CN114574764A

CN114574764A - 一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理方法和生产方法

Info

Publication number: CN114574764A
Application number: CN202210209957.1A
Authority: CN
Inventors: 杨志强; 汪开忠; 胡芳忠; 王自敏; 吴林; 陈世杰; 金国忠; 杨少朋
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2042-03-04
Also published as: CN114574764B

Abstract

本发明公开了一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理方法和生产方法，所述压裂泵阀体用钢主要包括如下成分C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、Al、Nb、Ti、B，本发明通过控制钢中化学成分的组成及各成分之间的关系及用量，使得压裂泵阀体用钢性能满足≥5500大马力下使用寿命≥400h的压裂泵阀体用钢的需求，其阀体1/4厚度处的抗拉强度≥1100MPa、屈服强度≥970MPa、‑40℃KV₂≥130J、A≥20％、Z≥72％；在压裂液环境中160MPa应力下的腐蚀速率≤0.002mm/h，应力腐蚀疲劳寿命≥400万次。

Description

一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理方法和生产方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，涉及一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理方法和生产方法。

背景技术

为了提高油气的采收率，提高油气开采效率，90％的油气井均需要进行压裂作业。压裂泵是压裂作业的必备装备，压裂泵的马力大小直接影响到压裂效率。我国常规油气资源开发已较充分，非常规油气开采加速，面对深井、超深井、极寒的油气开采需要更大马力的压裂泵。目前国内常用的压裂泵马力通常在3500左右，单口油气井压裂需要约20台压裂泵同时作业10余小时。而采用大马力压裂泵可以减少单次压裂泵投入数量、减少作业时间。减少使用压裂泵台数和作业时间，这在环境条件恶劣的油气作业具有显著的经济优势和安全优势。

压裂泵阀体工作环境恶劣，在高压疲劳，腐蚀性介质，沙粒冲刷和磨削等比较极端的环境服役，常发生失效。如四川某油井下使用的2000型压裂泵，在70Mp压力下工作132h后发现压裂泵阀体塞孔刺漏，严重影响油田增产作业效率。目前，压裂泵阀体的普遍使用寿命约250h，压裂马力的提高对压裂泵阀体的性能要求更高，因此提高压裂泵阀体的性能和服役寿命日益迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理方法和生产方法，本发明可实现≥5500大马力使用寿命≥400h的压裂泵阀体用钢的制备，且其抗拉强度≥1100MPa、屈服强度≥970MPa、-40℃KV₂≥130J。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，包括如下重量百分比的化学成分：C0.20％～0.55％、Si 0.15％～0.35％、Mn 2.4％～2.9％、Cr 0.5％～0.8％、Mo 0.6％～0.8％、Ni 2.40％～2.80％、Cu 0.50％～0.80％、Nb 0.025％～0.045％、Ti 0.0015％～0.0035％、B 0.0010％～0.0035％、Al 0.015％～0.035％、P≤0.010％、S≤0.010％、N≤0.0080％、O≤0.003％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

其中，

A＝{2.5+30×[B-1.27×(N-0.002-0.29×Ti-0.15×Nb)]}×(1+4×Mn)×(1+2×Cr)×(1+3.5×Mo)，A≥200，优选A为200～300；

D＝28×Ni+17×Mo+16×Cu+23×Mn-14×Si×Mn+15×C-11×C×Mn，D≥140，优选D为140～160；

X＝4×Ni+1.2×Cr-2.5×Si+30×Cu+7×Nb+11×Ti-9×Ni×Cu-5×Mn，X≥0.5，优选X为0.5～5.0；

A、D、X值的计算公式中，各元素所指数值＝该元素在钢中含量×100。

为了生产得到具有优秀的强韧性和耐应力腐蚀疲劳性能，适用于制造≥5500大马力使用寿命≥400h的压裂泵阀体用钢，本发明进行了如下控制：

C：C是钢中最低廉的强化元素，每提高0.1％的固溶C，可使强度提高约450MPa，C与钢中的合金元素形成析出相，起到析出强化作用。C能够显著提高淬硬性，使压裂泵表面硬度过高，不利于耐腐蚀性能，因此C含量不能过高，C控制在0.20％～0.55％。

