CN113195749A - 具有高耐腐蚀性的钻柱组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种钻柱部件，特别是用于油田技术和特别是用于深井钻孔中的钻铤部件、MWD部件或LWD部件，其由具有以下组成的合金和不可避免的杂质组成，所有值以重量％表示：

Description

具有高耐腐蚀性的钻柱组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钻柱组件，特别涉及在高腐蚀性介质中的用途及其制造方法。

背景技术

在深井钻孔技术中，特别是在油田或气田技术中，需要尽可能准确地确定钻孔路径。特别地，这还涉及其中钻井不是垂直或竖直地进行的时钻孔，而且还涉及在钻井过程中进行方向改变的钻孔。在这方面，需要尽可能准确地确定钻孔路径，以便能够相应地控制钻孔路径。这通常通过借助于磁场探针通过确定钻头的位置来进行，其中利用地球磁场进行测量。为此，钻柱的某些部件由非磁性合金制成。这意味着通常直接靠近磁场探针的钻柱部件必须具有相对磁导率μ_R<0.1。

特别地，这些部件包括所谓的钻铤或MWD部件(随钻测量)和LWD部件(随钻测井)，其定位在实际钻孔头以及其他物品上方，用于容纳相应的测量电子器件。

为了确保制造这些钻铤的合金不是磁性的，需要依靠使用非铁素体钢合金。基本上，这些是全奥氏体和超奥氏体合金。

然而，钻柱部件的另一个要求是它们还必须抗腐蚀，特别是抗在氯化物浓度高的介质中的腐蚀。

本文还涉及钻柱部件经受特别高的交替扭转载荷应力和扭转应力。在这种情况下，由于振动裂纹腐蚀，腐蚀侵蚀会削弱钻柱，这会减少了这种钻柱部件的理论使用寿命。

通常同样重要的是不仅需要用合适的合金生产这种钻柱部件，而且还通过适当的后处理程序，以确保具有均匀、高强度、特别是高抗冲击的结构，其中没有由例如金属间相、粗碳化物等的存在引起的裂纹萌生。

因此，为了特别适用于深井钻孔，选择这种钻柱部件，使得机械性能的最小值，特别是0.2％屈服强度和拉伸强度，等于发生的动态变化载荷。

例如，从AT 412 727 B中已知这种钻柱组件。

这里选择的耐腐蚀性奥氏体钢合金是一种合金，其具有特别高浓度的锰、铬、钼和镍。

为了具有高强度，具有的氮浓度为0.35重量％至1.05重量％；氮还有助于提高耐腐蚀性，并且是一种强大的奥氏体启动子。另一方面，随着氮含量的增加，存在含氮沉淀的趋势，特别是氮化铬。

为了实现这种高氮溶解度，特别提供大于19-30重量％的锰浓度。这旨在确保即使在大气压下凝固也能够生产无孔材料。除此之外，在变形程度高的情况下，锰应该稳定奥氏体结构以防止形成变形诱发的马氏体。

EP 1 069 202 A1公开了一种具有高屈服强度、高强度和强韧性的顺磁耐腐蚀奥氏体钢，其应耐腐蚀，特别是在具有高氯化物浓度的介质中；该钢应含有0.6质量％至1.4质量％的氮、17质量％至24质量％的铬，以及锰。

WO 02/02837 A1公开了一种用于油田技术中在高氯化物浓度的介质中使用的耐腐蚀材料。在这种情况下，它是铬-镍-钼超奥氏体，其具有相对较低的氮浓度，但具有非常高的铬浓度和非常高的镍浓度。

与前面提到的铬-锰-氮钢相比，这些铬-镍-钼钢通常具有更好的腐蚀行为。总的来说，铬-锰-氮钢构成了一种相当便宜的合金成分，但它提供了强度、韧性和耐腐蚀性的优异组合。上述铬-镍-钼钢的耐腐蚀性能明显高于铬-锰-氮钢，但由于镍含量非常高，因此成本也高得多。

