CN114855084A - 一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢及其制备方法，钢材化学成分按质量百分比计包括：C 0.20‑0.30%，Si 0.15‑0.35%，Mn 0.45‑0.75%，Cr 1.10‑1.50%，Mo 0.60‑0.80%，Nb 0.020‑0.060%，P≤0.008%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括：电炉—LF精炼—VD真空脱气—高精度连铸—钢坯检查—加热炉控温加热—粗轧—平立交替高精连轧—冷床收集—成品检查。该钻杆接头钢强度和韧性高，抗硫化氢应力腐蚀性能好，适合酸性油气田开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗硫钻杆接头用热轧圆钢及其制备方法，尤其涉及一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢及其制备方法。
背景技术
随着我国高酸性气田的逐步开发和钻井技术的进步，抗腐蚀钻具用钢的需求越来越多。我国石油、天然气蕴藏量虽然丰富，但含有较高的H2S，以塔里木油气田为例，井中H2S含量高达12％，华北油田中含量更高。这些油、气井多数是深井和超深井，一般低合金钢钻井和金属构件在这样的环境中使用，会发生H2S应力腐蚀开裂，致使钻材和金属构件在远远低于屈服强度的情况下发生突然的脆断事故。因此研制更高钢级抗硫化氢应力腐蚀新钢种实为开发能源、充分利用油、气资源所亟待解决的课题。开发高钢级抗硫化氢应力腐蚀用钢不仅有非常好的社会经济效益，也有很好的市场前景。
120ksi钢级高强高韧抗硫化氢应力腐蚀开裂钻杆接头用热轧圆钢，属于高技术含量品种，夹杂物、超低P、S冶炼控制及圆钢组织均匀性控制，是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种具有高强度，高韧性，抗硫化氢应力腐蚀性能好，适合酸性油气田开发，性能稳定的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢；本发明的另一目的在于提供一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法。
技术方案：本发明所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分按质量百分比计包括：C 0.20％-0.30％，Si 0.15％-0.35％，Mn 0.45％-0.75％，Cr1.10％-1.50％，Mo 0.60％-0.80％，Nb 0.020％-0.060％，P≤0.008％，S≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，包括电炉冶炼—LF精炼—VD真空脱气—大方坯高精度连铸—钢坯检查—加热炉控温加热—粗轧—平立交替高精连轧—长尺冷床收集—成品检查；步骤如下：
采用电炉冶炼钢水，向炉内加入活性石灰并供氧，冶炼终点保证出钢氧位≤200ppm，C含量0.06％、出钢P含量为0.008％以内，加入钼铁合金、高碳洛铁合金等进行钢水合金化；
将电炉冶炼钢水通过偏心炉底出钢至LF精炼炉中精炼，向LF精炼炉中加入铝丝、高纯碳化硅进行脱氧；成分控制C 0.20％-0.30％，Si 0.15％-0.35％，Mn 0.45％-0.75％，Cr 1.10％-1.50％，Mo 0.60％-0.80％，Nb 0.020％-0.060％，P≤0.008％，S≤0.003％；
钢水成分和温度合格后，钢包炉吊运至VD真空脱气处理工位，进行真空处理；
将真空处理后的钢水吊运至连铸工位进行浇铸，采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，浇铸的大矩坯，其中心偏析和中心疏松均为1.0级以内，无缩孔、皮下裂纹等缺陷；
将大方坯置于加热炉中，在还原性气氛中加热，烟气残氧量3％以内；将开轧温度、中轧入口温度、终轧出口温度和上冷床温度分别设定为1060-1160、950-1000℃、850-900℃和700℃以下；将加热后的大矩坯经高压水除鳞后送入轧制工序，经过粗轧和精轧，轧制成品规格经输送辊输送至冷床，冷却后进行冷床收集；
轧制后的成品上冷床收集避风对冷、检查表面质量和尺寸公差，打包、标识、称重、挂牌、入库，即得120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢。
优选地，所述电炉冶炼钢水时的供氧量为30-60m3/吨。
优选地，所述精炼时间为35-120min。
优选地，所述真空处理时的真空度控制在1mbar以内。
优选地，所述真空处理时的真空保持时间12min-30min，破真空后软吹Ar气搅拌10min-25min