Si：Si是钢中有效的固溶强化元素，提高钢的强硬度，Si在炼钢时能够起到脱氧作用，是常用的脱氧剂。但Si易偏聚有奥氏体晶界，降低晶界结合力，引发脆性。另外Si易引起钢中元素偏析。因此，Si含量控制在0.15％～0.35％。

Mn：Mn能够起到固溶强化作用，固溶强化能力弱于Si，Mn是奥氏体稳定化元素能显著提高钢的淬透性，提高相变过程中的变体选择，细化微观组织，提高韧性。还能够减少钢的脱碳，Mn与S结合能够防止S引起的热脆性。所以，Mn含量控制在2.40％～2.90％。

Cr：Cr是碳化物形成元素，Cr能够使钢的淬透性和强度均提高，却易引起回火脆性。Cr能够提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，但Cr含量过高时将增加裂纹敏感性。应将Cr含量控制在0.50％～0.80％。

Mo：Mo主要是提高钢的淬透性和耐热性，固溶于基体的Mo能够使钢的组织在回火过程中保持较高的稳定性，且能有效降低P、S和As等杂质元素在晶界处偏聚，从而提高钢的韧性，降低回火脆性。Mo降低M₇C₃的稳定性，当Mo含量较高时将形成针状Mo₂C，将导致基体Mo含量减少。Mo能够通过固溶强化和沉淀强化的共同作用提高钢的强度，也能通过改变碳化物的析出来改变钢的韧性。故Mo控制在0.6％～0.8％。

Ni：Ni能与Fe生成无限互溶的固溶体，是奥氏体稳定化元素，具有扩大相区的作用，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。Ni能够细化马氏体板条宽度，提高强度。Ni是显著降低钢的韧脆转变温度，提高低温韧性。Ni元素是贵金属元素，过量加入导致成本过高。将Ni含量控制在2.40％～2.80％。

Cu：铜能够增强钢的耐蚀性，并且Cu的沉淀强化能够使钢的组织稳定性增强，提高腐蚀环境的服役安全性。但是Cu添加多易引起脆化。故Cu含量0.50％～0.80％。

Nb：V是强C、N化合物形成元素，V(C、N)细小弥散，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，基体的强化能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高疲劳强度。V含量控制在0.025％～0.045％。

Ti：Ti在钢中作用广泛，Ti可以作为脱氧剂进行脱氧，Ti与C以及N能够形成碳氮化合物，在钢中析出，起到析出强化作用，还可以钉扎晶界阻碍晶粒长大。Ti含量控制在0.0015％～0.0030％。

B：B通常认为是钢中的微量元素，具有较强的淬透作用。提高淬透性的同时能够提高钢的韧性。但是B的强烈淬透性因此钢中B含量不易过高，因此控制在0.0010％～0.0035％。

Al：Al是炼钢的主要脱氧剂，Al与N结合形成细小弥散分布的AlN，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高钢的持久强度。Al含量控制在0.015％～0.035％。

O和N：T.O在钢中形成氧化物夹杂，控制T.O≤0.0030％；N在钢中能与氮化物形成元素形成细小析出相细化组织，又能析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，降低加工性能，因此将N控制在0.0080％以内。

本发明充分利用Mn、Cr、Mo、B元素对淬透性的有利作用，以保证压裂泵的淬透性。同时利用Nb和Ti与N从成氮化物从而消耗氮，保证B元素已固溶态存在钢中，充分发挥淬透性作用。从而共同作用保证压裂泵1/4部位仍然具有细小的回火索氏体。因此上述7种元素应满足：

A＝{2.5+30×[B-1.27×(N-0.002-0.29×Ti-0.15×Nb)]}×(1+4×Mn)×(1+2×Cr)×(1+3.5×Mo)≥200，式中各元素所指数值＝该元素在钢中含量×100；

为保证钢的低温韧性需对韧化元素进行限定，Ni是现在能够提高韧性的元素，Mo有利于提高回火稳定性，从而提高钢的韧性。Cu在钢种能够析出细小的纳米铜析出相，从而提高钢的韧性，通过非线性拟合确定三种元素对韧性的贡献系数分别为28、17、16。Mn能够促进钢在相变是变体选择，从而使微观组织细小提高韧性，但Si和Mn存在偏析作用导致韧性下降，故Mn对韧性的贡献存在独自贡献，又存在与Si和Mn的交互作用，因此系数分别为23、-14。C含量对韧性的影响也存在两面性，一方面促进相变细化，提高韧性。一方面与Mn交互促进钢的硬化，导致韧性较低，故C对韧性的贡献存在独自贡献，有存在与C和Mn的交互作用，因此系数分别为15、-11。由于钢中P、S也对钢的韧性有害，但是由于本发明对P和S含量已经做出最高含量限制，因此不考虑P和S对韧性的危害。故钢的韧性判定因子

