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，且性能稳定，这样可以节省钻杆接头厂家的制造时间和实验成本。本工艺可以替代传统抗硫接头的生产工艺。

Description

110ksi钢级抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法

技术领域

本发明属于石油行业用无缝钢管制造技术领域，特别涉及一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法。

背景技术

据统计，我国石油行业每年损耗的钻具的75％～80％是由腐蚀造成的，而硫化物应力腐蚀是石油钻具失效的主要形式之一。随着钻井数量的迅猛增长，我国大部分主产油区地层中不同程度的含有H2S气体。因此优良的抗硫化氢应力腐蚀钻杆材料得到了迅猛发展，和抗硫钻杆管体配套的接头在应用中也起到了越来越关键的作用。

常规的生产抗硫钻杆接头的工艺过程是：将轧坯经热挤压后制成300mm～500mm长的接头毛坯，然后进行粗加工和经井式炉或箱式炉的热处理，将热处理后的钻杆接头再进行精加工成最终所要求的尺寸。由于钻杆接头的厚度一般要达到30～50mm，大大厚于管体，因此，此钻杆接头的坯料无法满足和抗硫钻杆管体的材料相同，并且每次热处理的接头数量有限，大约为8-12个，这样很难保证不同炉不同批次的性能稳定。为追求较高的韧性和优异的抗硫性能，各个厂家采用不同的成分设计。为了提高抗硫钻杆接头的抗硫性能，需采用淬火和高温回火的调质热处理工艺，以保证有尽量均匀的回火组织和较低的残余应力。表1中列出了国际上对110ksi钢级抗硫钻杆用接头的力学性能的要求。

表1：110ksi抗硫钻杆用接头的力学性能

为保证在高温回火后，仍然具有较高的强度和韧性，需要加入较多的合金元素，比如Mo，V，Nb，Ti等微合金元素。抗硫钻杆接头普遍采用C在0.30～0.40％的设计原则，这样的中碳合金钢在水淬火时容易产生裂纹缺陷，防止产生这样的缺陷，需要用到合适的淬火液，增加了生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法，该接头用管可以直接经过锯切和机加工后成为最终的成品，省去了由轧坯经过多道工序的单个挤压、粗加工、热处理、精加工等多道程序，既节约了成本又解决了性能不均匀等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法，该方法所生产的抗硫接头用管具有以下成分范围：

C：0.20％～0.30％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.25％～0.78％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：1.05％～1.45％、Mo：0.40～0.85％、V：0.03％～0.10％、Nb：0.01～0.06％、Ti：0.005～0.060％、B：0.0010～0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。

下面分别介绍各个合金元素的作用：

C能保证钢的强度，提高淬透性从而提高马氏体转变百分率；另外，提高C含量可增加回火析出的碳化物数量，这些碳化物是很好的H陷阱；但过高的C含量不仅会产生C偏析，也会大大增加Mn和P的偏析，而降低抗SSC性能，综合考虑将C控制在0.20％～0.30％；

Si是有效的脱氧剂，并提高回火抗力，但Si是强烈促进石墨化的元素，对希望得到大量碳化物析出的组织不利，因此Si应尽量少，综合考虑将Si控制在0.15％～0.40％；

Mn能提高钢的强度和淬透性，但Mn是易偏析元素，当Mn大于1.0％，易与S、P在晶界偏析，因此对抗SSC性能不利；综合考虑将Mn控制在0.25％～0.78％；

P易于形成异常组织偏析，影响抗硫性能。应该尽量降低P含量，故要求P≤0.015％；

S易在晶界偏析元素，导致沿晶开裂；另外，还形成MnS夹杂，对SSC不利，因此越低越好，故要求S≤0.005％；

Cr元素在淬火过程中，是强烈的阻止贝氏体转变的元素，能有效的提高钢材的淬透性。具有抗回火软化性，能提高钢材的机械强度，并降低钢材的腐蚀速率。但是Cr元素含量过多，可导致晶界形成粗大的铬的碳化物析出，降低抗SSC性能及韧性，综合考虑将Cr控制在1.05％～1.45％；

Mo元素比Cr元素具有更好的抗氢性能，它还能减少氢在钢中的吸收量及渗透量，提高钢的淬透性；另外，Mo还可以通过降低P的扩散系数来减轻P在晶界的偏析。但当Mo过多时，容易出现较大的M2C型碳化物，这对抗SSC性能不利。综合考虑将Mo控制在0.40～0.85％；

