CN102268614A - 耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法 - Google Patents

耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆，采用C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金作为主要强化元素，同时添加少量V、Nb等微合金元素。生产的钢管具有：常温屈服强度在1137～1241MPa之间；-20℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度9～10级。本发明的效果是在合金元素设计上采用优化成分配比保证屈服强度和冲击韧性，改善钢管的低温冲击韧性；在炼钢工艺上严格控制S、P、气体、五害残留元素；精炼后期VD真空脱气后再适当喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在92％以上，提高了钢铁的纯净度；热轧完成后采用特定的热处理工艺，既保证了钢管的淬火效果，又提高了材料的强度和低温冲击性能。

Description

耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种石油钻井用钻杆，特别是一种耐-20℃低温用的165ksi钢级钻杆及其制造方法。 
背景技术
随着石油工业的深入发展，地球上储存的石油资源越来越少，剩余的石油资源埋藏越来越深，工况环境越来越恶劣。例如在中国的新疆等地区，越来越多的深井、超深井相继被开发，有的油井开采深度已经达到8000米以上。在深层地下，容易出现地压变化、泥岩蠕变、疏松砂岩坍塌、地层岩石滑移、以及地震、地壳运动等等，使石油钻井用钻杆承受着深层高压和高温及自重等恶劣复杂的环境作用。因此，用于深井、超深井、地质复杂等开采难度大油田使用的钻井用钻杆为了保证其使用安全性，必须在保证钻杆具有超高屈服强度、抗拉强度的同时，还必须具有良好的韧性和塑性。此外，在寒冷地区施工的钻井用钻杆，还要求钻杆具有良好的低温韧性和低温抗冲击性能。这也是钻井用钻杆中公认的技术难度最大、要求最高的产品之一。 
钢铁的强韧化技术是低合金调质钢中最重要的研究课题。在低合金调质钢中，由于强度和韧性的矛盾关系：为了获得较高的强度，则必须降低回火温度或者缩短回火时间，材料的冲击韧性受到影响；而为了改善钢铁的冲击韧性，在调质热处理中必须提高回火温度或者延长回火时间，钢铁材料的屈服强度则会显著的降低。 
在当前，面对石油钻井发展的趋势，急需研发出一种既具有超高的屈服强度和抗拉强度，又能保证良好韧性和优良的低温冲击性能的钻杆，以满足苛刻环境中钻杆的使用安全。 
发明内容
鉴于上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法，以利于达到目的之一，常温下管材的屈服强度在1137～1241MPa之间；目的之二，-20℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；目的之三，洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度9～10级。 
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆，其中：该钢管组成以质量％计，含有C：0.25～0.29％，Si：0.21～0.29％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.95～1.15％，Mo：0.75～0.95％，Ni：0.55～0.75％，V：0.05～0.10％，Nb：0.03～0.07％，Ca≥0.0015％，Al：0.025～0.045％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.0025％，N≤0.008％，H≤0.0002％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.015％，其余为铁。 
同时还提供一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆的制造方法。 
本发明的效果是：该方法(1)在合金元素设计上采用优化成分配比保证屈服强度和冲击韧性，改善钢管的低温冲击韧性。(2)在炼钢工艺上严格控制S、P、气体、五害残留元素。(3)精炼后期VD真空脱气后再适当喂入铝丝，使得酸溶铝占全铝的比重保持在92％以上，提高了钢铁的纯净度；(4)喂入铝丝并搅拌8分钟以后再喂入CaSi丝，使得钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％；(5)浇注前保持12～18分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，然后上连铸平台进行浇注，弧形拉坯；(6)采用无缝管连轧工艺，控制轧制和冷却，提高热轧态钢管的组织和性能；(7)热轧完成后采用特定的热处理工艺，既保证了钢管的淬火效果，又提高了材料的强度和低温冲击性能。 
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明的耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法。 
本发明的耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆是这样实现的： 
耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆组分以质量％计，含有C：0.25～0.29％，Si：0.21～0.29％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.95～1.15％，Mo：0.75～0.95％，Ni：0.55～0.75％，V：0.05～0.10％，Nb：0.03～0.07％，Ca≥0.0015％，Al：0.025～0.045％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.0025％，N≤0.008％，H≤0.0002％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.015％，其余为铁。 
所述钻杆的性能指标是：常温屈服强度在1137～1241MPa之间；-20℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度9～10级。 
本发明的耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆及其制造方法，包括以下步骤： 
炼钢： 
(1)按C：0.25～0.29％，Si：0.21～0.29％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.95～1.15％，Mo：0.75～0.95％，Ni：0.55～0.75％，V：0.05～0.10％，Nb：0.03～0.07％，Ca≥0.0015％，Al：0.025～0.045％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.0025％，N≤0.008％，H≤0.0002％，P≤0.010％，S≤0.002％的组分采用优质废钢加上铁水或生铁冶炼，钢包中精炼后使As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害总含量≤0.015％； 
(2)精炼后采取60～80帕斯卡的真空VD脱气处理，脱气时间12～15分钟； 
(3)真空脱气后再喂入铝丝，调整铝丝喂入量和钢水镇定时间，使得酸溶铝占全铝的比重保持在92％以上； 
