CN109266816B - 一种石油钻杆转换接头及提高其横向冲击韧性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石油钻杆转换接头，按质量分数计，其组成成分分别为，C：0.33％‑0.36％、Si：0.15％‑0.35％、Mn：0.85％‑0.95％、P：≤0.013％、S：≤0.007％、Cr：0.95％‑1.10％、Mo：0.28‑0.33％、Ca：≤0.005％、V：0.03‑0.05％、Alt：0.015～0.040％，N：≤0.008％、O：＜0.0025％、H：＜0.0002％、Alt/N≥5、RE：0.0005‑0.002％，余量为Fe。同时还提供了提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性的方法，在正火工序通过合适的加热温度，提高成分的均匀性。加大冷却速度，降低先共析铁素体，细化铁素体晶粒尺寸。淬火工序中采用水淬提高材料有效淬透深度，防止淬火硬度低且不均，存在软点等不足。回火工序中在采用V、Al微合金化，可在较高回火温度下既提高了材料的韧塑性也能保证合适的强度指标。

Description

一种石油钻杆转换接头及提高其横向冲击韧性的方法
技术领域
本发明属于钢产品生产技术领域，具体涉及一种石油钻杆转换接头，同时还提供了提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性的方法。
背景技术
钻杆接头是连接钻杆的重要工具，采用的材质为SAE4137国内牌号接近于37CrMnMo。在石油钻采过程中承受钻具的交变拉应力和交变扭力。是石油钻杆的薄弱环节，80％以上的钻杆事故出现在这个位置，因材料力学性能不足造成的事故在其中占有相当比重。钻杆接头的失效形式有磨损、疲劳断裂、应力腐蚀等。因此接头用钢要求有高的强度、良好的疲劳抗力，良好的耐磨性及焊接性能。美国石油学会API标准所要求的接头机械性能为硬度285-321HBS、抗拉强度大于965MPa，屈服强度大于825MPa，延伸率大于13％为保证不同区域的使用性能，有的还要求面收缩大于54％，-20℃横向冲击功大于54J，纵向冲击功大于69J。根据使用状况及所受冲击载荷的不同，公接头只检验纵向冲击，母接头既检验纵向也检验横向冲击。按照美国石油学会要求以200个成品接头为一组，任取其中一个做破坏性实验，在母螺纹头部去除32mm处切取冲击试样。就当前生产使用现状来看，公接头的冲击功检验结果较为满意，但母接头的横向低温冲击功偏低，有相当数量不合格从而造成废品。
影响钢材冲击韧性的因素有材料的化学成分、热处理状态、冶炼方法、内在缺陷、加工工艺及环境温度。冲击功对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使冲击功值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。现有的工艺时常面临着横向冲击低于标准的情况。且硬度分布不均匀，部分位置出现软点。
基于以上分析，急需一种新工艺解决母接头横向低温冲击功偏低的问题，生产出低成本、高质量的产品。为此在保持现有冶炼、连铸、轧制比较成熟工艺的基础上，在化学成分和热处理方面找到合理有效的解决措施。
发明内容
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提供一种石油钻杆转换接头及提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性的方法，经过成分设计及热处理工艺的改进使横向冲击韧性满足标准要求。本专利的技术解决方案是：
一种石油钻杆转换接头，按质量分数计，其组成成分分别为，C：0.33％-0.36％、Si：0.15％-0.35％、Mn：0.85％-0.95％、P：≤0.013％、S：≤0.007％、Cr：0.95％-1.10％、Mo：0.28-0.33％、Ca：≤0.005％、V：0.03-0.05％、Alt：0.015～0.040％、N：≤0.008％、O：＜0.0025％、H：＜0.0002％、Alt/N≥5、RE：0.0005-0.002％，其中稀土元素组分为：67％的Ce和33％的La制成，余量为Fe。
根据本发明的另一方面，还提供了一种提高石油钻杆转换接头横向冲击韧性的方法，包括如下步骤，
步骤1：中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经四柱液压机冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用920-950℃保温150-200min，延长保温时间来提高成分的均匀性。出炉后空气冷却10-20s，加大冷却速度，以表面温度计实时测量，在800-650℃区间左右进行喷雾冷却，最后空冷防止裂纹产生，直到降至室温。
步骤2：正火后的毛坯由数控机床进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径。再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理。淬火加热温度860-880℃，保温100-120min，投入到水温为35℃-45℃的淬火水池中淬火，水冷10-15min，期间不断搅拌。
步骤3：淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温630-660℃，保温120-150min出炉空冷10-15min后，投入水槽中冷却至常温。
热处理后的成品经HBE-3000A型电子布氏硬度计测量外径四点硬度，以及在线超声波探伤及磁粉探伤后再经过螺纹表面镀铜防粘扣等处理后既完成整个成品连接套的生产工艺。
本技术方案优势如下：
1)通过对成分的调整，采用低碳含量，降低锰、铬元素含量，降低碳及合金元素的偏析程度。采用V、Al微合金化处理技术，强化基体组织，强化晶界强度，提高回火抗力，细化晶粒组织，控制晶粒度级别≥5级。在原有的喂CaSi丝变性处理的基础上，通过在钢中添加稀土元素进一步增强硫化物夹杂球化效果；将钢中非金属夹杂物A类、B类、C类和D类四类夹杂物级别总和控制在5级以下，同时也可净化晶界。
