CN116479325A - 一种特超深井用130ksi高强度钻铤钢及其制造方法 - Google Patents

一种特超深井用130ksi高强度钻铤钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢及其制造方法，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.40～0.50％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Cr：1.10～1.50％，S：≤0.003％，P≤0.010％，Ni：0.20～0.40％，Cu：≤0.25％，Mo：0.40～0.70％，V：0.02～0.07％，Nb：0.010～0.050％，Ca≤0.0015％，As≤0.02％，Sn≤0.02％，Sb≤0.005％，O≤0.0015％，H≤0.0001％，N≤0.007％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢材经过正火+调质处理后，二分之一半径的Rp0.2＝130‑155KSI、Rm≥145KSI、KV(70℉)≥40ft‑lbs、KV(‑4℉)≥35ft‑lbs；沿钢棒径向：表面下1/4英寸、1英寸、半径二分之一处硬度均≥30HRC(各点硬度差≤6HRC)，表面1/8英寸硬度＝302‑352HBW。可以满足特超深井钻采中130KSI钢级高强度钻铤使用。

Description

一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢及其制造方法
技术领域
本发明属于特种钢冶炼领域，具体涉及一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢及其制造方法。
背景技术
石油被誉为工业的血液，随着钻探技术的发展，带来了石油开采量的提升，但是随着各国油气开采强度日益增大，地下浅、中层油气资源迅速减少，地下深层油气资源和深海油气资源开采成为解决未来世界能源供应的重要途径，要想获得地下深层油气资源，超深井、特超深井的钻采设备至关重要，为此用于地下油气资源勘探和开采的钻机设备中钻铤的性能尤为重要。
传统钻铤材料使用的是GB/T 3077《合金结构钢》标准中的40CrMnMoA钢，此材料经淬火+高温回火调质处理后，只能满足钻井深度在6000米以下油气资源开采环境中。但是对于钻井深度在6000-9000米的超深井及9000米以上深度的特超深井油气开采环境中，无论钢的强度及低温环境下的韧性均无法满足极端油气开采环境钻铤的服役要求，且由于钢的热处理淬透性不足，导致7英寸以上大规格钻铤二分之一半径的强度、韧性完全不达标，最终产生钻铤早期失效，从而引起钻井断裂事故。
本发明提出一种新的特超深井用130KSI高强度耐低温钻铤钢及其生产制造方法，钢的最大直径为11英寸，其加工的钻铤可以应用于万米以上特超深井的钻机开采中，在具有较高强、硬度的同时，也有很高的低温韧性，且钢的性能均匀性好，保证了钻铤服役过程的使用性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢及其制造方法，具有较高强、硬度的同时，也有很高的低温韧性，且钢的性能均匀性好，保证了钻铤服役过程的使用性能。
本发明钢材按ASTM E45标准A法检验非金属夹杂物，要求见下表1：
表1钢的非金属夹杂物要求
A粗、细系 B粗、细系 C粗、细系 D粗、细系
≤1.5 ≤1.5 ≤0 ≤1.0
本发明钢材按ASTM E381标准检验低倍组织，要求S、R、C均≤2.0级。
本发明调质处理钢材，拉伸、冲击性能径向取样位置为棒材表面下二分之一半径处，硬度取样位置为沿径向棒材表面下1/8英寸、1/4英寸、1英寸、半径二分之一处，各项检测结果均需符合表2要求。
表2钢的力学性能要求
注：表2各部位按照四象限检测硬度(如图1)，每象限同一径向位置报三点硬度值的平均结果。
本发明的钢材应100％超声波探伤检查，按照API Spec7-1标准，探伤方法按ASTME587标准(采用φ1.2mm横通孔)执行。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢，化学成分按质量百分比计为C：0.40～0.50％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Cr：1.10～1.50％，S：≤0.003％，P：≤0.010％，Ni：0.20～0.40％，Cu：≤0.25％，Mo：0.40～0.70％，V：0.02～0.07％，Nb：0.010～0.050％，Ca≤0.0015％，As≤0.02％，Sn≤0.02％，Sb≤0.005％，O≤0.0015％，H≤0.0001％，N≤0.007％，余量为Fe及不可避免的杂质。
以下对本发明中所含元素组分的作用及用量选择作具体说明：
1)C含量的确定
C是保证钢的硬度及强度主要元素，对钢的淬透性也有显著提高作用，但钢中过高的C含量会降低材料的塑性及低温韧性。为了达到较高的强度以及高韧性要求，本发明采用中碳钢，控制其含量为0.40～0.50％。
2)Si含量的确定