优选地，所述浇铸时控制过热度为10℃-50℃，拉速为0.45-0.55m/min。
优选地，所述加热炉加热段控制在1000-1280℃，均热段控制在1200-1280℃，保证钢坯断面温差小于30℃。
优选地，所述轧制工序中粗轧道次为6-8道次，精轧道次为8-10道次。
优选地，所述冷床收集时控制温度低于500℃。
本发明根据产线特点和产品特性，开发低碳Cr-Mo-Nb合金体系的成分设计，设计了120ksi钢级高强高韧抗硫化氢应力腐蚀开裂钻杆接头用热轧圆钢的冶金成分；
通过对硫化氢应力腐蚀机理的研究，采用电炉超低P、S冶炼工艺及夹杂物控制，实现钢中p≤0.008％，S≤0.003％，全系夹杂物小于0.5级；
通过对连铸坯拉速、电磁搅拌、二冷水冷却强度的研究，实现铸坯均质化控制；轧制过程通过粗、精连轧及缓冷机制实现热轧圆钢组织均匀控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)具有高强度，高韧性，抗硫化氢应力腐蚀性能好，适合酸性油气田开发的特性；钻杆接头经过合适的热处理工艺后，产品成功通过抗硫化氢应力腐蚀720h的性能检测；(2)经济效益显著，产品广泛应用于塔里木等国内外酸性油气田及超深井开采中，产生的社会经济效益不可估量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分见表1。
120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，包括如下步骤：100吨电炉—100吨LF精炼炉—100吨VD真空炉—320mm×480mm小方坯连铸—钢坯检查—三段连续推钢式加热炉控温加热—Φ850粗轧机轧制—中轧—精轧—冷床收集—检查—避风堆冷—圆钢棒材—接头加工—调质处理。
(1)冶炼过程
采用100吨电炉吹炼钢水，炉后加入合金、复合中铝等进行沉淀脱氧和合金化，出钢C含量0.07％、出钢P含量为0.006％；铝丸、高纯石墨碳材、高纯碳化硅加入时要少量、多批次加入；精炼时间40min-45min。成分控制详见表1。
VD真空脱气，LF精炼成分温度合格后，VD真空脱气，真空度0.8mbar-2.5mbar，真空保持时间12-30min，破真空后，加大包覆盖剂，软吹Ar搅拌10min-25min。静搅时渣面微动不见光。
将真空处理后的钢水，吊包到大方坯连铸机浇铸，四个流浇铸，在过热度为25℃、浇铸拉速为0.48m/min-0.57m/min，使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，浇铸断面为320mm×480mm的大矩坯。
(2)轧钢过程
将320mm×480mm的大矩坯装入步进式加热炉中，在还原性气氛中加热，烟气残氧量2.1％。加热炉加热段控制在1200℃，均热段控制在1230℃，钢坯断面温差25℃。
将加热后的320mm×480mm矩坯经高压水除鳞后送入轧制工序，轧制规格Φ110mm。粗轧开轧温度，1100℃，经过6道次粗轧后中精轧。中轧开轧温度980℃，终轧温度900℃，上冷床温度820℃；轧制后缓冷收集获得高级抗硫用热轧圆钢。
(3)产品加工
圆钢经模锻加工成钻杆接头，淬火加热温度940±20℃，在炉230±15分钟，使用淬火液冷却，回火加热温度630±20℃，在炉260±15分钟，出炉水冷至室温，获得调质后接头。
实施例2
一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分见表1。制备方法同实施例1。
实施例3
一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分见表1。制备方法同实施例1。
实施例4
一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分见表1。制备方法同实施例1。
实施例5
一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其化学成分见表1。制备方法同实施例1。
对比例
普通120ksi初级抗硫接头钢，其化学成分见表1。
表1化学成分wt％(余量为Fe以及除P、S以外其他不可避免的杂质)
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Nb | V |
| 实施例1 | 0.27 | 0.25 | 0.60 | 0.005 | 0.001 | 1.35 | 0.68 | 0.040 | / |
| 实施例2 | 0.30 | 0.22 | 0.75 | 0.007 | 0.003 | 1.16 | 0.80 | 0.060 | / |
| 实施例3 | 0.22 | 0.28 | 0.56 | 0.005 | 0.002 | 1.45 | 0.60 | 0.020 | / |
