CN105441816B - 一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法，属于石油开采器械领域。所述抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁。所述制造方法包括：将抽油杆用钢加工成型并进行锻造，再进行淬火和回火处理，再进行热校直，得到抽油杆的毛坯，对抽油杆的毛坯表面进行抛丸处理并加工螺纹，制成抽油杆。所述抽油杆用钢中通过向铁中添加适量的元素，使得抽油杆的抗腐蚀能力和强度均提高了，尤其是抵抗硫化氢和氯离子的腐蚀能力，从而延长了抽油杆的寿命，降低了石油开采的成本。所述制造方法采用氯化钠水溶液作为介质进行冷却，使得制备出的抽油杆淬火均匀，减少抽油杆的淬火裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采器械领域，特别涉及一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法。
背景技术
抽油杆是抽油机井的细长杆件，抽油杆由多个单根抽油杆通过螺纹连接而成，该抽油杆上接光杆，下接抽油泵起传递动力的作用，是石油开采活动中重要的消耗性材料之一。
在石油开采过程中，井液中一般存在硫化氢气体，而到了油田开发后期，需要向地层中注入盐酸酸液进行压裂酸化以提高产油量，这会造成原油中氯离子含量很高，而抽油杆工作在高温、湿硫化氢和氯离子腐蚀环境中，且抽油杆在工况下承受非对称循环载荷，使得抽油杆成为消耗性材料，为了最大的延长抽油杆寿命减少失效，采用在抽油杆表面喷涂防腐涂料或选用抗腐蚀材料制造抽油杆。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
为了延长抽油杆的寿命，使得抽油杆不仅需要具有较强的抗腐蚀性能，还需要具有备较高的强度，现有的抽油杆的材料不能使抽油杆同时具备抗腐蚀性能和高强度的性能，使得现有的抽油杆的寿命较短，从而增加了石油开采的成本。
发明内容
为了解决现有技术中抽油杆的材料不能使抽油杆同时具备抗腐蚀性能和高强度的性能的问题，本发明实施例提供了一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种抽油杆用钢，所述抽油杆用钢包括：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.28％～0.33％，硅的重量百分比为0.20％～0.40％，锰的重量百分比为1.10％～1.50％，铬的重量百分比为2.0％～2.5％，钼的重量百分比为0.15％～0.25％，铝的重量百分比为0.30％～0.70％，铜的重量百分比为1.0％～1.5％，磷的重量百分比≤0.020％，硫的重量百分比≤0.020％，镍的重量百分比≤0.030％，余量为铁。
具体地，碳的重量百分比为0.33％，硅的重量百分比为0.40％，锰的重量百分比为1.50％，铬的重量百分比为2.5％，钼的重量百分比为0.25％，铝的重量百分比为0.70％，铜的重量百分比为1.5％，磷的重量百分比为0.020％，硫的重量百分比为0.020％，镍的重量百分比为0.030％，余量为铁。
另一方面，本发明实施例提供了一种抽油杆的制造方法，所述方法包括：将抽油杆用钢加工成型并进行锻造，再进行淬火处理，所述淬火的温度为940±20℃，保温40～60分钟，所述淬火的介质为浓度为6～10％的氯化钠水溶液，再进行回火处理，所述回火的温度为640±20℃，保温60分钟，在温度300℃下进行热校直，得到抽油杆的毛坯，对所述抽油杆的毛坯的表面进行抛丸处理并加工螺纹，制成所述抽油杆。
所述抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.28％～0.33％，硅的重量百分比为0.20％～0.40％，锰的重量百分比为1.10％～1.50％，铬的重量百分比为2.0％～2.5％，钼的重量百分比为0.15％～0.25％，铝的重量百分比为0.30％～0.70％，铜的重量百分比为1.0％～1.5％，磷的重量百分比≤0.020％，硫的重量百分比≤0.020％，镍的重量百分比≤0.030％，余量为铁。
具体地，所述将抽油杆加工成型的方法包括：将所述抽油杆用钢放入电炉中进行初炼，在精炼炉中进行精炼，在连铸机中进行拉钢得到拉坯，对所述拉坯进行探伤检验，探伤检验合格后进行切定尺操作制成成型的所述抽油杆钢坯，将所述抽油杆钢坯轧制成圆钢。
具体地，所述锻造的方法包括在温度为1050℃下，将所述圆钢的两端镦粗，且锻造后的冷却介质为空气。