Si是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的硬度、强度。Si含量低于0.10％时，钢的脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制为0.15～0.40％。
3)Mn含量的确定
Mn是提高钢的淬透性元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失，在本发明中也起到与S形成长条状MnS夹杂，提高切削性作用。但Mn易促进有害元素P、Sn、Sb等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂。本发明Mn含量控制在1.10～1.50％。
4)Cr含量的确定
Cr是提高淬透性、增加回火稳定性而有助于钢的硬度、强度提高的元素，此外钢中添加适量的Cr可以保证钢达到所需的硬度和强度，也能够显著提高钢的抗氧化和耐腐蚀性能，减少石油开采环境工作时含Cl-离子液体和浆体的腐蚀，延长其使用寿命。但若添加过量，则降低钢材的韧性，本发明控制其含量的范围为1.10～1.50％。
5)Mo含量的确定
Mo显著提高钢的淬透性以使钢在淬火时易形成马氏体，并能使钢的晶粒细化，提高热强性能，同时可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。在合金结构钢中添加一定量的Mo会提高其硬度和强度而不会恶化其低温冲击性能。但Mo是贵重金属，含量过高会增加成本，本发明中Mo的含量控制在0.40～0.70％。
6)Ni含量的确定
Ni是提高钢的淬透性并显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度有良好的影响。但Ni也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明控制其含量在0.20～0.40％，有利于达到最优的性价比。
7)V含量的确定
V是细化晶粒的元素，也是使V(C，N)弥散析出而显著提高钢的硬度和强度的元素。但若添加量过高，则降低材料的韧性，本发明控制其含量在0.02～0.07％。
8)Nb含量的确定
Nb是一种轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为大规格钢棒在淬火、回火处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C含量限制及加热温度的影响，过高的Nb无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本。本发明控制其含量在0.01～0.05％。
9)Cu含量的确定
Cu因熔点较低并且在钢中溶解度小，易在凝固后期以单质的形式聚集于晶界，降低晶界强度，产生铜脆现象，恶化钢材的表面质量，本发明中作为有害残余元素严格控制Cu含量为≤0.25％。
10)Ca含量的确定
Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。同时结合冶炼成本控制。本发明Ca含量范围确定为≤0.0015％。
12)H、O含量的确定
氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命；H含量方面因氢导致的延迟断裂对高强度钢特别敏感，因此在冶炼过程中需要加强真空脱气控制。本发明最终保证H≤0.0001％，O≤0.0015％。
13)N含量的确定
N是钢中对韧性有害的杂质元素，为了得到优良的低温韧性，本发明控制其含量≤0.007％。
14)P、S含量的确定
P、S为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢棒的韧性带来不利的影响，应尽量减少其含量。本发明控制P≤0.010％、S≤0.003％。
15)As、Sn、Sb含量的确定
As、Sn、Sb为低熔点杂质元素，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素。本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.02％，Sn≤0.02％，Sb≤0.005％。
如上所述的一种高强度耐低温钻铤用钢制造流程为：KR铁水预处理—BOF炉初炼—LF炉外精炼—RH真空脱气—CCM连铸—CR连轧—缓冷—正火+调质处理—精整、探伤—检测、入库，其通过以下工艺制造过程实现：
按所述钢棒的化学组成配制冶炼原料，依次经KR铁水预处理、BOF炉冶炼、LF炉外精炼、RH炉真空脱气和连铸，生产出高纯净度钢水的Ф600、Ф700mm直径具有轻微低倍中心疏松及缩孔、无中心裂纹及中间裂纹、无中心偏析的连铸坯(钢棒夹杂物：A、B类粗系＝0级，A、B类细系≤0.5级；C类粗、细系＝0级；D类粗、细系≤0.5级；铸坯低倍组织：中间裂纹、中心裂纹及中心偏析：0级，中心疏松：0.5～1.0级，缩孔0～0.5级)。经RH处理之后钢水中H含量保证≤0.0001％。