| 实施例4 | 0.25 | 0.30 | 0.47 | 0.008 | 0.001 | 1.48 | 0.78 | 0.035 | / |
| 实施例5 | 0.20 | 0.35 | 0.68 | 0.004 | 0.002 | 1.23 | 0.75 | 0.039 | / |
| 对比例 | 0.25 | 0.23 | 1.00 | 0.006 | 0.002 | 1.10 | 0.60 | 0.030 | 0.06 |
产品力学性能检测：实施例1-5调质接头对比同规格普通120ksi初级抗硫接头钢强度高，低温韧性高，断后延伸率和面缩率都有提高，详细对比见下表2。
表2实施例与对比例力学性能对比
产品抗硫化氢检测：通过A-NACE恒载荷拉伸试验法检测，使用A溶液模拟硫化氢腐蚀环境，检测该材料抗硫性能，该材料标准拉伸试样720h未发生开裂，抗硫性能优异，抗硫化氢应力腐蚀试验结果见表3。
表3抗硫化氢应力腐蚀试验结果
Claims (10)
1.一种120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢，其特征在于，其化学成分按质量百分比计包括：C 0.20%-0.30%，Si 0.15%-0.35%，Mn 0.45%-0.75%，Cr 1.10%-1.50%，Mo 0.60%-0.80%，Nb 0.020%-0.060%，P≤0.008%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，包括电炉冶炼—LF精炼—VD真空脱气—大方坯高精度连铸—钢坯检查—加热炉控温加热—粗轧—平立交替高精连轧—长尺冷床收集—成品检查；步骤如下：
采用电炉冶炼钢水，向炉内加入活性石灰并供氧，冶炼终点保证出钢氧位≤200ppm，C含量0.06%、出钢P含量为0.008%以内，加入钼铁合金、高碳洛铁合金等进行钢水合金化；
将电炉冶炼钢水通过偏心炉底出钢至LF精炼炉中精炼，向LF精炼炉中加入铝丝、高纯碳化硅进行脱氧；成分控制C 0.20%-0.30%，Si 0.15%-0.35%，Mn 0.45%-0.75%，Cr 1.10%-1.50%，Mo 0.60%-0.80%，Nb 0.020%-0.060%，P≤0.008%，S≤0.003%；
钢水成分和温度合格后，钢包炉吊运至VD真空脱气处理工位，进行真空处理；
将真空处理后的钢水吊运至连铸工位进行浇铸，采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，浇铸的大矩坯，其中心偏析和中心疏松均为1.0级以内，无缩孔、皮下裂纹等缺陷；
将大方坯置于加热炉中，在还原性气氛中加热，烟气残氧量3%以内；将开轧温度、中轧入口温度、终轧出口温度和上冷床温度分别设定为1060-1160、950-1000℃、850-900℃和700℃以下；将加热后的大矩坯经高压水除鳞后送入轧制工序，经过粗轧和精轧，轧制成品规格经输送辊输送至冷床，冷却后进行冷床收集；
轧制后的成品上冷床收集避风对冷、检查表面质量和尺寸公差，打包、标识、称重、挂牌、入库，即得120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢。
3.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述电炉冶炼钢水时的供氧量为30-60m3/吨。
4.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述精炼时间为35-120min。
5.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述真空处理时的真空度控制在1mbar以内。
6.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述真空处理时的真空保持时间12min-30min，破真空后软吹Ar气搅拌10min-25min。
7.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述浇铸时控制过热度为10℃-50℃，拉速为0.45-0.55m/min。
8.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述加热炉的加热段控制在1000-1280℃，均热段控制在1200-1280℃，保证钢坯断面温差小于30℃。
9.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述轧制工序中粗轧道次为6-8道次，精轧道次为8-10道次。
10.一种权利要求2所述的120ksi钢级高强高韧高级抗硫钻杆接头用热轧圆钢的制备方法，其特征在于，所述冷床收集时控制温度低于500℃。
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