通常，为实现高耐腐蚀性值，超级奥氏体的钼浓度>4％。但是钼会增加偏析趋势，从而增加对沉淀的敏感性，尤其是sigma相或chi相。这导致实际上这些合金需要均质化退火，并且在钼值高于4％时，需要重熔以减少偏析。

基本上，即使在冷变形后，材料仍必须具有μ_r<1.01的磁导率。

这种钢的屈服强度R_p0.2通常为140KSI＝965MPa。

耐腐蚀性的特征值包括所谓的PREN₁₆值；也习惯上通过MARC_OPT来定义所谓的点蚀当量数；超奥氏体被确定为具有α>42的PREN₁₆，其中PREN＝％Cr+3.3x％Mo+16x％N。

用于描述此类钢的耐点蚀的已知MARC公式如下：MARC＝Cr+3.3Mo+20N+20C–0.25Ni–0.5Mn。

经典的钻铤是已经提到的铬-锰-氮钢，因为尽管它们具有优异的性能，它们仍然相对便宜。在这种情况下，它们不含铌；由于锰浓度较高，会形成硫化锰，这对腐蚀性能有负面影响。

类似的钢种也可用作潜艇的造船钢；在这种情况下，这些是铬-镍-锰-氮钢，它们也与铌合金化以稳定碳，但这会降低缺口杆的韧性。基本上，这些钢含有很少的锰，因此具有相对较好的耐腐蚀性，但它们还没有达到钻铤等级的强度，特别是没有达到它们的韧性。

发明内容

本发明的目的是生产一种钻柱部件，特别是用于油田技术领域，特别是钻铤，其表现出耐腐蚀性、高强度和良好的顺磁性能。

该目的是通过具有权利要求1的特征的组件来实现的。在从属权利要求中公开了有利的改进。

本发明的另一个目的是创造一种制造组件的方法，其制造钻柱部件，所述钻柱组件具有增加的耐腐蚀性，具有高强度和良好的顺磁性行为。

该目的是通过权利要求15的特征来实现的。在引用独立权利要求的从属权利要求中公开了有利的改进。

当下文给出百分比值时，它们总是以wt％(重量百分比)表示。

根据本发明，钻柱部件应具有完全奥氏体结构，特别是即使在冷成形后也没有变形诱发马氏体；磁导率为μ_r<1.01，优选μ_r<1.005。由于铁素体或变形诱发马氏体具有磁性，因此它们会增加磁导率，因此根据本发明应避免使用。

铸块经过热成型步骤后，屈服强度为R_p0.2>450MPa，并且很容易达到>500MPa的值；在20℃下的缺口杆冲击功大于350J，甚至可以达到440J的值。

在应变硬化后，屈服强度可靠地为R_p0.2>1000MPa，经验表明实现了高达1100MPa的值；在应变硬化之后，在20℃下的缺口杆冲击功可靠地大于80J并且经验表明实现了200J的值。

缺口杆冲击功是根据DIN EN ISO 148-1确定的。

这种强度和韧性的优异结合以前是无法实现的，也不是预期中的，而是通过根据本发明产生这种协同效应的特殊合金状态实现的。

根据本发明，可以实现大于100000MPa J，优选>200000MPa J，特别优选>300000MPa J的抗拉强度Rm乘以缺口杆韧性KV的乘积值。

根据本发明的合金包含以下元素(所有值以重量％表示)：

残余量由100％铁(如表中所述)和不可避免的杂质组成。

第一列(最左侧)显示了基本上可以实现根据本发明的具有相应积极特性的钻铤的组成。优选的变型显示在随后的列中，但并非所有合金元素都必须以有限的量存在；例如，也可以设想5.2％的锰和23.1％的铬的组合。

利用这种合金，组合不同钢等级的积极特性。

使用根据本发明的合金，特别令人惊讶的是可以建立非常高的氮值，这对强度来说是非常好的；这些氮值令人惊讶地高于我们从技术文献中尽可能找出的值。根据经验方法是根本不可能实现根据本发明的合金的高氮浓度。

