專利名稱：抗硫化氫腐蝕石油鉆桿用鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿用鋼，特別是涉及屈服強度達 120ksi(827MPa)以上的抗硫化氫腐蝕石油鉆桿管體用鋼及其制造方法。采用本發明的鋼種和生產工藝，可以生產出屈服強度達120ksi(827MPa)以上鋼級的高強度抗硫化氫腐蝕石油鉆桿。
背景技術：
傳統的生產抗硫鉆桿的主要工藝過程是將熱軋無縫鋼管兩端按所需尺寸加厚， 然后進行整體調質熱處理，制成合格的鉆桿管體。將熱處理過的工具接頭與鉆桿管體經摩擦對焊連接后，再進行焊逢熱處理，最后經適當機械加工制成石油鉆桿。目前世界各國能夠生產的抗硫鉆桿最高鋼級為105ksi (最小屈服強度大于 724MPa)，與之配套的工具接頭鋼級為IlOksi (最小屈服強度大于758MPa)，還沒有能夠生產出屈服強度為120ksi鋼級(最小屈服強度大于827MPa)的抗硫鉆桿。生產屈服強度在120ksi以上鋼級抗硫鉆桿存在如下主要技術問題是就抗硫鉆桿管體鋼種而言，對于適合水淬熱處理的鋼種，為達到120ksi以上鋼級的性能和使用要求，主要是要保證足夠的強度和抗硫性能。C、Mn、Cr、B是提高材料淬硬性的主要元素，可以有效的提高鋼的淬硬性。同時，為了提高材料的韌性，在C、Mn、Cr、Mo鋼中復合加入Nb、V、 Ti等能提高強韌性的微合金元素。通過以上元素的合理搭配和熱處理，基本上可以得到所要求的材料強度。但是如何在高強度的條件下得到滿足要求的高抗硫性能，目前還沒有很好解決。這是因為隨著材料強度的提高，材料中的內應力增大，材料的硫化物應力腐蝕敏感性增加，抗硫性能有所降低。就抗硫鉆桿的工具接頭鋼種而言，如果采用與管體相同鋼級的成分設計，由于接頭的壁厚比管體厚的多，因此熱處理淬火后的馬氏體量比管體要少，接頭的抗硫性能會有較大的降低，基本不能通過最低要求的抗硫性能試驗評估。
發明內容
本發明的目的是提出一種適合制造120ksi以上鋼級抗硫鉆桿管體材料的鋼種成分和制造工藝，重點是在加入必須的合金元素，保證抗硫鉆桿強度的同時，通過冶煉工藝， 降低非金屬夾雜物含量，保證鉆桿管體在高強度條件下具有優異的抗硫性能。同時配以具有很好抗硫性能的IlOksi鋼級工具接頭，經摩擦對焊和焊后熱處理制成高強度抗硫鉆桿。為了實現上述目的，本發明的鉆桿管體采用以下成分的無縫鋼管(重量百分比) C 0. 20 0. 35%, Si 0. 1 0. 5%,Mn :0. 3 1. 5%, Cr :0. 5 1. 5%,Mo :1. 0 2. 5%, V :0 0. 25%，Ti :0 0. 05%，Nb :0. 01 0. 05%，Ca :0. 008 0. 02%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%, 0 ^ 30ppm, N ^ 60ppm, Al :0. 01 0. 05%，其余為！^e 和不可避免的雜質。為保證鉆桿管體材料具有更好的抗硫性能，優選地，C 0. 25 0. 30% ；Si :0. 1 0. 3%-Mn 0. 3 0. 8%;Cr :0. 5 1. 0%;Mo :1. 2 2. 0%;V 0 0. 15%;Ti 0 0. 03%；Nb 0. 01 0. 035 % ；Ca 0. 015 0. 02 % ;P 彡 0. 010 % ;S ^ 0. 001 % ；0 ^ 25ppm ；N (50ppm ；Al 0. 01 0. 04%。本發明的上述無縫鋼管的制造包括采用電爐冶煉，熔煉后采用LF+VD雙真空處理。LF處理重點要造好精煉渣，以保證LF精煉終了的[N] ( 30ppm、