进一步地，所述氯化钠水溶液的浓度为8％。
具体地，所述回火的介质为空气。
具体地，所述抽油杆用钢的化学成分为：碳的重量百分比为0.33％，硅的重量百分比为0.40％，锰的重量百分比为1.50％，铬的重量百分比为2.5％，钼的重量百分比为0.25％，铝的重量百分比为0.70％，铜的重量百分比为1.5％，磷的重量百分比为0.020％，硫的重量百分比为0.020％，镍的重量百分比为0.030％，余量为铁。
具体地，所述初炼的温度为1540℃。
具体地，所述精炼的温度为1580℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的抽油杆用钢中添加适量的铜元素可提高抽油杆用钢对硫酸和盐酸中的氯离子的抗腐蚀性和对应力腐蚀的稳定性；若铝元素添加过高容易造成抽油杆用钢的热处理不稳定并影响钢的抗氯离子腐蚀性能，本发明添加适量的铝元素，能够显著提高抽油杆用钢的高温抗氧化性能，特别是能抵抗硫化氢的腐蚀作用，大幅提高了抽油杆用钢在硫化氢腐蚀环境下的使用系数，即许用应力，通过添加适量的铝元素可避免钢中高含量的铝元素易出现热处理不稳定并影响钢的抗氯离子腐蚀性能情况；添加高含量的铬元素可以提高钢的淬透性，在制备过程中使钢的组织均匀、晶粒细化，同时也能大幅提高钢的抗腐蚀性能；硫元素含量过高容易使钢材在热加工时产生硫的化合物(FeS-Fe共晶体)，降低钢的韧性，在抽油杆的锻造过程中造成裂纹，还会降低钢的抗腐蚀性能，磷元素含量过高容易在钢中易产生偏析，形成Fe3P，降低钢的韧性和塑性，使钢的疲劳强度降低，本发明添加低含量的硫元素和磷元素使得抽油杆用钢的韧性、抗腐蚀性能、塑性和疲劳强度均有提高；本发明添加低含量的碳元素可显著提高钢的强度；本发明添加高含量的锰元素可以显著提高钢的强度，而不降低钢的韧性，同时，本发明提供的抽油杆用钢中添加的铜元素能够与铝元素的配合，使得抽油杆的抗腐蚀能力和强度均得到提高，尤其是抵抗硫化氢和氯离子的腐蚀能力，本发明通过添加适量的元素，延长了抽油杆的寿命，降低了石油开采的成本。本发明提供的制造方法，采用氯化钠水溶液作为介质进行冷却，使得制备出的抽油杆淬火均匀，减少抽油杆的淬火裂纹。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法，该抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.30％，硅的重量百分比为0.25％，锰的重量百分比为1.20％，铬的重量百分比为2.1％，钼的重量百分比为0.20％，铝的重量百分比为0.40％，铜的重量百分比为1.1％，磷的重量百分比为0.019％，硫的重量百分比为0.015％，镍的重量百分比为0.020％，余量为铁。
该制造方法包括将抽油杆用钢放入电炉中进行初炼，初炼温度为1540℃，在精炼炉中进行精炼，精炼温度为1580℃，在连铸机中进行拉钢得到拉坯，对拉坯进行探伤检验，探伤检验合格后进行切定尺操作制成成型的抽油杆钢坯，将抽油杆钢坯轧制成圆钢(轧制采用常压下用连续棒材轧机在1180℃下将钢坯轧成圆钢)，将圆钢在1050℃下进行锻造，将圆钢的两端镦粗，且锻造后的冷却介质为空气，再进行淬火处理(淬火采用标准设备JL81-07电炉)，淬火的温度为940±20℃，保温40～60分钟，该淬火的介质为浓度为8％的氯化钠水溶液(盐水)，再进行回火处理(回火采用标准设备JL81-07电炉)，回火的温度为640±20℃，保温60分钟，该回火的介质为空气，在温度300℃下进行热校直(热校直采用现有的校直机)，得到抽油杆的毛坯，对抽油杆的毛坯表面进行抛丸处理并加工螺纹，得到第一抽油杆，其中，抛丸采用标准设备C393通过式抛丸清理机，螺纹加工采用标准设备C3163车床。
将第一抽油杆进行抗腐蚀性能和强度的检测，检测结果为：第一抽油杆的抗腐蚀性能指标为:在浓度为350ppm的硫化氢水溶液中，腐蚀速率≤0.3mm/a，在浓度为3％的氯化钠水溶液中，腐蚀速率≤0.1mm/a；第一抽油杆的力学性能指标为：抗拉强度≥975Mpa，屈服强度≥815MPa，断裂伸长率≥14％，断面收缩率≥50％，常温冲击功≥67J。
实施例二
本发明实施例提供了一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法，该抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.28％，硅的重量百分比为0.20％，锰的重量百分比为1.10％，铬的重量百分比为2.0％，钼的重量百分比为0.15％，铝的重量百分比为0.30％，铜的重量百分比为1.0％，余量为铁。