下面详细描述各元素以及适当的其他合金组分。所有与合金成分有关的指标均以重量百分比(wt％)表示。各个合金元素的上限和下限可以在权利要求的范围内自由组合。

碳可以以高达0.25％的浓度存在于根据本发明的钢合金中。碳是一种奥氏体促进剂，并且在高机械特性值方面具有有益效果。为了避免碳化物沉淀，碳含量可以设定在0.01重量％至0.1重量％之间。

硅以高达0.5重量％的浓度提供，主要用于对钢进行脱氧。所述指定的上限可靠地避免了金属间相的形成。由于硅也是铁氧体促进剂，因此在这点上也是在安全范围内选择上限。特别地，可以以0.1-0.3重量％的浓度提供硅。

锰的浓度为3-8重量％。与根据现有技术的材料相比，这是极低的值。到目前为止，已经假定高氮溶解度需要大于19重量％，优选大于20重量％的锰浓度。使用本合金，令人惊讶地发现，即使使用根据本发明的低锰浓度，也能实现大于根据专家普遍共识可能达到的氮溶解度。根据本发明，结果表明，由于无法解释的协同效应，上述要求对于本发明合金显然是不必要的。锰的下限可以选择为3.0％、3.5％、4.0％、4.5％或5.0％。锰的上限可以选择为6.0％、6.5％、7.0％、7.5％或8.0％。

铜的上限可以选择为<0.5重量％、<0.15重量％、<0.10重量％，或低于检测水平(即没有任何有意添加到合金中的含量)。尽管根据文献，在合金中添加铜有利于提高在硫酸中的耐受性，但事实证明，当>0.5％时，铜会增加氮化铬的沉淀趋势，从而对耐腐蚀性能产生负面影响。因此，根据本发明，上限设定为0.5％。

在17重量％或更高的浓度下，铬对于更高的耐腐蚀性是必要的。根据本发明，需要至少23％且至多30％的铬浓度。到目前为止，由于铬是铁氧体稳定元素之一，因此假设浓度高于24重量％会对磁导率产生不利影响。相比之下，在根据本发明的合金中，已经确定即使在高于23％的非常高的铬浓度下也不会对本合金的磁导率产生负面影响，而是如上已知的以最佳方式影响耐点蚀性和应力裂纹腐蚀性。铬的下限可以选择为23％、24％、25％或26％。铬的上限可以选择为28％、29％或30％。

钼是一种通常对耐腐蚀性有显著贡献的元素，特别是对耐点蚀性有显著贡献；镍的作用加强了钼的作用。根据本发明，添加2重量％至4重量％的钼。钼的下限可选择为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5。钼的上限可选择为3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0％。较高浓度的钼使得ESR处理绝对必要，以防止发生偏析。重熔程序非常复杂且昂贵。为此，根据本发明要避免PESR或ESR路线。

根据本发明，钨的浓度小于0.5％并且有助于提高耐腐蚀性。钨的上限可以选择为0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或低于检测水平(即没有任何有意添加到合金中的含量)。

根据本发明，镍的浓度为10％至16％，这在含有氯化物的介质中实现了高应力裂纹耐腐蚀性。镍的下限可以选择为10％、11％、12％或13％。镍的上限可以选择为15％、15.5％或16％。

钴可以以高达5重量％的浓度存在，特别是为了代替镍。钴的上限可以选择为5％、3％、1％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％、0.1％或低于检测水平(即没有任何有意添加到合金中的含量)。

所包含的氮浓度为0.50重量％至0.90重量％，以确保高强度。氮也有助于耐腐蚀性，并且是一种强大的奥氏体促进剂，这就是为什么其浓度大于0.52重量％，特别是大于0.54重量％是有益的。为了避免含氮沉淀，特别是氮化铬，氮的上限设定为0.90重量％；事实证明，尽管锰含量非常低，但与已知合金相比，可以实现合金中的这些高氮浓度而不会带来任何压力引起的氮含量增加(PESR)。

一方面由于良好的氮溶解度，由较高氮浓度(尤其是高于0.9％的氮浓度)导致的缺点，作为PESR路线的一部分的由压力引起的氮含量增加，实际上已不是问题。由于根据本发明的通过铬和氮补偿的低钼含量，该路线也是不必要的。如果氮与碳的比大于15，则特别有利。氮的下限可选择为0.50％、0.52％、0.54％、0.60％或0.65％。氮的上限可以选择为0.80％、0.85％或0.90％。