连铸完成后对连铸坯500℃以上热送至轧钢加热炉加热至1160～1260℃，总加热时间12～15小时，使钢中合金元素充分固溶，发挥其强韧化作用，保证最终产品的成分及性能。铸坯轧制前先进行高压水除鳞处理，然后进行两阶段轧制：第一阶段轧制为粗轧，开轧温度1100～1150℃，总压缩率保证≥60％，采用强压下轧制，最大单道次压下量为100mm，变形量≥23％，以保证连铸坯心部缺陷被充分弥合从而使大直径钢棒在1/2半径处性能得到保证。第二阶段轧制为精轧，开轧温度930～980℃，总压缩率≥30％，轧至低倍组织质量较好的(S、R、C均≤1.0级)钢棒，轧制冷却后钢棒矫直处理。
矫直后的热轧钢棒需正火+调质处理。所有热处理使用连续式辊底炉加热，正火加热温度870～920℃，淬火加热温度：850～900℃，保温时间：(1.8～2.0min/mm)×钢棒直径(mm)，正火采用风冷，淬火使用淬火机水淬；淬火机辊道速度≤250mm/min，水流量25±5m3/h，高压水压8±0.5bar，淬火时须将钢棒水淬至表面温度不大于100℃后空冷至室温。回火加热温度：560～630℃，保温时间：(2.8～3.5min/mm)×钢棒直径(mm)，出炉后空冷至室温。
本发明针对钻井深度在万米以上特超深井钻铤工具用130KSI钢级大直径钢棒需求，使用优化的化学成分、高的钢水纯净度、优化的连铸工艺生产高质量(低的一般疏松和缩孔，无中心及中间裂纹，无中心偏析)的600mm、700mm连铸圆坯为轧制坯料，采取大压下工艺控制轧制，并正火+调质处理方法制造出满足这一要求的最大直径279.4mm钢棒。最终钢棒径向二分之一半径部位金相组织为回火索氏体。
将热处理结束的棒材经后续精整、探伤，得到的棒材产品满足API Spec7-1探伤标准，其探伤方法按ASTM E587标准(采用φ1.2mm横通孔)执行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)不同于传统40CrMnMoA合结钢，化学成分进行了优化，并加入了V、Nb元素，从而钢的淬透性，强度、硬度及韧性等明显提高且性能均匀性好。
2)本发明制造的大直径高强度耐低温钢棒使用连铸坯作为坯料连轧制造，较使用模铸钢锭作为坯料锻造生产简化了生产工艺，同时，也提高了钢棒的成材率，降低了钢棒的制造成本，在工业化生产时具有明显的竞争优势。
3)传统的40CrMnMoA合结钢强度低、韧性差，不能满足本发明的130KSI钢级高强度耐低温钻铤钢要求的力学性能：二分之一半径的Rp0.2＝130-155KSI、Rm≥145KSI、KV(70℉)≥40ft-lbs、KV(-4℉)≥35ft-lbs；沿钢棒径向：表面下1/4英寸、1英寸、半径二分之一处硬度均≥30HRC(各点硬度差≤6HRC)，表面1/8英寸硬度＝302-352HBW。
附图说明：
图1为钢棒横截面硬度检验位置示意图。
图2为本发明实施例1所涉及钢棒的低倍组织；
图3为本发明实施例2所涉及钢棒的低倍组织；
图4为本发明实施例1所涉及钢棒1/2半径处的显微组织；
图5为本发明实施例2所涉及钢棒1/2半径处的显微组织。
具体实施方式
下面结合实例对本发明内容作进一步说明。
实施例1-2对本发明高强度耐低温钻铤钢的化学成分和制造方法分别举例，并于普通的40CrMnMoA钢对比。
各实施例的化学成分(wt％)参见表3。
表3
实施例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Nb
1 0.44 0.24 1.16 0.007 0.002 1.21 0.42 0.22 0.02 0.0195
2 0.45 0.28 1.23 0.008 0.001 1.24 0.45 0.24 0.07 0.0217
40CrMnMoA 0.41 0.25 0.91 0.012 0.003 1.13 0.23 0.03 0.02 0.001
表3续
各实施例钢材的夹杂物见表4。
表4
各实施例的机械性能对比见表5。
表4
各实施例的高强度耐低温钻铤用钢制造流程为：KR铁水预处理—BOF炉初炼—LF炉外精炼—RH真空脱气—CCM连铸—CR连轧—缓冷—正火+调质处理—精整、探伤—检测、入库。
具体的冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。连铸过热度控制在15～35℃之内，实施例1采用Ф600mm圆坯，连铸拉速控制0.20～0.40m/min，实施例2采用Ф700mm圆坯，连铸拉速控制0.15～0.35m/min。连铸完成后连铸坯500℃以上热送至轧钢加热炉加热至1160～1260℃，总加热时间12～15小时，使钢中合金元素充分固溶，发挥其强韧化作用，保证最终产品的成分及性能。
实施例1轧制最大直径Ф10英寸棒材，实施例2轧制最大直径Ф11英寸棒材，铸坯轧制分两阶段轧制：第一阶段轧制为粗轧，开轧温度1100～1150℃，总压缩率保证≥60％，采用强压下轧制，最大单道次压下量为100mm，变形量≥23％，以保证连铸坯心部缺陷被充分弥合从而使大直径钢棒在1/2半径处性能得到保证。第二阶段轧制为精轧，开轧温度在930～980℃，总压缩率≥30％。
热轧钢棒进行正火+调质处理即获得成品调质钢棒。所有热处理使用连续式辊底炉加热，正火加热温度870～920℃，淬火加热温度：850～900℃，保温时间：(1.8～2.0min/mm)×钢棒直径(mm)，正火采用风冷，淬火使用淬火机水淬；淬火机辊道速度≤250mm/min，水流量25±5m3/h，高压水压8±0.5bar，淬火时须将钢棒水淬至表面温度不大于100℃后空冷至室温。回火加热温度：560～630℃，保温时间：(2.8～
