CN1690241A - 高强度石油钻杆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
高强度石油钻杆，其成分为(质量百分比)：C 0.20～0.30％、Si0.1～0.5％、Mn 0.7～1.5％、Cr 0.7～1.5％、Mo 0.1～0.4％、其余为Fe和不可避免的杂质；其制造方法为，将上述成分钢管管端加厚处理，制成加厚钻杆的管体；然后对钢管整体加热，再对加热后的钢管冷却处理，放在一个旋转淬火台架上，在钢管旋转的同时，进行内表面轴流喷水，外表面层流喷水冷却；通过控制钢管加厚端和管体不同的外喷水量，或减少管体处的外喷水量，或加大钻杆加厚端处的外喷水量，使得不同壁厚的管体和加厚端具有相同的冷却速度，以保证管体和加厚端具有相同的淬火组织，经回火后得到相同的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度石油钻杆及其制造方法，特别涉及生产S135以上钢级高强度石油钻杆。
背景技术
传统的生产石油钻杆的主要工艺过程是：将热轧无缝钢管两端按所需尺寸加厚，然后进行整体调质热处理，制成合格的钻杆管体。将热处理过的工具接头与钻杆管体经摩擦对焊连接后，再进行焊逢热处理，最后经适当机械加工制成石油钻杆。
对于钻杆管体而言，为了保证与工具接头对焊后的强度，必须对管端进行镦粗加厚再与工具接头焊接，钻杆钢级越高，加厚端就越厚。同时，管体在焊接工具接头前需进行整体热处理，以保证使用性能。但是，由于管体与加厚端的厚度存在较大差异，在相同的淬火介质和冷却速度，以及同一回火温度下，比管体厚得多的加厚端热处理后的性能有可能低于管体性能，从而影响到钻杆使用性能。为了解决这个问题，世界各国的钻杆制造商和研究者做了大量研究与改进，其主要研究方向是改善热处理工艺和设计新的钢种。
目前世界各国主要采用在油槽或水槽中对钻杆整体进行油淬或水淬的方法进行钻杆热处理。早期主要是油淬，由于油淬冷却速度比水淬慢，需要较高的合金含量，以及油污染问题，近年来各国已逐渐改为水淬。但是无论采用油槽还是水槽淬火，即使增加槽内的介质流动，也很难有效增加加厚端的冷却速度。对于目前最常用的直径为φ127mm，壁厚为9.19mm的S135钻杆而言，加厚端厚度一般大于30mm。由于加厚端厚度约为管体厚度的3倍，使得加厚端的冷却速度大大低于管体，因此加厚端的强度一般比管体低约50MPa左右，严重时甚至可以低100MPa以上。这是需要解决的问题。
就钻杆钢种而言，对于适合水淬热处理的钢种，为达到S135钢级的性能和使用要求，一般采用中低碳合金钢制造。表1列出了国外几个主要钻杆厂家生产的S135钢级钻杆成分。
表1
| 厂家 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Ti |
| 新日铁 | 0.28 | 0.20 | 1.52 | 0.27 | 0.44 | ||
| NKK | 0.28 | 0.25 | 1.55 | 0.26 | 0.42 | 0.054 | |
| Grant | 0.26 | 0.24 | 1.46 | 0.24 | 0.39 | 0.059 | |
| 住友 | 0.25 | 0.17 | 0.47 | 0.96 | 0.46 | 0.024 |
对钻杆钢种的设计来说，主要是要保证足够的淬透性和综合力学性能。C、Mn、Cr是提高材料淬硬性的主要元素，Mo、V是提高强韧性的主要元素。C、Mn、Cr复合加入，可以有效的提高钢的淬硬性。为保证钻杆加厚端淬透，应加入较高的C、Mn、Cr，但由于管体较薄，淬透性过高则容易淬裂，为此又应该适当降低淬透性。
为了既保证加厚端有一定的淬透性，又不使管体淬裂，一般采用中低碳MnMo系列或CrMo系列钢种制造钻杆，而不同时加入较高的Mn和Cr。在MnMo系列中，一般将Mn提到1.5％左右，而基本不加入Cr元素；在CrMo系列中，一般将Cr提到1％左右，而基本不加入Mn元素。这两种钢种系列都是以牺牲淬透性，保证管体不淬裂为代价的。
目前国内外生产石油钻杆的厂家均采用在水槽中对钻杆整体水淬热处理的方式进行淬火处理，由于水槽中的水温基本相同，冷却能力也基本相同。对于管端和管体壁厚相差较大的钻杆而言，管端越厚，管端相对于管体的冷却速度就越慢，淬火硬度就越低，经淬火回火的钻杆管端硬度总是低于管体。为提高管端的淬火硬度，需提高材料的淬透性，但当材料淬透性增加后，较薄的管体就有淬裂的可能。因此国际上通常采用淬透性适中的Cr-Mo钢或Mn-Mo钢制造高强度钻杆。
发明内容
本发明的目的在于提出高强度石油钻杆及其制造方法，既可以保证钻杆加厚端充分淬透，又不会使管体淬裂；经整体淬火回火后，管体和加厚端性能基本一致。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