根据V.G.Gavriljuk和H.Berns的“High Nitrogen Steels(高氮钢)”，第264页，1999，如根据本发明的那些在大气压下熔化的CrNiMn(Mo)奥氏体钢达到0.2％至0.5％的氮浓度。在现有技术中，只有CrMn(Mo)奥氏体达到0.5％至1％的Mn浓度。然而，使用根据本发明的合金，有利的是，显然可以成功地实现比预期高得多的氮浓度，而不会带来压力引起的氮含量增加。

此外，可以包含硼、铝和硫作为额外的合金成分，但它们只是可选的。

本发明钢合金不一定含有合金成分钒和钛。尽管这些元素确实能对氮的溶解度作出积极贡献，但是即使在它们不存在的情况下也可以提供根据本发明的高氮溶解度。

根据本发明的合金不应含有铌，因为它会导致沉淀，这会降低韧性。从历史上看，铌仅用于键合到碳，这不是根据本发明的合金所必需的。高达0.1％的铌的浓度仍然可以容忍，但不应超过不可避免的杂质的浓度。

附图说明

以下将基于附图以示例的方式阐述本发明。在附图中：

图1是示出根据本发明的合金组分的表格；

图2示出了高度简化的生产路线示意图；

图3是根据本发明的概念内的三种不同合金的表格，以及氮含量的所得实际值与根据流行学派的这种合金的理论氮溶解度相比较的表格。

图4示出了使用根据本发明的具有应变硬化的生产方法生产的图3中的三种合金的机械性能。

具体实施方式

将各组分在大气条件下熔化，然后进行二次冶金处理。然后，铸造块，然后立即热锻。在本发明的上下文中，“立即”表示不进行额外的重熔过程，例如电渣重熔(ESR)或压力电渣重熔(PESR)。

对于根据本发明的合金，有利的是不需要均质退火或重熔。

图2示出了用于生产根据本发明的合金组合物的可能加工路线的实例。下面将通过示例的方式描述一种可能的路线。在真空感应熔炼装置(VID)中，熔融金属同时进行熔化和二次冶金处理。然后将熔融金属倒入铸锭模具中，并在其中凝固成块。然后在多个步骤中热成型。例如，它们在P52锻压机中进行预锻，然后在旋锻机中制成最终尺寸。根据要求，还可以执行固溶退火步骤和/或水冷。

为了确定最终性能，在旋转锻造机中进行冷成型，然后以这种方式生产的零件进行进一步加工。

在最后一个热成型子步骤之后，进行快速冷却至室温。通过这种特殊的加工步骤，可以快速通过临界温度范围并防止晶界沉淀的形成。在根据本发明的产品中，很明显，例如氮化铬沉淀的发生可能显著较低，这能以最佳的方式影响耐腐蚀特性。然后进行冷成型步骤，其中发生应变硬化。这种情况下的变形程度在10％到50％之间。

根据本发明，如果适用以下关系是有利的：

MARC_opt:40<wt％Cr+3.3x wt％Mo+20x wt％C+20x wt％N–0.5x wt％Mn

优化MARC公式实现以下效果，即已经发现，镍的其他惯用扣除不适用于根据本发明的系统并且40的极限值是必要的。

然后进行所需的冷成型步骤，其中发生应变硬化，然后是机械加工，尤其可以是车削或剥离。

根据本发明的超奥氏体材料不仅可以通过所描述的生产路线(特别是图2所示)来生产，根据本发明的合金的有利性能也可以通过使用粉末冶金的生产路线来实现。

图3示出了根据本发明的合金组合物内的三种不同变型，它们具有分别测量的氮值，这些变型是用与根据本发明的合金相关的根据本发明的方法生产的。这些非常高的氮浓度与在右列中显示的根据来自“On restricting aspects in the production of non-magnetic Cr-Mn-N-alloy steels,Saller,2005”的Stein、Satir、Kowandar和Medovar的氮溶解度形成对比。在Medovar中，指示了不同的温度。然而，很明显，所述的高氮值远远超过了理论预期值。