( IOppm0 VD真空處理后的鎮靜時間為5 15分鐘，優選的鎮靜時間為10 15分鐘。采用喂Si-Ca絲方式進行Ca處理，喂絲處理結束后嚴禁添加任何合金。冶煉后鋼水連鑄拉速控制在1. 8 2. 5m/min之間，優選拉速在2m/min左右。通過以上工藝，保證成品管材中的A類(硫化物) 夾雜彡0.5級，B類(氧化物)夾雜彡1.0級，且A、B、C、D四類夾雜之和彡2級，同時Ca/ S彡2。下面分別介紹各個合金元素的作用C :0. 20 0.35%，C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度，太低時效果不明顯， 太高時會大大降低鋼的韌性，并有可能產生淬火裂紋。優選為0. 25 0. 30%。Mn 0. 3 1. 5%,Mn為奧氏體形成元素，通過穩定奧氏體組織，推遲高溫冷卻過程中奧氏體向鐵素體和貝氏體的轉變，從而得到更多的淬火馬氏體，提高鋼的淬透性。Mn含量小于0.3%時提高淬透性的作用不明顯，若Mn含量過高，則會增組織偏析，影響抗硫性能。 優選為0. 3 0. 8%。Cr :0. 5 1. 5%，Cr為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度和淬透性，太低時效果不明顯，太高時會大大提高鋼的硬度，影響抗硫性能。優選為0.5 1.0%。Mo 1. 0 2. 5%，主要是通過碳化物析出強化及固溶強化形式來提高鋼的強度和回火穩定性。Mo的碳化物顆粒細小，不會造成微觀組織結構的應力集中，有利于提高抗硫性能。較高的Mo含量在形成Mo的碳化物同時，還會有一部分多余的Mo固溶在基體中，以固溶強化的形式提高鋼的回火穩定性。回火穩定性的提高有利于提高回火溫度，從而降低熱處理后的殘余應力，提高抗硫性能。優選為1. 2 2. 0%。V :0 0. 25%，能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯了，同時因為價格很高，所以要限制使用量。優選為0.01 0. 25%，更優選為 0. 01 0. 15%。Ti 0 0. 05%，能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯了，同時因為價格很高，所以要限制使用量。優選為0.01 0. 05%，更優選為 0. 01 0. 03%。Nb :0.01 0.05%，能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯了，同時因為價格很高，所以要限制使用量。優選為 0. 01 0. 035%。Si 0. 1 0. 5%，為提高澆鑄性能必須加入的元素，含量過高會增加鋼的脆性。優選為0. 1 0. 3%。S:彡0.005 %，加入量超過會增加硫化物含量，影響鋼的抗硫能力。優選為彡 0. 001%。P:彡0.015%，加入量超過會增加微觀偏析，影響鋼的抗硫能力。優選為 ^ 0. 010%。Al 0. 01 0. 05%，Al作為脫氧劑是必須加入的元素，但應控制加入量，以減少夾雜物含量。優選為0. 01 0. 04%。Ca 0. 008 0. 02%，且Ca/S彡2，可以使夾雜物球化，提高抗硫性能。0 ^ 30ppm，可以有效減少氧化物夾雜。優選為< 25ppm。N ^ 60ppm，可以有效減少氮化物夾雜。優選為< 50ppm。將上述材料軋制的熱軋無縫鋼管經兩端加厚以后，在850 950°C加熱保溫 0. 5 1小時后淬火，然后在680 730°C溫度之間保溫1 3小時回火，制成屈服強度在 120ksi (827MPa)以上的鉆桿管體。采用屈服強度在IlOksi (758MPa)以上的鉆桿工具接頭與管體進行摩擦對焊，焊后對焊縫進行調質熱處理，制成石油鉆桿。考慮到工具接頭的強度低于管體，為保證足夠的抗扭性能，采用高抗扭工具接頭。進行焊縫熱處理后，焊縫熱影響區的強度會有所降低，通過調整回火溫度保證焊接熱影響區的屈服強度大于％ksi (655MPa)。
具體實施例方式下面就常用的Cr-Mo鋼、Cr-Mn-Mo鋼和本發明鋼種進行對比，其化學成分見表1。采用電爐冶煉，熔煉后采用LF+VD雙真空處理，LF精煉終了的[N] ^ 30ppm、
( IOppm ；VD真空處理后的鎮靜時間為10 士 5分鐘；采用喂Si-Ca絲方式進行Ca處理； 連鑄中，連鑄坯拉速控制在2. Om/min左右；將上述材料熱軋成無縫鋼管并經兩端加厚以后，在900 士50°C加熱保溫0. 5 1小時后淬火，然后在700士20°C溫度之間保溫1 3小時回火，制成鉆桿管體。與對比鋼相比，本發明的鉆桿管體具有較高的Mo，提高了材料的回火穩定性，因此在較高溫度回火后，仍然具有較高的強度。同時本發明具有較低的S，且Ca/S >2，可以有效改變夾雜物形態。本發明的O含量低于30ppm，通過冶煉工藝的控制，保證A類(硫化物) 夾雜低于0. 5級，B類(氧化物)夾雜低于1. O級，且A、B、C、D四類夾雜之和低于2級，從而保證材料具有優異的抗硫性能。