高强度石油钻杆，其化学成分是(质量百分比)：
C： 0.20～0.30％
Si： 0.1～0.5％
Mn： 0.7～1.5％
Cr： 0.7～1.5％
Mo： 0.1～0.4％
其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的高强度石油钻杆还包含V和Ti的一种或两种，其中，V0.01～0.15％、Ti 0.01～0.05。
其中，C：0.20～0.30(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性。
Mn：0.7～1.5，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.7时作用不明显，含量大于1.5时，组织偏析倾向加重，影响热轧组织的均匀性。
Cr：0.7～1.5，Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性。
Mo：0.1～0.4：主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度，含量过高会降低钢的韧性。
V：0.01～0.15，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Ti：0.01～0.05，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
本发明的的高强度石油钻杆，有着较高的淬透性，可以保证30mm以上厚度的加厚端可以完全淬透。
本发明的高强度石油钻杆的制造方法，钢管成分(质量百分比)C0.20～0.30％、Si 0.1～0.5％、Mn 0.7～1.5％、Cr 0.7～1.5％、Mo 0.1～0.4％、其余为Fe和不可避免的杂质；将上述成分钢管管端加厚处理，制成加厚钻杆的管体；然后对钢管整体加热，再对加热后的钢管冷却处理，放在一个旋转淬火台架上，在钢管旋转的同时，进行内表面轴流喷水，外表面层流喷水冷却；与通常的钢管外表面层流冷却不同的是，沿钢管全长方向上的冷却水量可以调整；通过控制钢管加厚端和管体不同的外喷水量，或减少管体处的外喷水量，或加大钻杆加厚端处的外喷水量，使得不同壁厚的管体和加厚端具有相同的冷却速度，以保证管体和加厚端具有相同的淬火组织，经回火后得到相同的力学性能。
其中，管体加热温度为900～1000℃。
本发明的有益效果
本发明的高强度石油钻杆可以保证钻杆加厚端充分淬透，又不会使管体淬裂；经整体淬火回火后，管体和加厚端性能基本一致；而且采用本发明方法可以调整管体和加厚端有不同的冷却能力，通过提高材料的淬透性来保证加厚端充分淬火，为防止高淬透性的较薄管体淬裂，可以减少管体部分的冷却水量，降低管体的冷却速度，最终达到管体和管端具有相同的淬火硬度。
具体实施方式
本发明的高强度石油钻杆的实施例见表2。
本发明的制造方法为，将上述成分钢管管端加厚处理，制成加厚钻杆的管体；然后对钢管整体加热，加热温度960℃，再对加热后的钢管进行淬火冷却处理，淬火温度900℃，将钢管放在一个旋转淬火台架上，在钢管旋转的同时，进行内表面轴流喷水，外表面层流喷水冷却；沿钢管全长方向上的冷却水量调整，即通过控制钢管加厚端和管体不同的外喷水量，或减少管体处的外喷水量，或加大钻杆加厚端处的外喷水量，使得不同壁厚的管体和加厚端均以50℃/S左右的相同冷却速度冷却，以保证管体和加厚端具有相同的淬火组织，经630℃回火后得到相同的力学性能。
下面就常用的Cr-Mo钢、Mn-Mo钢和本发明的Cr-Mn-Mo钢的端淬硬度进行对比，其化学成分见表2，顶端淬火硬度见表3。
表2
| 编号 | 钢种 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V |
| 对比例1 | CrMoV | 0.27 | 0.21 | 0.58 | 1.04 | 0.29 | 0.07 |
| 对比例2 | MnCrV | 0.29 | 0.19 | 1.41 | 0.94 | / | 0.08 |
| 对比例3 | MnMoV | 0.31 | 0.26 | 1.45 | / | 0.20 | 0.08 |
| 实施例1 | MnCrMo | 0.29 | 0.30 | 0.78 | 1.13 | 0.29 | / |
| 实施例2 | MnCrMo | 0.28 | 0.25 | 1.42 | 0.76 | 0.30 | / |
| 实施例3 | MnCrMoV | 0.30 | 0.31 | 0.79 | 1.14 | 0.29 | 0.08 |
| 实施例4 | MnCrMoV | 0.29 | 0.20 | 1.42 | 0.77 | 0.29 | 0.08 |