这甚至更令人惊讶，因为对于根据本发明的合金，所采用的路线不能证明如此高的氮溶解度的预期是合理的，特别是因为对氮溶解度具有非常积极影响的锰含量与已知的相应合金相比急剧降低。

在图4中，图3中的三种合金是使用根据本发明的方法生产的并且已经经历了应变硬化。

在这种应变硬化之后，在所有三种材料中，R_p0.2约为1000MPa，并且每种材料的抗拉强度Rm都在1100MPa和1250MPa之间。此外，缺口杆的冲击功在270J到甚至大于300J(合金C–329.5J)的出色范围内。

因此，可以实现强度和韧性的出色结合；在所有三个示例中，Rm*KV的乘积均大于300000MPa J。

因此，本发明的优点在于，已生产出具有提高的耐腐蚀性和低镍含量的钻铤合金，其同时表现出高强度和顺磁性行为。即使在冷成型后，仍存在完全奥氏体结构，磁导率μ_r<1.005，因此可以成功地将廉价铬-锰-镍钢的积极性能与铬-镍-钼钢的技术优异性能成功结合起来。

Claims (19)

1.一种钻柱部件，特别是用于油田技术和特别是用于深井钻孔中的钻铤部件、MWD部件或LWD部件，其由具有以下组成的合金和不可避免的杂质组成，所有值以重量％表示：

2.根据权利要求1所述的钻柱部件，其特征在于，所述合金由以下元素和不可避免的杂质组成，所有值以重量％表示：

3.根据权利要求1或2述的钻柱部件，其特征在于，所述合金由以下元素和不可避免的杂质组成，所有值以重量％表示：

4.根据权利要求1所述的钻柱部件，其特征在于，在合金组合物中，元素钴以<5、<1、<0.5％、<0.4％、<0.3％、<0.2％、<0.1％或低于检测水平存在。

5.根据权利要求1-4任一项所述的钻柱部件，其特征在于，在合金组合物中，元素铜以<0.3、<0.2、<0.1或低于检测水平存在。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钻柱部件，其特征在于，在合金组合物中，元素钨以<0.5、<0.3％、<0.2％、<0.1％或低于检测水平存在。

7.根据权利要求1-6任一项所述的钻柱部件，其特征在于，镍的上限为15％、15.5％或15.8％，以及下限为10.2％、11％、12％或13％。

8.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，所述钻柱部件的生产为通过对熔融金属进行二次冶金处理，浇铸成块，然后立即进行热锻、冷锻，以及如果需要，进一步进行机械加工。

9.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，冷成形后，磁导率μr为<1.01。

10.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，在应变硬化后，屈服强度R_p0.2为>1000MPA。

11.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，在应变硬化之后，在20℃下的缺口杆冲击功大于80J，优选>110J，特别优选>130J，特别地，Rm*KV的乘积为>100000MPa J。

12.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，冷变形后，材料是完全奥氏体的，即没有变形诱导的马氏体。

13.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，作为杂质的硫含量不超过0.005重量％。

14.根据前述权利要求任一项所述的钻柱部件，其特征在于，作为杂质的磷以不超过0.05重量％存在。

15.一种用于制造钻柱部件的方法，特别是根据前述权利要求之一的钻柱部件，其特征在于，具有以下组分以及不可避免的杂质的合金，所有值以重量％表示：

熔化，然后进行二次冶金加工，然后将所得合金浇铸成块并使其凝固，然后加热，然后立即通过锻造进行热成型，锻造部件进行额外的冷成型和后续机械加工。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，熔化具有以下组分以及不可避免的杂质的合金，所有值以重量％表示：

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，熔化具有以下组分以及不可避免的杂质的合金，所有值以重量％表示：

18.根据权利要求14-17任一项所述的方法，其特征在于，热变形分几个子步骤进行。

19.根据权利要求14-18任一项所述的方法，其特征在于，在热变形子步骤之间，锻造部件被重新加热，并且在最后的热变形步骤之后，根据需要进行固溶退火。

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