该制造方法包括将抽油杆用钢放入电炉中进行初炼，初炼温度为1540℃，在精炼炉中进行精炼，精炼温度为1580℃，在连铸机中进行拉钢得到拉坯，对拉坯进行探伤检验，探伤检验合格后进行切定尺操作制成成型的抽油杆钢坯，将抽油杆钢坯轧制成圆钢(轧制采用常压下用连续棒材轧机在1180℃下将钢坯轧成圆钢)，将圆钢在1050℃下进行锻造，将圆钢的两端镦粗，且锻造后的冷却介质为空气，再进行淬火处理(淬火采用标准设备JL81-07电炉)，淬火的温度为940±20℃，保温40～60分钟，该淬火的介质为浓度为6％的氯化钠水溶液，再进行回火处理(回火采用标准设备JL81-07电炉)，回火的温度为640±20℃，保温60分钟，该回火的介质为空气，在温度300℃下进行热校直(热校直采用现有的校直机)，得到抽油杆的毛坯，对抽油杆的毛坯表面进行抛丸处理并加工螺纹，得到第二抽油杆，其中，抛丸采用标准设备C393通过式抛丸清理机，螺纹加工采用标准设备C3163车床。
将第二抽油杆进行抗腐蚀性能和强度的检测，检测结果为：第二抽油杆抗腐蚀性能指标为:在浓度为350ppm的硫化氢水溶液中，腐蚀速率≤0.3mm/a，在浓度为3％的氯化钠水溶液中，腐蚀速率≤0.1mm/a；第二抽油杆的力学性能指标均为：抗拉强度≥975Mpa，屈服强度≥815MPa，断裂伸长率≥14％，断面收缩率≥50％，常温冲击功≥67J。
实施例三
本发明实施例提供了一种抽油杆用钢及抽油杆的制造方法，该抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.33％，硅的重量百分比为0.40％，锰的重量百分比为1.50％，铬的重量百分比为2.5％，钼的重量百分比为0.25％，铝的重量百分比为0.70％，铜的重量百分比为1.5％，磷的重量百分比为0.020％，硫的重量百分比为0.020％，镍的重量百分比为0.030％，余量为铁。
该制造方法包括将抽油杆用钢放入电炉中进行初炼，初炼温度为1540℃，在精炼炉中进行精炼，精炼温度为1580℃，在连铸机中进行拉钢得到拉坯，对拉坯进行探伤检验，探伤检验合格后进行切定尺操作制成成型的抽油杆钢坯，将抽油杆钢坯轧制成圆钢(轧制采用常压下用连续棒材轧机在1180℃下将钢坯轧成圆钢)，将圆钢在1050℃下进行锻造，将圆钢的两端镦粗，且锻造后的冷却介质为空气，再进行淬火处理(淬火采用标准设备JL81-07电炉)，淬火的温度为940±20℃，保温40～60分钟，该淬火的介质为浓度为10％的氯化钠水溶液，再进行回火处理(回火采用标准设备JL81-07电炉)，回火的温度为640±20℃，保温60分钟，该回火的介质为空气，在温度300℃下进行热校直(热校直采用现有的校直机)，得到抽油杆的毛坯，对抽油杆的毛坯表面进行抛丸处理并加工螺纹，得到第三抽油杆，其中，抛丸采用标准设备C393通过式抛丸清理机，螺纹加工采用标准设备C3163车床。
将第三抽油杆进行抗腐蚀性能和强度的检测，检测结果为：第三抽油杆的抗腐蚀性能指标为:在浓度为350ppm的硫化氢水溶液中，腐蚀速率≤0.2mm/a，在浓度为3％的氯化钠水溶液中，腐蚀速率≤0.05mm/a；第三抽油杆的力学性能指标均为：抗拉强度≥975Mpa，屈服强度≥815MPa，断裂伸长率≥14％，断面收缩率≥50％，常温冲击功≥67J。
本发明提供的抽油杆用钢中添加适量的铜元素可提高抽油杆用钢对硫酸和盐酸中的氯离子的抗腐蚀性和对应力腐蚀的稳定性；若铝元素添加过高容易造成抽油杆用钢的热处理不稳定并影响钢的抗氯离子腐蚀性能，本发明添加适量的铝元素，能够显著提高抽油杆用钢的高温抗氧化性能，特别是能抵抗硫化氢的腐蚀作用，大幅提高了抽油杆用钢在硫化氢腐蚀环境下的使用系数，即许用应力，通过添加适量的铝元素可避免钢中高含量的铝元素易出现热处理不稳定并影响钢的抗氯离子腐蚀性能情况；添加高含量的铬元素可以提高钢的淬透性，在制备过程中使钢的组织均匀、晶粒细化，同时也能大幅提高钢的抗腐蚀性能；硫元素含量过高容易使钢材在热加工时产生硫的化合物(FeS-Fe共晶体)，降低钢的韧性，在抽油杆的锻造过程中造成裂纹，还会降低钢的抗腐蚀性能，磷元素含量过高容易在钢中易产生偏析，形成Fe3P，降低钢的韧性和塑性，使钢的疲劳强度降低，本发明添加低含量的硫元素和磷元素使得抽油杆用钢的韧性、抗腐蚀性能、塑性和疲劳强度均有提高；本发明添加低含量的碳元素可显著提高钢的强度；本发明添加高含量的锰元素可以显著提高钢的强度，而不降低钢的韧性，同时，本发明提供的抽油杆用钢中添加的铜元素能够与铝元素的配合，使得抽油杆的抗腐蚀能力和强度均得到提高，尤其是抵抗硫化氢和氯离子的腐蚀能力，本发明通过添加适量的元素，延长了抽油杆的寿命，降低了石油开采的成本，同时，可以采用直径规格较小的抽油杆杆柱，从而降低了抽油机的悬点载荷，进而抽油泵的能耗降低了，此外，本发明提供的抽油杆用钢的原材料价格低廉进一步降低了石油开采的成本。