| 实施例5 | MnCrMoV | 0.25 | 0.29 | 1.06 | 1.11 | 0.29 | 0.15 |
| 实施例6 | MnCrMoV | 0.27 | 0.33 | 1.48 | 1.46 | 0.29 | 0.08 |
表3顶端淬火硬度HRc
| 编号 | 距端面距离mm | ||||||||
| 1.5 | 5 | 9 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | |
| 对比例1 | 49.5 | 47.9 | 40.7 | 33.2 | 30.7 | 29.0 | 28.2 | 27.8 | 27.1 |
| 对比例2 | 51.7 | 49.7 | 45.7 | 38.2 | 34.2 | 33.1 | 31.8 | 31.2 | 31.6 |
| 对比例3 | 52.0 | 48.7 | 38.6 | 30.0 | 28.0 | 26.5 | 25.1 | 25.1 | 25.4 |
| 实施例1 | 51.0 | 49.9 | 49.0 | 44.3 | 39.2 | 37.3 | 35.8 | 33.6 | 32.8 |
| 实施例2 | 52.1 | 50.5 | 49.2 | 45.0 | 44.6 | 39.2 | 36.8 | 33.8 | 33.2 |
| 实施例3 | 52.5 | 51.0 | 49.9 | 45.3 | 40.0 | 39.2 | 37.3 | 35.9 | 35.3 |
| 实施例4 | 52.3 | 50.5 | 49.7 | 47.4 | 44.1 | 40.8 | 39.7 | 37.6 | 36.6 |
| 实施例5 | 49.2 | 48.0 | 47.4 | 42.5 | 38.9 | 36.5 | 35.5 | 34.3 | 34.2 |
| 实施例6 | 50.0 | 48.7 | 48.3 | 48.0 | 47.3 | 46.2 | 44.5 | 41.7 | 41.6 |
由表3可以看出，对比例的淬火深度大于10mm以后，淬火硬度很快降到40HRc以下，已经不能保证得到很好的淬火组织。而实施例的淬火深度在15mm以上时，淬火硬度仍保持在42HRc以上，可以满足淬火硬度要求。钻杆加厚端的厚度一般在30mm以上，钢管内外壁同时淬火冷却时，相当于淬火深度为15mm左右，此处实施例的淬火硬度均在42HRc以上，这样可以保证实施例的加厚端淬火回火后的性能。
表4
| 编号 | 钢种 | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 热处理工艺 | ||
| 管体 | 加厚端 | 管体 | 加厚端 | |||
| 对比例1 | CrMoV | 1023 | 715 | 1093 | 880 | 900℃淬火+630℃回火 |
| 实施例5 | MnCrMoV | 1058 | 1061 | 1125 | 1158 | 900℃淬火+630℃回火 |
| 实施例6 | MnCrMoV | 1095 | 1110 | 1145 | 1172 | 900℃淬火+630℃回火 |
表4为本发明淬火和回火后的管端及管体强度，从上述数据可见，本发明可以使管端和管体达到等强度，本发明的淬火硬度最高。
综上所述，本发明的高强度石油钻杆可以保证钻杆加厚端充分淬透，又不会使管体淬裂；经整体淬火回火后，管体和加厚端性能基本一致。
Claims (4)
1.高强度石油钻杆，其化学成分是(质量百分比)：
C： 0.20～0.30％
Si： 0.1～0.5％
Mn： 0.7～1.5％
Cr： 0.7～1.5％
Mo： 0.1～0.4％
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度石油钻杆，其特征是，还包含V和Ti的一种或两种，其中，V 0.01～0.15％、Ti 0.01～0.05。
3.高强度石油钻杆的制造方法，钢管成分(质量百分比)C0.20～0.30％、Si 0.1～0.5％、Mn 0.7～1.5％、Cr 0.7～1.5％、Mo 0.1～0.4％、其余为Fe和不可避免的杂质；将上述成分钢管管端加厚处理，制成加厚钻杆的管体；然后对钢管整体加热，再对加热后的钢管冷却处理，将钢管旋转的同时对钢管内表面进行轴流喷水冷却，外表面层流喷水冷却，通过控制钢管加厚端和管体不同的喷水量，使得不同壁厚的管体和加厚端具有相同的冷却速度，保证管体和加厚端具有相同的淬火组织；最后经回火，钢管管体和加厚端得到相同的力学性能。
4.如权利要求3所述的高强度石油钻杆的制造方法，其特征是，所述管体加热温度为900～1000℃。
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