3.5min/mm)×钢棒直径()，出炉后空冷至室温。
由表3、4、5可知，本发明以上各实施例中的一种耐低温高强度钻铤用钢与传统的40CrMnMoA合结钢相比，通过元素成分优化及生产制造工艺的处理。经同样的正火+调质工艺处理后，本发明的屈服强度、抗拉强度、低温冲击和硬度显著优于传统的40CrMnMoA合结钢，二分之一半径的Rp0.2＝130-155KSI、Rm≥145KSI、KV(70℉)≥40ft-lbs、KV(-4℉)≥35ft-lbs；沿钢棒径向：表面下1/4英寸、1英寸、半径二分之一处硬度均≥30HRC(各点硬度差≤6HRC)，表面1/8英寸硬度＝302-352HBW。可以满足特超深井钻采中130KSI钢级高强度钻铤使用。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢，其特征在于：该钢的化学成分按质量百分比计为C：0.40～0.50％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.10～1.50％，Cr：1.10～1.50％，S：≤0.003％，P：≤0.010％，Ni：0.20～0.40％，Cu：≤0.25％，Mo：0.40～0.70％，V：0.02～0.07％，Nb：0.010～0.050％，Ca≤0.0015％，As≤0.02％，Sn≤0.02％，Sb≤0.005％，O≤0.0015％，H≤0.0001％，N≤0.007％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢，其特征在于：所述钢的夹杂物满足：A、B类粗系＝0级，A、B类细系≤0.5级；C类粗、细系＝0级；D类粗、细系≤0.5级；铸坯低倍组织：中间裂纹、中心裂纹及中心偏析：0级，中心疏松：0.5～1.0级，缩孔0～0.5级。
3.根据权利要求1所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢，其特征在于：所述钢经过正火+调质处理后，二分之一半径的Rp0.2＝130-155KSI、Rm≥145KSI、KV(70℉)≥40ft-lbs、KV(-4℉)≥35ft-lbs；沿钢棒径向：表面下1/4英寸、1英寸、半径二分之一处硬度均≥30HRC(各点硬度差≤6HRC)，表面1/8英寸硬度＝302-352HBW。
4.根据权利要求1所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢，其特征在于：所述钢的径向二分之一半径部位金相组织为回火索氏体，最大直径为279.4mm。
5.一种如权利要求1所述的特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：所述钻铤钢的制造流程为：KR铁水预处理—BOF炉初炼—LF炉外精炼—RH真空脱气—CCM连铸—CR连轧—缓冷—正火+调质处理—精整、探伤—检测、入库。
6.根据权利要求5所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)按所述钢的化学组成配制冶炼原料，依次经KR铁水预处理、BOF炉冶炼、LF炉外精炼、RH炉真空脱气和连铸，生产出高纯净度钢水的Ф600、Ф700mm直径具有轻微低倍中心疏松及缩孔、无中心裂纹及中间裂纹、无中心偏析的连铸坯；
2)连铸完成后对连铸坯500℃以上热送至轧钢加热炉加热至1160～1260℃，总加热时间12～15小时；
3)铸坯轧制前先进行高压水除鳞处理，然后进行两阶段轧制，轧制冷却后钢棒矫直处理；
4)矫直后的热轧钢棒进行正火+调质处理，出炉后空冷至室温；
5)将热处理结束的棒材经后续精整、探伤，得到的棒材产品满足APISpec7-1探伤标准。
7.根据权利要求6所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：第一阶段轧制为粗轧，开轧温度1100～1150℃，总压缩率保证≥60％，第二阶段轧制为精轧，开轧温度930～980℃，总压缩率≥30％，轧至低倍组织质量较好的钢棒，S、R、C均≤1.0级。
8.根据权利要求7所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：粗轧阶段采用强压下轧制，最大单道次压下量为100mm，变形量≥23％。
9.根据权利要求6所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：热处理使用连续式辊底炉加热，正火加热温度870～920℃，淬火加热温度850～900℃，保温时间：(1.8～2.0min/mm)×钢棒直径(mm)，回火加热温度：560～630℃，保温时间：(2.8～3.5min/mm)×钢棒直径(mm)。
10.根据权利要求9所述的一种特超深井用130KSI高强度钻铤钢的制造方法，其特征在于：正火采用风冷，淬火使用淬火机水淬；淬火机辊道速度≤250mm/min，水流量25±5m3/h，高压水压8±0.5bar，淬火时将钢棒水淬至表面温度不大于100℃后空冷至室温。
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