CN109972038B - 一种超深井钻杆接头用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超深井钻杆接头用钢，其组分的重量百分比是：C：0.24%‑0.32%，Si：0.20%‑0.40%，Mn：0.80‑1.20%，S≤0.010%，P≤0.020%，Cr：0.80%‑1.20%，V：0.06‑0.15%，Ni:0.10‑0.20%，Cu≤0.20%，Mo：0.40%‑0.80%，O≤20×10^‑6，H≤2×10^‑6，N≤70×10^‑6。余量为Fe。本发明通过将碳在0.24‑0.32%，添加适量的V与Cr、Mo、Ni元素进行整合；制得的超深井钻杆接头用钢，洁净度高,高低倍组织指标良好，强度高、韧性好，强韧性匹配良好，完全适用于超深井钻探用钻杆接头。

Description

一种超深井钻杆接头用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于特殊钢领域，涉及一种用于石油、煤炭行业超深井钻探用钻杆接头用钢，特别是对材料强度和韧性匹配要求较高的超深井钻探用钢及其制造方法。

背景技术

钻杆接头是煤炭行业、石油天然气行业进行油气资源勘探、开发过程中不可或缺的工具，是组成钻柱的主要部件，是连接钻杆、传递扭矩的重要部件。作为钻杆与钻杆之间的连接件，钻杆接头在打井的过程中承受了扭曲、拉伸、压缩等复合力的作用，受力条件复杂，是钻探钻杆的薄弱环节，比管体更加恶劣的工况条件、更复杂的应力。近年来，煤炭地质、石油天然气勘探开发逐渐向超深井拓展，开采难度越来越大，为了确保超深井的运行安全，对钻杆接头的综合力学性能、使用性能和寿命特别是强韧性匹配提出了极高的要求。所以开发研究屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1100MPa，-20℃纵向V型冲击功≥120J，强韧性匹配要求较高的超深井钻探用钢是课题研究的方向。

公开号CN102453786A，名称为“一种转炉冶炼钻杆接头用钢的方法及钻杆接头用钢”的发明专利申请，以攀钢特有的含钒钛铁水为原料，对于以钒钛磁铁矿生产的V和Ti含量较高的含钒钛铁水来说，本领域的技术人员认为V虽然对抗击韧性没有太大负面影响，但是也不会对抗击韧性有太大正面影响，然而，大量的Ti会严重影响钢材的冲击韧性，所述发明通过在冶炼时将Ti的含量控制在≤0.003重量％的范围内，并通过对钢水纯净度和P、S、Ti以及夹杂物的良好控制，生产出具有良好淬透性和组织稳定性，屈服强度为1000-1200MPa，并且-10℃横向冲击功≥70J、-10℃纵向冲击功≥80J的钻杆接头用钢。所述钢的-10℃纵向V型冲击功仅能达到≥80J-129J,很难满足超深井用钻杆接头的使用要求，特别是很难满足对井下复杂、-20℃低温的地质环境要求，且该钢种的冲击韧性偏低，对钻杆接头的使用寿命存在不利的一面；所述文献只具体描述了铁水的冶炼过程，没有提及具体轧制工艺和后续的热处理工艺过程。

山东冶金2017年第06期文献名称为“AISI4137H 钻杆接头用钢开发生产实践”论文，其材料成分主要元素含量为：C 0.35-0.37%，Si 0.24-0.29%,Mn0.93-0.97%，P0.007-0.012%，S0.001-0.005%，Cr1.13-0.17%，Mo0.30-0.32%，该成分设计生产的AISI4137H钢洁净度高，淬透性好，力学性能满足钻杆接头用钢标准要求，最小强度值高出标准要求30MPa以上，但其-20℃低温冲击功仅为84～108J，抗拉强度平均值只有1046MPa,屈服强度只有906MPa，仍难满足超深井钻探用钢具有较高强韧性匹配要求。另外所述的AISI4137H钢洁净度高，因此生产冶炼方式为电炉冶炼，而电炉生产效率低、成本高。

《中国石油和化工标准与质量》2012年第11期文献名称为“钻杆接头用钢37CrMnMo热处理工艺研究”论文，所述37CrMnMo钢的主要化学元素含量为：C 0.35-0.38%，Si 0.15-0.35%，Mn 0.85-1.0%，Cr 0.9-1.2%，Mo 0.28-0.33%，为保证所述37CrMnMo钢钻杆接头钢材的力学性能，其热处理工艺为：淬火880℃，保温2.5小时油冷；回火温度605-610℃，保温4小时水冷。该热处理工艺使石油钻杆接头达到最佳的综合机械性能，但平均抗拉强度只有1016MPa，平均屈服强度只有875MPa，常温V型冲击为117J。而且未对-20℃温度V型冲击做研究，理论上该材料-20℃温度V型冲击值要低于常温冲击值117J。抗拉强度小于1100 MPa，屈服强度小于930MPa。整体强韧性性偏低。