D＝28×Ni+17×Mo+16×Cu+23×Mn-14×Si×Mn+15×C-11×C×Mn≥140，式中各元素所指数值＝该元素在钢中含量×100。

为了保证钢较好的应力腐蚀疲劳性能，需对Si、Mn、Ni、Cr、Cu、Nb、Ti的配比进行限定。Si和Mn会加剧偏聚，造成微观组织不均匀从而导致应力腐蚀疲劳性能降低，因此系数分别为-2.5和-5。Ni能够提高层错能显著提高低温韧性，并且能够钝化金属提高应力腐蚀疲劳性能，故Ni的系数为4。Cr和Cu能够增强钢表面的钝化膜，故系数分别为1.2和30。Nb、Ti能够形成碳氮化物细化组织，提高组织均匀性提高应力腐蚀疲劳性能，故系数为7和11。由于Ni、Cu之间存在交互作用会抵消元素单独的耐蚀性，故系数为-9；即

X＝4×Ni+1.2×Cr-2.5×Si+30×Cu+7×Nb+11×Ti-9×Ni×Cu-5×Mn≥0.5，式中各元素所指数值＝该元素在钢中含量×100。

所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的金相组织为回火索氏体，晶粒尺寸为18～24μm。

所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢阀体1/4厚度处的抗拉强度≥1100MPa、屈服强度≥970MPa、-40℃KV₂≥130J、A≥20％、Z≥72％；在压裂液环境中160MPa应力下的腐蚀速率≤0.002mm/h，应力腐蚀疲劳寿命≥400万次；具体为所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢阀体1/4厚度处抗拉强度为1120～1170MPa、屈服强度为980～1020MPa、-46℃KV₂为130～160J、A为20～25％、Z为70～75％。

本发明提供的所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的热处理方法，包括以下步骤：

(1)阶梯淬火：将采油树阀体加热至900～940℃，保温，而后水冷；再加热至840～880℃，保温，而后水冷；压裂泵阀体的壁较厚，通过阶梯淬火能保证材料具有细小的马氏体组织，利于强韧性。通过第一次淬火后钢的晶粒度和马氏体均细化；二次淬火时由于加热前组织细化，有利于晶粒形核，晶粒细化；二次淬火时的温度低于第一次淬火温度能够保证奥氏体后晶粒不粗化，且在经历淬火后使晶粒、马氏体变体增多，微观组织细化，有利于提高强韧性及腐蚀疲劳寿命；

(2)回火：将采油树阀体加热至T＝580～680℃，保温，而后水冷。

所述步骤(1)中，两次加热的升温速度均为50～110℃/h，保温时间均为t＝0.4～1.0×S，S为阀体壁厚，单位为mm，t单位为min。

所述步骤(2)中，加热的升温速度为50～110℃/h，保温时间为t1＝0.8～2.0×S，S为阀体壁厚，单位为mm，t1单位为min。

上述这样的升温速率下可保证阀体不同位置的温度接近；如果升温速度过快则阀体不同位置的温度梯度较大会增加内应力、增加裂纹风险；如果升温速度过慢，在升温阶段有产生回火反应的风险，导致析出相的种类和含量不受控制。保温时间是控制析出相的含量和尺寸的关键，保温时间过短则析出相少，有益作用降低，保温时间过长虽然析出相会增多但是析出相尺寸会增大，会降低析出相的弥散分布作用。析出相过大还会增加内部微裂纹风险。

所述步骤(1)和(2)中，水冷时均冷却至100℃以下。

回火工艺参数应符合Y＝T×(S/10+lgt1)/1000，34.2≤Y≤35.8。回火参数直接决定最终产品的力学性能和腐蚀疲劳性能。如果回火参数过大，材料的软化作用大，导致材料的强度下降大而不能保证强度，还会导致析出相的尺寸过大，削弱析出强化作用，并且增大钢内微裂纹风险降低韧性。如果回火参数小，材料的强度会软化不足，组织应力、内应力大，韧性和腐蚀疲劳性能都会降低。