本发明提供的制造方法，采用氯化钠水溶液作为介质进行冷却，使得制备出的抽油杆淬火均匀，减少抽油杆的淬火裂纹，同时提高了抽油杆的表面硬度和光洁度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)
1.一种抽油杆用钢，其特征在于，所述抽油杆用钢包括：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.28％～0.33％，硅的重量百分比为0.20％～0.40％，锰的重量百分比为1.10％～1.50％，铬的重量百分比为2.0％～2.5％，钼的重量百分比为0.15％～0.25％，铝的重量百分比为0.30％～0.70％，铜的重量百分比为1.0％～1.5％，磷的重量百分比≤0.020％，硫的重量百分比≤0.020％，镍的重量百分比≤0.030％，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的抽油杆用钢，其特征在于，碳的重量百分比为0.33％，硅的重量百分比为0.40％，锰的重量百分比为1.50％，铬的重量百分比为2.5％，钼的重量百分比为0.25％，铝的重量百分比为0.70％，铜的重量百分比为1.5％，磷的重量百分比为0.020％，硫的重量百分比为0.020％，镍的重量百分比为0.030％，余量为铁。
3.一种抽油杆的制造方法，其特征在于，所述方法包括：将抽油杆用钢加工成型并进行锻造，再进行淬火处理，所述淬火的温度为940±20℃，保温40～60分钟，所述淬火的介质为浓度为6～10％的氯化钠水溶液，再进行回火处理，所述回火的温度为640±20℃，保温60分钟，在温度300℃下进行热校直，得到抽油杆的毛坯，对所述抽油杆的毛坯表面进行抛丸处理并加工螺纹，制成所述抽油杆；
所述抽油杆用钢的化学成分为：碳、硅、锰、铬、钼、铝、铜、磷、硫、镍和铁，碳的重量百分比为0.28％～0.33％，硅的重量百分比为0.20％～0.40％，锰的重量百分比为1.10％～1.50％，铬的重量百分比为2.0％～2.5％，钼的重量百分比为0.15％～0.25％，铝的重量百分比为0.30％～0.70％，铜的重量百分比为1.0％～1.5％，磷的重量百分比≤0.020％，硫的重量百分比≤0.020％，镍的重量百分比≤0.030％，余量为铁。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将抽油杆加工成型的方法包括：将所述抽油杆用钢放入电炉中进行初炼，在精炼炉中进行精炼，在连铸机中进行拉钢得到拉坯，对所述拉坯进行探伤检验，探伤检验合格后进行切定尺操作制成抽油杆钢坯，将所述抽油杆钢坯轧制成圆钢。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锻造的方法包括在温度为1050℃下，将所述圆钢的两端镦粗，且锻造后的冷却介质为空气。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氯化钠水溶液的浓度为8％。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述回火的介质为空气。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述抽油杆用钢的化学成分为：碳的重量百分比为0.33％，硅的重量百分比为0.40％，锰的重量百分比为1.50％，铬的重量百分比为2.5％，钼的重量百分比为0.25％，铝的重量百分比为0.70％，铜的重量百分比为1.5％，磷的重量百分比为0.020％，硫的重量百分比为0.020％，镍的重量百分比为0.030％，余量为铁。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述初炼的温度为1540℃。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述精炼的温度为1580℃。
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