V使钢材的晶粒细化，冲击韧性增大，提高钢的回火强度。另一方面，含量过高，导致聚集的碳化物析出时，会降低强度，降低室温冲击韧性，引起机械性能波动较大，综合考虑将V控制在0.03％～0.10％；

Nb是细化晶粒元素，Nb形成细小的Nb(CN)可以使钢在热处理加热时阻止奥氏体长大，从而可细化调质钢晶粒和亚结构(马氏体板条)，同时晶粒细化还提高了屈强比，提高了抗SSC性能。但当Nb过高时，在连铸时，凝固前沿会形成大块成堆儿的NbN，而损害钢的抗SSC性能。综合考虑将Nb控制在0.01～0.06％；

Ti能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，同时Ti还起到固定N作用，从而保证了酸溶B的百分率，综合考虑将Ti控制在0.005～0.060％；

微量的B可以显著提高钢的淬透性而不增加钢的淬裂敏感性(即不降低钢的Ms点)，这对于厚壁的钢管是非常有好处的，但过高的B含量会促使粗大的Fe₂B和Mo₂B生产，而损害钢的抗SSC性能。综合考虑将B控制在0.0010～0.0050％。

所述钢管最终制成的钻杆接头常温下的屈服强度758～810MPa，抗拉强度862～920MPa，洛氏硬度HRC值不大于29.5，纵向冲击功150J以上；NACETM0177试验A法圆棒在名义屈服强度的65％和70％加载条件下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不断裂，平均晶粒度9～10级。

同时提供一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法，该方法包括以下步骤：

1.炼钢

采用有害残余元素含量低的优质废钢加海绵铁或铁水，配制上述成分要求的各种合金原料，运用电弧炉进行冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、S，使P、S含量降至最低；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、精确调整主要合金成分符合要求后，喂入Al丝进行脱氧处理，然后再喂入Si-Ca丝进行夹杂物变形控制。通过加入SiCa丝进行变形处理，Ca可以与MnS和Al₂O₃发生反应，形成圆球形的铝酸钙和硫化钙夹杂的复合体，并呈弥散分布，且通过喂入SiCa丝也能起到脱硫作用，进一步降低S含量，净化钢液。最后采用小流量氩气进行搅拌并静置15min，待温度为1550～1589℃时进行连铸铸成圆坯。

2.轧管

上述连铸成的圆坯经过检验，表面质量、几何尺寸符合要求后被送入到环形炉中进行加热，加热温度为1250℃～1320℃并保温2～4小时，然后穿孔机穿孔、高精度限动芯棒连轧机组进行连轧，通过定径机或者张力减径机精确定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出的7～10米长的无缝钢管经过无损探伤和精整工序后送到下道工序；

3.热处理

上述整支轧态钢管在高温步进淬火炉加热到900℃-980℃奥氏体化后，在水槽中整管冷却，随后在500℃-600℃回火；为了使钢管的残余奥氏体进一步转化并且细化晶粒，待冷却后重新进入高温步进淬火炉加热到800℃-880℃后水冷，随后650℃-710℃回火，出回火炉后在600℃-650℃范围内高温矫直；最后超声波无损探伤。

4.性能检测：将步骤三的无缝钢管按钻杆接头用管室温力学性能要求进行检测，合格产品应满足：屈服强度758～862MPa，抗拉强度862～1000MPa，延伸率≥20％，断面收缩率≥35％，纵向冲击功≥150J，平均硬度≤30HRC，单点最大硬度≤32HRC；晶粒度≥9级；抗腐蚀性能满足：按NACE TM0177标准试验A法圆棒在名义屈服强度的65％和70％加载条件下，连续720小时在饱和H₂S溶液中不出现裂纹或断裂。

5.分切为钻杆接头坯料：将步骤四检验合格的无缝钢管分切成机加工要求尺寸的抗硫钻杆接头坯料。

本发明的有益效果是：采用以上成分和制造方法得到的钻杆接头既有良好的淬透性又具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，且性能稳定，这样可以节省钻杆接头厂家的制造时间和实验成本。本工艺可以替代传统抗硫接头的生产工艺。

附图说明

图1为本发明抗硫化氢钻杆接头金相组织示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施实例

按本发明的钢种组成元素重量成分进行配料，成分范围为C：0.20％～0.30％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.25％～0.78％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：1.05％～1.45％、Mo：0.40～0.85％、V：0.03％～0.10％、Nb：0.01～0.06％、Ti：0.005～0.060％、B：0.0010～0.0050％，炼钢、轧管和管加工按上述方法执行。