本发明提供的所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的生产方法，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→圆坯连铸→圆坯加热→锻造成阀体→热处理→机加工→包装入库，其中所述热处理采用上述热处理方法进行。

所述圆坯直径为Φ380mm～Φ700mm。

所述机加工具体包括：阀体粗车→探伤→阀体精车→修磨→探伤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，通过控制钢中化学成分的组成及用量，使得其性能满足≥5500大马力下使用寿命≥400h的压裂泵阀体用钢的需求；

2.本发明提供的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢中的B、N、Ti、Nb、Mn、Cr和Mo之间的关系满足{2.5+30×[B-1.27×(N-0.002-0.29×Ti-0.15×Nb)]}×(1+4×Mn)×(1+2×Cr)×(1+3.5×Mo)≥200，以保证压裂泵阀体的淬透性；

3.本发明提供的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢中的Ni、Mo、Cu、Mn、Si和C之间的关系满足28×Ni+17×Mo+16×Cu+23×Mn-14×Si×Mn+15×C-11×C×Mn≥140，以保证压裂泵阀体的低温韧性；

4本发明提供的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢中的Ni、Cr、Si、Cu、Nb、Ti和Mn之间的关系满足4×Ni+1.2×Cr-2.5×Si+30×Cu+7×Nb+11×Ti-9×Ni×Cu-5×Mn≥0.5，保证压裂泵阀体具有较好的应力腐蚀疲劳性能；

6.本发明提供的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的热处理采用阶梯淬火+回火工艺进行热处理，并对回火处理时的加热温度及保温时间进行控制，以保证压裂泵阀体的整体性能能够满足≥5500大马力下使用寿命≥400h的压裂泵阀体用钢的需求。

附图说明

图1为实施例2中的水下采油树阀体用钢的显微形貌图，可见组织中的碳化物分布均匀细小；

图2为对比例3中的水下采油树阀体用钢的显微形貌图，可见组织中的碳化物团聚、分布晶界多，尺寸大。

具体实施方式

本发明提供的一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.20％～0.55％、Si 0.15％～0.35％、Mn 2.4％～2.9％、Cr 0.5％～0.8％、Mo 0.6％～0.8％、Ni 2.40％～2.80％、Cu 0.50％～0.80％、Nb 0.025％～0.045％、Ti0.0015％～0.0035％、B 0.0010％～0.0035％、Al 0.015％～0.035％、P≤0.010％、S≤0.010％、N≤0.0080％、O≤0.003％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

其中，

A＝{2.5+30×[B-1.27×(N-0.002-0.29×Ti-0.15×Nb)]}×(1+4×Mn)×(1+2×Cr)×(1+3.5×Mo)，A≥200；

D＝28×Ni+17×Mo+16×Cu+23×Mn-14×Si×Mn+15×C-11×C×Mn，D≥140；

X＝4×Ni+1.2×Cr-2.5×Si+30×Cu+7×Nb+11×Ti-9×Ni×Cu-5×Mn，X≥0.5；

所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的生产方法，包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→圆坯连铸→圆坯加热→锻造成阀体→热处理→机加工→包装入库。

其中，其中，电炉冶炼：出钢前定氧，出钢过程采用留钢操作，避免下渣；

LF炉：C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、B等元素调至目标值；

真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量≤1.5ppm，避免钢中出现白点，引起氢脆现象；

连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸φ380mm～φ700mm圆坯。

锻造路线：圆坯加热→锻造→缓冷。

阀体热处理：台车炉加热→保温→淬火→台车炉加热→保温→淬火→回火→保温→水冷。

机加工路线：阀体粗车→探伤→阀体精车→修磨→探伤。

热处理具体按照下述步骤进行：

(1)阶梯淬火：将采油树阀体加热至900～940℃，保温，而后水冷至100℃以下；再加热至840～880℃，保温，而后水冷至100℃以下；两次加热的升温速度均为50～110℃/h，保温时间均为t＝0.4～1.0×S，S为阀体壁厚，单位为mm，t单位为min；