權利要求
1.一種鉆桿管體用鋼，其化學成分的重量百分數為c :0. 20 0. 35%，Si 0. 1 0. 5%，Mn :0. 3 1. 5%，Cr :0. 5 1. 5%，Mo :1. 0 2. 5%，V :0 0. 25%，Ti :0 0. 05%， Nb :0. 01 0. 05 %，Ca :0. 008 0. 02 %，P 彡 0. 015 %，S 彡 0. 005 %，0 彡 30ppm, N ^ 60ppm, Al :0. 01 0. 05%，其余為！^e和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的鉆桿管體用鋼，其特征在于，V:0. 01 0.25%，Ti :0. 01 0. 05%。
3.如權利要求1所述的鉆桿管體用鋼，其特征在于，C:0. 25 0.30% ；Si :0. 1 0. 3%-Mn 0. 3 0. 8%;Cr :0. 5 1. 0%;Mo :1. 2 2. 0%;V 0 0. 15%;Ti 0 0. 03%； Nb 0. 01 0. 035 % ；Ca 0. 015 0. 02 % ;P 彡 0. 010 % ;S ^ 0. 001 % ；0 ^ 25ppm ；N (50ppm ；Al 0. 01 0. 04%。
4.如權利要求3所述的鉆桿管體用鋼，其特征在于，V:0. 01 0. 15%, Ti 0.01 0. 03%。
5.如權利要求1-4任一所述的鉆桿管體的制造方法，包括采用電爐冶煉，熔煉后采用LF+VD雙真空處理，LF精煉終了的[N] ( 30ppm、
( IOppm ；VD真空處理后的鎮靜時間為5 15分鐘；采用喂Si-Ca絲方式進行Ca處理；連鑄中，連鑄坯拉速控制在1. 8 2. 5m/min之間；將上述材料熱軋成無縫鋼管并經兩端加厚以后，在850 950°C加熱保溫0. 5 1小時后淬火，然后在680 730°C溫度之間保溫1 3小時回火，制成鉆桿管體。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，VD真空處理后的鎮靜時間為10 15分鐘。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，連鑄坯拉速在2m/min左右。
8.如權利要求5-7任一所述的方法制造的鉆桿管體，其中A類-硫化物夾雜<0. 5級， B類-氧化物夾雜彡1.0級，且A、B、C、D四類夾雜之和彡2級，同時Ca/S彡2。
9.如權利要求8所述的鉆桿管體，其屈服強度在120ksi以上。
10.一種石油鉆桿，由權利要求8或9所述的鉆桿管體與屈服強度在IlOksi以上的鉆桿工具接頭進行摩擦對焊，焊后對焊縫進行調質熱處理而制成。
全文摘要
抗硫化氫腐蝕石油鉆桿用鋼及其制造方法。本發明涉及一種鉆桿管體用鋼，其化學成分的重量百分數為C0.20～0.35％，Si0.1～0.5％，Mn0.3～1.5％，Cr0.5～1.5％，Mo1.0～2.5％，V0～0.25％，Ti0～0.05％，Nb0.01～0.05％，Ca0.008～0.02％，P≤0.015％，S≤0.005％，O≤30ppm，N≤60ppm，Al0.01～0.05％，其余為Fe和不可避免的雜質。本發明的鉆桿管體的制造方法，包括采用電爐冶煉，熔煉后采用LF+VD雙真空處理，LF精煉終了的[N]≤30ppm、[O]≤10ppm；VD真空處理后的鎮靜時間為5～15分鐘；采用喂Si-Ca絲方式進行Ca處理；連鑄中，連鑄坯拉速控制在1.8～2.5m/min之間；將上述材料熱軋成無縫鋼管并經兩端加厚以后，在850～950℃加熱，保溫0.5～1小時后淬火，然后在680～730℃溫度之間保溫1～3小時回火，制成鉆桿管體。該管體的屈服強度在120ksi以上。
文檔編號E21B17/01GK102409240SQ20101028969
公開日2012年4月11日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者于杰, 殷光虹, 趙鵬, 郭金寶 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司