2)在正火工序通过合适的加热温度，延长保温时间来提高成分的均匀性。加大冷却速度，提高过冷度，降低先共析铁素体，使珠光体片间距变小，从而细化铁素体晶粒尺寸。
3)在淬火工序，采用水淬提高材料有效淬透深度，防止淬火硬度低且不均，存在软点等不足。
4)在回火工序，在采用V、Al微合金化提高基体强度的基础上，同时提高回火抗力，可在较高回火温度下既提高了材料的韧塑性也能保证合适的强度指标。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种石油钻杆转换接头，具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.35；Si：0.24；Mn：0.88；P：0.011％、S：0.003％、Cr：1.04％、Mo：0.31％、Ca：0.0019％、V：0.045％、Alt：0.025％、N：0.0036％、O：0.0018％、H：0.00012％、RE：0.0009％，余量为Fe。
待处理件为母接头，外径172mm，内径86mm，为提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性，具体热处理工艺如下：
1、正火工艺：
中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经四柱液压机冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用940℃保温180min，延长保温时间来提高成分的均匀性。出炉后空气冷却12s，以表面温度计实时测量，于790℃左右进行喷雾冷却，冷至640℃空冷防止裂纹产生，直到降至室温。
2、淬火工艺：
正火后的毛坯由数控机床进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径。再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理。淬火加热温度865℃，保温115min，投入到水温为42℃的淬火水池中淬火，水冷15min，期间不断搅拌。
3、回火工艺：
淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温640℃，保温140min出炉空冷10min后，投入水槽中冷却至常温。
4、最终结果：
在取样位置的外侧、中间、内侧的各做冲击试验，要求-20℃时KV2横向≥54J，纵向≥69J。其中纵向结果为112J、114J、110J，横向结果为98J、97J、102J。外径四点硬度为302HBW、299HBW、310HBW、303HBW(要求硬度值为HBW293-331)。
实施例2
本实施例提供了一种石油钻杆转换接头，具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.34；Si：0.27；Mn：0.89；P：0.010％、S：0.004％、Cr：1.06％、Mo：0.32％、Ca：0.0012％、V：0.040％、Alt：0.033％、N：0.0038％、O：0.0019％、H：0.00015％、RE：0.0011％,余量为Fe。
待处理件为公接头，外径172mm，内径78mm，为提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性，具体热处理工艺如下：
1、正火工艺：
中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经四柱液压机冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用935℃保温190min，延长保温时间来提高成分的均匀性。出炉后空气冷却15s，以表面温度计实时测量，于780℃左右进行喷雾冷却，冷至630℃空冷防止裂纹产生，直到降至室温。
2、淬火工艺：
正火后的毛坯由数控机床进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径。再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理。淬火加热温度870℃，保温110min，投入到水温为38℃的淬火水池中淬火，水冷12min，期间不断搅拌。
3、回火工艺：
淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温630℃，保温150min出炉空冷10min后，投入水槽中冷却至常温。
4、最终结果：
在取样位置的外侧、中间、内侧的各做冲击试验，要求-20℃时KV2横向≥54J，纵向≥69J。其中纵向结果为104J、106J、109J，横向结果为90J、96J、95J。外径四点硬度为318HBW、309HBW、315HBW、310HBW(要求硬度值为HBW293-331)。
实施例3：
本实施例中钻杆转换接头的具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.33；Si：0.35；Mn：0.85；P：0.013％、S：0.005％、Cr：0.95％、Mo：0.28％、Ca：0.0022％、V：0.03％、Alt：0.040％、N：0.008％、O：0.0014％、H：0.00015％、RE：0.0011％,余量为Fe。
待处理件为母接头，外径172mm，内径86mm，为提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性，本发明的具体热处理工艺如下：
1、正火工艺：