(2)回火：将采油树阀体加热至T＝580～680℃，保温，而后水冷至100℃以下；加热的升温速度为50～110℃/h，保温时间为t1＝0.8～2.0×S，S为阀体壁厚，单位为mm，t1单位为min；回火工艺参数应符合Y＝T×(S/10+1gt1)/1000，34.2≤Y≤35.8。

由上述工艺制备的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的性能检测方法如下：

组织：在阀体延长体上取样，在延长体1/4厚度(厚度为400mm)位置内取样进行金相、晶粒尺寸分析。

性能：在阀体延长体上取样，在延长体1/4厚度(厚度为400mm)位置内取拉伸、冲击、冲蚀试样，参照GB/T228、GB/T229、GB/T 15970进行力学性能试验。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

各实施例和对比例中的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的化学成分及重量百分比如表1所示，余量为铁及不可避免的杂质。

表1

各实施例和对比例中的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的热处理工艺参数如表2所示。

表2

各实施例和对比例中的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的力学性能检测结果如表3所示。

表3本发明实施例及对比例的力学性能检测情况列表

从上述数据可以看出，按照本发明进行控制的实施例1～3中的钢的强度、塑性、韧性及应力腐蚀疲劳性能均较好。而对比例1中虽然各化学成分的含量及热处理工艺按照本发明设置的范围进行了控制，但是由于A值、D值的控制不当导致材料强度、韧性不足，且抗应力腐蚀疲劳性能不足；对比例2中由于部分化学成分的含量、X值控制不当及热处理工艺不当，导致材料的强度、韧性不足，且抗应力腐蚀疲劳性能不足；对比例3中由于有害元素N、O的含量及X值控制不当，导致材料强度、韧性不足，且抗应力腐蚀疲劳性能不足。

上述参照实施例对一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢及其热处理和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，其特征在于，包括如下重量百分比的化学成分：C 0.20％～0.55％、Si 0.15％～0.35％、Mn 2.4％～2.9％、Cr0.5％～0.8％、Mo0.6％～0.8％、Ni 2.40％～2.80％、Cu 0.50％～0.80％、Nb0.025％～0.045％、Ti0.0015％～0.0035％、B 0.0010％～0.0035％、Al0.015％～0.035％、P≤0.010％、S≤0.010％、N≤0.0080％、O≤0.003％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

其中，

D＝28×Ni+17×Mo+16×Cu+23×Mn-14×Si×Mn+15×C-11×C×Mn，D≥140；

X＝4×Ni+1.2×Cr-2.5×Si+30×Cu+7×Nb+11×Ti-9×Ni×Cu-5×Mn，X≥0.5；

2.根据权利要求1所述的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，其特征在于，所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的金相组织为回火索氏体，晶粒尺寸为18～24μm。

3.根据权利要求1所述的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢，其特征在于，所述大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢阀体1/4厚度处的抗拉强度≥1100MPa、屈服强度≥970MPa、-40℃KV₂≥130J、A≥20％、Z≥72％；在压裂液环境中160MPa应力下的腐蚀速率≤0.002mm/h，应力腐蚀疲劳寿命≥400万次。

4.如权利要求1-3任意一项所述的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：

(1)阶梯淬火：将采油树阀体加热至900～940℃，保温，而后水冷；再加热至840～880℃，保温，而后水冷；

5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中，两次加热的升温速度均为50～110℃/h，保温时间均为t＝0.4～1.0×S，S为压裂泵阀体的壁厚，单位为mm，t单位为min。

6.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热的升温速度为50～110℃/h，保温时间为t1＝0.8～2.0×S，S为压裂泵阀体的壁度，单位为mm，t1单位为min。

7.根据权利要求6所述的热处理方法，其特征在于，回火工艺参数应符合Y＝T×(S/10+lgt1)/1000，34.2≤Y≤35.8。

8.如权利要求1-3任意一项所述的大马力长寿命耐腐蚀压裂泵阀体用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→圆坯连铸→圆坯加热→锻造成阀体→热处理→机加工→包装入库，其中所述热处理采用权利要求4-7任意一项所述的热处理方法进行。

9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，所述圆坯直径为Φ380mm～Φ700mm。

10.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于，所述机加工具体包括：阀体粗车→探伤→阀体精车→修磨→探伤。