综上所述，目前生产地质钻探、石油钻探钻杆接头用钢，主要是添加Cr、Mo合金元素的钢，C按0.34-0.38%控制，综合力学性能虽然满足标准要求，但强韧性难达到超深井钻探用钢的要求。

发明内容

为克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种高强度、高韧性匹配较好的钻杆接头用钢材及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超深井钻杆接头用钢，其组分及其重量百分比是：C：0.24%-0.32%，Si：0.20%-0.40%，Mn：0.80-1.20%，S≤0.010%，P≤0.020%，Cr：0.80%-1.20%，V：0.06-0.15%，Ni:0.10-0.20%， Cu≤0.20%，Mo：0.40%-0.80%，O≤20×10^-6，H≤2×10^-6，N≤70×10^-6，余量为Fe。

一种如上所述的超深井钻杆接头用钢的制造方法，包含如下步骤：

第一步：转炉冶炼，确保铁水入炉S≤0.050%，冶炼该产品时新包前3炉，中修包前2炉，小修包第1炉不得使用。严格控制终点C控制在≤0.08%，采用滑板挡渣，杜绝出钢过程下渣，将P控制在≤0.014%，目标≤0.010%，出钢过程合金添加可根据实际情况调整，实际加入量已钢水成分满足到LF成分控制范围要求为准；钢水出钢到1/4开始，从高位料仓加入225±25kg的钒铁合金，加入铝铁80±20kg，钢水出钢到1/3完成；转炉出钢温度确保≥1610℃；

第二步:LF精炼，要求到站温度≥1529℃，确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时渣面进行扩散脱氧，Ar气压力控制以钢水不翻出渣面为原则，以防卷渣。前期化渣、增碳加合金时氩气按25-45m3/h控制。炉渣化开后加入钼铁1160kg，镍板130kg，后根据试样分析结果逐步调整至目标值；精炼时间≥55min，出站温度开浇炉控制范围1609±10℃，连浇炉控制范围为1604±10℃；

第三步：RH真空脱气冶炼，确保到站温度开浇炉温度控制在1604±10℃，连浇炉到站温度控制在1599±10℃。对钢水进行真空脱气处理，在0.266KPa真空度下处理时间≥18min，纯脱气时间≥8min， 破真空后喂钙铁线，即，软吹镇静前喂纯钙100米或钙铁丝150米(开浇炉喂入量增加50米)；连浇炉软吹氩时间≥15分钟，开浇炉软吹氩时间≥20分钟；钙处理后(软吹前)立即投入碳化稻壳保温，保证碳化稻壳均匀铺盖于炉渣表面；软吹控制以不吹破渣面且渣面略微波动为准，确保钢中的大尺寸夹杂物上浮排除，软吹过程中严禁钢水裸露；

第四步：连铸，中间包过热度控制：开浇炉≤40℃，连浇炉≤35℃，以增大铸坯细等轴晶区，减小成分偏析；大包至中间包采用长水口加Ar气保护浇注，同时采用浸入式水口保护浇注，防止钢液二次氧化，大包长水口插入深度≥200mm，控制水口插入深度120±20mm。确保稳定拉速、稳定中包液位在最高位，保证结晶器液面的稳定，杜绝人为扰动结晶器液面。浇注时还需采用结晶器电磁搅拌技术，均匀成分。采用中包覆盖剂、结晶器保护渣等措施对钢水进行全程保护浇注。连铸坯按要求长度切割完成后将钢坯进行缓冷处理≥24h，出坑≤200℃；

第五步：加热轧制，加热温度为1180-1220℃，加热时间≥288分钟，铸坯出炉后采用高压除鳞保证钢坯表面氧化铁皮除净，粗轧开轧温度1140-1180℃，终轧温度≥900℃。

第六步：精整，轧制成圆钢在线热锯定尺后，入坑高温缓冷，入坑温度≥600℃，温度≤200℃或者缓冷大于72h出坑，出坑矫直后进行内部超声波探伤和表面漏磁探伤检验，精整完成后打包入库；

第七步：试样热处理,在890℃淬火，淬火后在640-660℃回火，保温60分钟后冷却。

本发明的有益效果是：通过将钢中的碳含量控制在0.24-0.32%范围，添加适量的V元素与Cr、Mo、Ni元素进行整合；冶炼过程中，大包至中间包采用长水口加Ar气保护浇注、浸入式水口，中包覆盖剂、结晶器保护渣等措施对钢水进行全程保护浇注，防止钢液二次氧化，减少非金属夹杂物，保证钢水的高洁净性；然后将轧制后的钢材进行热处理，在890℃淬火，淬火后在640-660℃回火，保温60分钟后冷却；制得的钢材获得高强度高韧性的力学性能，强韧性匹配较好，屈服强度为1026-1113MPa，抗拉强度能达到1102-1207MPa，常温纵向V型冲击功能达到120-140J,0℃纵向V型冲击能达到139J，-20℃纵向V型冲击功能达到127J。高强度高韧性完全适用于超深井钻探用钻杆接头，在井下复杂的环境下能大大延长钻探设备的使用寿命。