(4)喂入铝丝并搅拌8分钟以后再喂入CaSi丝，使得钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％； 
(5)浇注前保持12～18分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，然后钢包上连浇铸平台进行浇注，弧形拉坯； 
严格控制化学成分准确度和成分精度，减少主要合金成分的波动范围。现在介绍主要合金元素的作用： 
C：C在回火过程中为碳化物形成元素，在奥氏体淬火硬化时候是固溶强化元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高则会极大降低钢的韧性。在本发明中C的推荐含量在0.25％以上，0.29％以下。 
Si：Si是起脱氧剂作用的元素，但含量超过0.5％时降低钢的热塑性。在本发明中Si的含量在0.21％以上，0.29％以下。 
Mn：Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，太高则会增大钢中的残余奥氏体量，影响热轧组织的均匀性。 
Ni：Ni为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，同时改善钢的低温冲击韧性。本发明中，Ni的推荐含量在0.55～0.75％。 
Cr：Cr是提高钢的淬透性元素，提高钢的强度。含量太高则会降低钢的高温热塑性，给连铸和热轧造成困难。本发明中Cr是主要合金强化元素，推荐含量：0.95～1.15％。 
Mo：在低碳低合金钢中能提高钢的淬透性和淬硬性，并且是碳化物形成元素，在调质热处理后能显著提高钢的强度和韧性。在本发明中推荐含量：0.75～0.95％。 
V：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度、改善韧性和提高回火稳定性，本发明中V质量百分比在0.05～0.10％。 
Nb：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但降低钢的热塑性，影响热轧态钢管的表面质量，所以要限制使用量。 
Ti：能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性，但含量过多容易引起粗大的碳氮化钛的夹杂物，降低钢的韧性，所以要严格限制其含量。 
Al：较好的脱氧元素，但加入太多容易造成氧化铝夹杂，要尽量提高酸溶铝占全铝的比重，真空脱气后再适量喂Al丝。 
Ca：主要是促进夹杂物球化变性，真空脱气后再适量喂CaSi丝。 
B：晶界强化元素，含量过多则会增大钢的脆性，所以要严格控制其含量。 
轧管： 
(1)将浇注冷却后的钢坯加入环形炉加热，加热温度1150～1300℃，加热保温时间2.5～3.0小时； 
(2)钢坯出环形炉后穿孔连轧，穿孔温度1050～1100℃，穿孔后温度1200～1250℃，PQF三辊轧机开轧温度1050～1100℃，出脱管机温度1000～1050℃； 
(3)连轧管出脱管机后进入张力减径机，在870～930℃下定径成最终成品规格，出机架后再空冷至室温； 
钢管热处理： 
(1)轧制后的钢管进入步进式加热炉加热保温，加热炉温度设定在完全奥氏体化温度AC3以上15～20℃，钢管入炉后在炉内的保温时间为T1，采用下列公式计算： 
T1分钟＝25+3.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值； 
(2)钢管出炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、钢管旋转的方式水冷，控制水量和水温，确保钢管在25秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温； 
(3)经过淬火后的钢管进入步进式回火炉，回火炉第一阶段温度设置450℃～480℃，保温时间为T2，采用下列公式计算： 
T2分钟＝40+3.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值； 
回火炉第二阶段温度设置580℃～600℃，保温时间为T3，采用下列公式来计算： 
T3分钟＝60+4.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值； 
(4)钢管出回火炉后空冷至室温。然后再经过探伤，定尺，管端加工等工序，得到最终成品钻杆。 
表1～5为采用本发明方法生产的成品钻杆的主要合金成分、有害残留成分、力学性能以及微观组织的检测结果： 
表1主要合金成分 
  编号   C   Si   Mn   Ni   Cr   Mo   Al   V   Nb   Ca
  1#   0.25   0.21   0.45   0.55   0.95   0.75   0.029   0.05   0.03   0.0018
  2#   0.27   0.23   0.51   0.59   0.97   0.79   0.033   0.07   0.03   0.0022
  3#   0.27   0.26   0.56   0.64   1.01   0.82   0.027   0.08   0.05   0.0023
  4#   0.28   0.26   0.56   0.69   1.08   0.89   0.035   0.09   0.05   0.0019
  5#   0.29   0.29   0.60   0.75   1.15   0.95   0.043   0.10   0.07   0.0024
表2有害残留成分 
  编号   P   S   0   N   H   B   Ti   As+Sn+Pb+Sb+Bi
  1#   0.007   0.001   0.0022   0.0062   0.0001   0.0003   0.01   0.012
  2#   0.008   0.001   0.0016   0.0080   0.0001   0.0002   0.01   0.010
  3#   0.010   0.002   0.0025   0.0077   0.0002   0.0003   0.02   0.015
  4#   0.007   0.001   0.0018   0.0059   0.0001   0.0005   0.01   0.011
  5#   0.008   0.002   0.0011   0.0064   0.0001   0.0003   0.01   0.012
[0051] 表3力学性能及微观组织 
Figure BDA0000051238120000071
非金属夹杂物检验显示，该钻杆的钢质纯净度较高，A类和C类的夹杂物均没有，只有微量B类和D类细系的夹杂物，评级结果为0.5级，具体如表4所示。在-20℃温度条件下横向和纵向冲击断口剪切韧性面积均为100％，无脆性面积，低温冲击韧性优良，如表5所示。 
表4非金属夹杂物评级结果 
   A(级)   B(级)  C(级)   D(级)
  细系  0   0.5  0   0.5
  粗系  0   0  0   0
表5冲击断口评定(夏比V型，-20℃) 
    横向冲击断口   纵向冲击断口
  韧性面积   100％   100％
  脆性面积   0   0
[0058] 从表3～5可以看出，本发明方法生产的钻杆具有良好的强韧性匹配，常温屈服强度在1137～1241MPa之间；-20℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度细小，组织均匀，非金属夹杂物含量低，在保证钻杆具有超高屈服强度的同时，又能保证良好的韧性和优良的低温冲击性能。可以满足钻杆在深井，岩盐层，高硬度地层，以及寒冷地区的安全使用，具有广阔的市场推广前景。 