中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经四柱液压机冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用930℃保温175min，延长保温时间来提高成分的均匀性。出炉后空气冷却15s，以表面温度计实时测量，于790℃左右进行喷雾冷却，冷至660℃空冷防止裂纹产生，直到降至室温。
2、淬火工艺：
正火后的毛坯由数控机床进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径。再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理。淬火加热温度860℃，保温124min，投入到水温为40℃的淬火水池中淬火，水冷14min，期间不断搅拌。
3、回火工艺：
淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温645℃，保温142min出炉空冷13min后，投入水槽中冷却至常温。
4、最终结果：
在取样位置的外侧、中间、内侧的各做冲击试验，要求-20℃时KV2横向≥54J，纵向≥69J。其中纵向结果为106J、115J、108J，横向结果为95J、101J、96J。外径四点硬度为311HBW、299HBW、295HBW、305HBW(要求硬度值为HBW293-331)。
实施例4：
本实施例中钻杆转换接头的具体成分如下(质量分数，％)：
C：0.36；Si：0.15；Mn：0.95；P：0.012％、S：0.007％、Cr：1.10％、Mo：0.33％、Ca：0.005％、V：0.05％、Alt：0.015％、N：0.003％、O：0.00116％、H：0.00013％、RE：0.0013％,余量为Fe。
待处理件为公接头，外径172mm，内径78mm，为提高该石油钻杆转换接头横向冲击韧性，本发明的具体热处理工艺如下：
1、正火工艺：
中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经四柱液压机冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用925℃保温180min，延长保温时间来提高成分的均匀性。出炉后空气冷却17s，以表面温度计实时测量，于760℃左右进行喷雾冷却，冷至635℃空冷防止裂纹产生，直到降至室温。
2、淬火工艺：
正火后的毛坯由数控机床进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径。再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理。淬火加热温度870℃，保温115min，投入到水温为40℃的淬火水池中淬火，水冷11min，期间不断搅拌。
3、回火工艺：
淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温650℃，保温135min出炉空冷13min后，投入水槽中冷却至常温。
4、最终结果：
在取样位置的外侧、中间、内侧的各做冲击试验，要求-20℃时KV2横向≥54J，纵向≥69J。其中纵向结果为106J、114J、110J，横向结果为96J、105J、97J。外径四点硬度为311HBW、316HBW、308HBW、313HBW(要求硬度值为HBW293-331)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石油钻杆转换接头，其特征在于：按质量分数计，其组成成分分别为，C：0.33%-0.36%、Si：0.15%-0.35%、Mn：0.85%-0.95%、P：≤0.013%、S：≤0.007%、Cr：0.95%-1.10%、Mo：0.28%-0.33%、Ca：≤0.005%、V：0.03%-0.05%、Alt：0.015%～0.040%、N：≤0.008%、O：＜0.0025%、H：＜0.0002%、稀土元素RE：0.0005%-0.002%，余量为Fe；
提高石油钻杆转换接头横向冲击韧性的方法，包括如下步骤，
步骤1：中频感应加热后由带锯切割下料段，切割后的圆坯经冲压成型后进入辊底式加热炉进行正火处理，正火采用920-950℃保温150-200min，出炉后空气冷却10-20s，以表面温度计实时测量，在800-650℃进行喷雾冷却，最后空冷降至室温；
步骤2：正火后的毛坯进行表面及螺纹外套的粗加工并且机床钻孔打通内径，再经过螺纹的精加工冷滚成型后经井式淬火炉进行调质处理，淬火加热温度860-880℃，保温100-120min，投入到水温为35℃-45℃的淬火水池中淬火，水冷10-15min，期间不断搅拌；
步骤3：淬火后的石油钻杆接头静置1小时，然后置入回火炉中，炉温630-660℃，保温120-150min出炉空冷10-15min后，投入水槽中冷却至常温。
2.如权利要求1所述的一种石油钻杆转换接头，其特征在于：按质量分数计，其组成成分分别为，C：0.35%；Si：0.24%；Mn：0.88%；P：0.011%、S：0.003%、Cr：1.04%、Mo：0.31%、Ca：0.0019%、V：0.045%、Alt：0.025%、N：0.0036%、O：0.0018%、H：0.00012%、RE：0.0009%，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的一种石油钻杆转换接头，其特征在于：具按质量分数计，其组成成分分别为，C：0.34%；Si：0.27%；Mn：0.89%；P：0.010%、S：0.004%、Cr：1.06%、Mo：0.32%、Ca：0.0012%、V：0.040%、Alt：0.033%、N：0.0038%、O：0.0019%、H：0.00015%、RE：0.0011%，余量为Fe。
4.如权利要求1所述的一种石油钻杆转换接头，其特征在于：所述的稀土元素组分为67%的Ce和33%的La制成。
5.如权利要求1所述的一种石油钻杆转换接头，其特征在于：Alt/N≥5。
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