将本发明制造的钻杆接头编号1-3和用常规方法生产的钻杆接头编号4、5进行对比，其成分对比情况见表1。

表1化学成分对比

将本发明制得的1-3号钻杆接头与用对比钢种制得的钻杆接头，均采用本发明的高温水淬和回火空冷进行热处理，所得到的力学性能数据见表2。

表2力学性能对比

注：硬度为同一截面的值。

将本发明制得的1-3号钻杆接头与用对比钢种制得的钻杆接头热处理后进行无损探伤检验，并按照NACE TM0177的方法A进行试验，试样在5％NaCl+0.5％冰醋酸溶液中通入饱和硫化氢，分别在65％和70％名义屈服强度下加载720小时，探伤和硫化氢试验结果见表3。

表3无损探伤和硫化氢试验结果

编号	无损检验	65％加载	70％加载
				1	良好	良好	良好
2	良好	良好	良好
				3	良好	良好	良好
4	良好	良好	断裂
				5	裂纹	断裂	断裂

从表3的结果比较看出，本发明实例钻杆接头与其他传统工艺生产的接头相比，不容易产生淬火裂纹，并且具有优异的抗硫化氢性能，完全符合110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头要求。

如图1所示为本发明抗硫化氢钻杆接头金相组织示意图。既保证抗硫钻杆接头具有充分的淬透性，又不会产生淬火裂纹等缺陷，还可以使同炉的接头性能保持稳定，这样就保证抗硫钻杆接头具有优良的力学性能和抗硫性能。

Claims

1.一种110ksi抗硫化物应力腐蚀钻杆接头用管的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、炼钢、制备圆坯：原料为废钢和海绵铁或高炉铁水，调整控制化学成分，按质量百分比的各成分为C：0.20％～0.30％、Si：0.15％～0.40％、Mn：0.25％～0.78％、P≤0.015％、S≤0.005％、Cr：1.05％～1.45％、Mo：0.40～0.85％、V：0.03％～0.10％、Nb：0.01～0.06％、Ti：0.005～0.060％、B：0.0010～0.0050％，余量为Fe和含量不可去除的残量元素；经电弧炉熔融冶炼，通过向钢水中加入石灰造泡沫渣，充分吸附钢水中的有害元素P、S，使P、S含量降低；使用偏心炉底出钢，再采用钢包炉精炼、脱氧、脱硫，喂入Al丝进行深度脱氧处理，然后再喂入Ca丝进行夹杂物变性处理，使夹杂物球化，采用小流量氩气进行搅拌并静置15min，进行连铸铸成圆坯；

步骤二、轧成无缝钢管：将步骤一连铸成的圆坯经过检验，表面质量、几何尺寸符合要求后被送入到环形炉中进行加热，加热温度为1250℃-1320℃并保温2～4小时，然后穿孔机穿孔、轧制、在加热、定径，在冷床上冷却后，锯切、冷矫直，最后制出的7～10米长的无缝钢管经过无损探伤和精整工序后送到下道工序；

步骤三、调质热处理：将步骤二制成的7～10米长的无缝钢管进行两次步进炉调质热处理，第一次调质经高温炉加热到900～980℃保温，对无缝钢管进行整管水淬，后在低温炉加热到500～600℃保温回火处理；第二次调质再经高温炉加热到800～880℃保温，对无缝钢管进行整管水淬，后在低温炉加热到650℃-710℃保温回火处理；在温度600℃-650℃时进行热矫直，冷却到室温后进行探伤；

步骤四、性能检测：将步骤三的无缝钢管按钻杆接头用管室温力学性能要求进行检测，合格产品应满足：屈服强度758～862MPa，抗拉强度862～1000MPa，延伸率≥20％，断面收缩率≥35％，纵向冲击功≥150J，平均硬度≤30HRC，单点最大硬度≤32HRC；晶粒度≥9级；抗腐蚀性能满足：按NACE TM0177标准试验A法圆棒在名义屈服强度的65％和70％加载条件下，连续720小时在饱和H2S溶液中不出现裂纹或断裂；

步骤五、分切为钻杆接头坯料：将步骤四检验合格的无缝钢管分切成机加工要求尺寸的抗硫钻杆接头坯料。