具体实施例

实施例1至3化学成份（Wt%）如表1所示，冶炼及轧制过程控制如表2所示，制得的钢材成品高低倍组织及力学性能分别如表3、表4所示。

表1 超深井钻杆接头用钢材成品化学成分 （Wt，%）

表2 超深井钻杆接头用钢材冶炼轧制控制

表3 超深井钻杆接头用钢高低倍组织

表4 超深井钻杆接头用钢力学性能

由表1-表4的实际成分控制、生产过程控制及产品组织性能情况表明，本发明生产的适用于超深井钻探有钻杆接头用钢，洁净度高,高低倍组织指标良好，强度高、韧性好，强韧性匹配良好，完全适用于超深井钻探用钻杆接头，在井下复杂的环境下能大大延长钻探设备的使用寿命。

Claims (1)

1.一种超深井钻杆接头用钢的制造方法，其特征在于，所述超深井钻杆接头用钢的组分及其重量百分比是：C：0.28％-0.32％，Si：0.20％-0.40％，Mn：0.80-1.00％，S≤0.010％，P≤0.020％，Cr：0.80％-1.20％，V：0.06-0.15％，Ni:0.10-0.20％，Cu≤0.20％，Mo：0.58％-0.80％，O≤20×10^-6，H≤2×10^-6，N≤70×10^-6，余量为Fe；

所述制造方法包含如下步骤：

第一步：转炉冶炼，确保铁水入炉S≤0.050％，冶炼该产品时新包前3炉，中修包前2炉，小修包第1炉不得使用，严格控制终点C控制在≤0.08％，采用滑板挡渣，杜绝出钢过程下渣，将P控制在≤0.014％，出钢过程合金添加根据实际情况调整，实际加入量以钢水成分满足到LF成分控制范围要求为准；钢水出钢到1/4开始，从高位料仓加入225±25kg的钒铁合金，加入铝铁80±20kg，钢水出钢到1/3完成；转炉出钢温度确保≥1610℃；

第二步:LF精炼，要求到站温度≥1529℃，确保炉渣流动性良好和渣色变白，同时渣面进行扩散脱氧，Ar气压力控制以钢水不翻出渣面为原则，以防卷渣，前期化渣、增碳加合金时氩气按25-45m³/h控制，炉渣化开后加入钼铁1160kg，镍板130kg，后根据试样分析结果逐步调整至目标值，精炼时间≥55min，出站温度开浇炉控制范围1609±10℃，连浇炉控制范围为1604±10℃；

第三步：RH真空脱气冶炼，确保到站温度开浇炉温度控制在1604±10℃，连浇炉到站温度控制在1599±10℃，对钢水进行真空脱气处理，在0.266KPa真空度下处理时间≥18min，纯脱气时间≥8min，破真空后喂钙铁线，即，软吹镇静前喂纯钙100米或钙铁丝150米，其中，开浇炉喂入量增加50米，连浇炉软吹氩时间≥15分钟，开浇炉软吹氩时间≥20分钟；钙处理后且在软吹前立即投入碳化稻壳保温，保证碳化稻壳均匀铺盖于炉渣表面，软吹控制以不吹破渣面且渣面略微波动为准，确保钢中大尺寸夹杂物上浮排除，软吹过程中严禁钢水裸露；

第四步：连铸，中间包过热度控制：开浇炉≤40℃，连浇炉≤35℃，以增大铸坯细等轴晶区，减小成分偏析；大包至中间包采用长水口加Ar气保护浇注，同时采用浸入式水口保护浇注，防止钢液二次氧化，大包长水口插入深度≥200mm，控制水口插入深度120±20mm，确保稳定拉速、中包液位在最高位，保证结晶器液面的稳定，杜绝人为扰动结晶器液面，浇注时还需采用结晶器电磁搅拌技术，均匀成分；采用中包覆盖剂、结晶器保护渣措施对钢水进行全程保护浇注；连铸坯按要求长度切割完成后将钢坯进行缓冷处理≥24h，出坑≤200℃；

第五步：加热轧制，加热温度为1180-1220℃，加热时间≥288分钟，铸坯出炉后采用高压除鳞保证钢坯表面氧化铁皮除净，粗轧开轧温度1140-1180℃，终轧温度≥900℃；

第六步：精整，轧制成圆钢在线热锯定尺后，入坑高温缓冷，入坑温度≥600℃，温度≤200℃或者缓冷大于72h出坑，出坑矫直后进行内部超声波探伤和表面漏磁探伤检验，精整完成后打包入库；

第七步：试样热处理，热处理工艺为890℃淬火，淬火后在640-660℃回火，保温60分钟后冷却。