Claims (3)

1.一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆，其特征是：该钻杆组分以质量％计，含有C：0.25～0.29％，Si：0.21～0.29％，Mn：0.45～0.60％，Cr：0.95～1.15％，Mo：0.75～0.95％，Ni：0.55～0.75％，V：0.05～0.10％，Nb：0.03～0.07％，Ca≥0.0015％，Al：0.025～0.045％，Ti≤0.02％，B≤0.0005％，0≤0.0025％，N≤0.008％，H≤0.0002％，P≤0.010％，S≤0.002％，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的总含量≤0.015％，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的一种耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆，其特征是：所述钻杆的常温屈服强度在1137～1241MPa之间；-20℃温度条件下夏比V型横向冲击功70～90J，纵向冲击功100～120J；洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度9～10级。
3.按照权利要求1所述的耐-20℃低温用165ksi钢级钻杆的制造方法，该方法包括以下步骤：
炼钢：
(1)按权利要求1的组分采用优质废钢加上铁水或生铁，钢包中精炼后使As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害总含量≤0.015％；
(2)精炼后采取60～80帕斯卡的真空VD脱气处理，脱气时间12～15分钟；
(3)真空脱气后再喂入铝丝，调整铝丝喂入量和钢水镇定时间，使得酸溶铝占全铝的比重保持在92％以上；
(4)喂入铝丝并搅拌8分钟以后再喂入CaSi丝，使得钢液中Ca含量≥0.0015％，S含量≤0.002％；
(5)浇注前保持12～18分钟的镇定时间，促进夹杂物上浮，然后钢包上连浇铸平台进行浇注，弧形拉坯；
轧管：
(1)将浇注冷却后的钢坯加入环形炉加热，加热温度1150～1300℃，加热保温时间2.5～3.0小时；
(2)钢坯出环形炉后穿孔连轧，穿孔温度1050～1100℃，穿孔后温度1200～1250℃，PQF三辊轧机开轧温度1050～1100℃，出脱管机温度1000～1050℃；
(3)连轧管出脱管机后进入张力减径机，在870～930℃下定径成最终成品规格，出机架后再空冷至室温；
钢管热处理：
(1)轧制后的钢管进入步进式加热炉加热保温，加热炉温度设定在完全奥氏体化温度AC3以上15～20℃，钢管入炉后在炉内的保温时间为T1，采用下列公式计算：
T1分钟＝25+3.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值；
(2)钢管出炉后进行水淬处理，淬火方式采用外淋、内喷、钢管旋转的方式水冷，控制水量和水温，确保钢管在25秒钟之内从奥氏体状态冷却到室温；
(3)经过淬火后的钢管进入步进式回火炉，回火炉第一阶段温度设置450℃～480℃，保温时间为T2，采用下列公式计算：
T2分钟＝40+3.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值；
回火炉第二阶段温度设置580℃～600℃，保温时间为T3，采用下列公式来计算：
T3分钟＝60+4.5D，D为该钢管的壁厚以毫米为单位的数值；
(4)钢管出回火炉后空冷至室温。然后再经过探伤，定尺，管端加工等工序，得到最终成品钻杆。
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