一種適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼的製作方法

2023-05-26 08:22:06

專利名稱：一種適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能在高寒地區使用的鑽杆管體用鋼，屬於石油天然氣技術領域。
背景技術：
隨著全球經濟的發展，對以石油及天然氣為代表的能源的需求及依賴越來越大， 能源對國家的發展、人民的生活起著舉足輕重的作用。為獲取更多能源，石油鑽探已經由常 規鑽井轉向更為苛刻的環境。考察報告表明，北極圈蘊含著豐富的油氣資源，美國、俄羅斯、 加拿大等國相繼允許在這種高寒環境下開採油氣資源，但其溫度低至-60°C，如果要在這些 高寒地區作業，鑽杆必須具有良好的低溫韌性(包括衝擊功和韌脆轉變溫度兩個指標)，以 免發生低溫脆性斷裂事故。而鑽杆通常由管體及接頭摩擦焊接而成，這也就要求管體、接頭 及焊縫均具有良好的低溫韌性。根據金屬學的基本原理可知，不同材料在低溫環境使用，具有不同的冷脆傾向，目 前常用的鑽杆管體材料屬於體心立方晶格，具有明顯的冷脆傾向，而且強度越高，冷脆傾向 越明顯。試驗結果表明，常用管體材料如27CrMo，當其屈服強度達到S135鋼級時，隨著衝 擊試驗溫度由常溫下降到-60°C，衝擊功由120J下降到50J左右，韌脆轉變溫度為-45°C左 右。而且由於淬透性略差的原因，在鑽杆管體的加厚處(壁厚20-30mm)往往無法淬透，其韌 脆轉變溫度更高，往往只有-30°C左右，無法滿足在北極地區等高寒地區作業要求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能在高寒地區使用的鑽杆管體用鋼，能克服現有鑽 杆管體材料所述不足之處，還提高了低溫韌性儲備。當其屈服強度為995MPa (S135鋼級) 時，_60°C，縱向，3/4尺寸，夏比衝擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉變溫度為-75V。所述目的是通過如下方案實現的
一種適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，是由下述重量百分比的成分組成 C 0. 20-0. 30%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 0. 60-1. 0%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 008%, Cr 0. 7-1. 0%, Ni 0. 75-1. 0% ；此外，還含有重量百分比如下的兩種或兩種以上組分=Al ( 0. 03%,V ( 0. 10%， Mo ^ 0. 6%, Ti ^ 0. 03%, Re ^ 0. 03%, Ca ^ 0. 02% ；餘量為Fe和不可去除的痕量元素。進一步地，所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，是由下述重量百分比的成分組 成:C 0. 20-0. 25%, Si 0. 18-0. 25%, Mn 0. 60-0. 8%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 008%, Cr 0. 8-0. 9%, Ni 0. 75-0. 85% ；還含有下述重量比的一種或多種成分:Mo 0. 4-0. 6%, Al 0. 01-0. 02%, V 0. 04-0. 10%ο更進一步地，所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，是由下述重量百分比的 成分組成c 0. 22-0. 28%, Si 0. 22-0. 30%, Mn 0. 75-1. 0%, P^O. 015%, S^O. 005%, Cr 0. 9-1. 0%, Ni 0. 9-1. 0% ；還含有下述重量比的一種或多種成分Mo 0. 10-0. 30%, Ti 0. 02%, Re 0. 003%, Ca 0.002-0. 02%。所述鑽杆管體用鋼經熱處理後的晶粒度彡8. 0級。
所述鑽杆管體用鋼經熱處理後的管體及加厚端的全截面馬氏體轉變率達到90% 以上。以下敘述本發明中C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、V、Ca等元素限定的理由 C是鋼中主要的強化元素，它能顯著提高鋼的強度和淬透性，為使強度達到S135鋼級，
同時管體加厚端淬透(壁厚可達到20-30mm)，其下限為0. 20%。但是，隨著C含量的增加，其 低溫衝擊功將降低，韌-脆轉變溫度將提高，同時，考慮到管體還要和接頭焊接，其C含量不 宜過高，因此，C含量的上限為0. 3%。Si是為鋼水脫氧而添加的，能降低鋼中碳的石墨化傾向，並以固溶強化方式提高 鋼的強度，但Si含量太高，會降低鋼的韌性。所以其含量為0. 17-0. 35%。Mn在低溫鋼中是有益的合金元素，它不僅能提高鋼的強度，降低鋼的韌脆轉變溫 度，提高鋼的淬透性，還能與硫結合能降低硫的有害作用。但Mn含量過高，晶粒容易粗大， 還增加了回火脆性，因此，其含量為0. 6-1. 0%。P、S是低溫鋼中的有害元素，含量越低越好，考慮到生產成本及批量生產的穩定 性，P ≤ 0. 015%, S ≤ 0. 008%O添加Cr是為了提高淬透性及提高鋼的強度，含量在0. 7-1. 0%，使得本發明的管體 用鋼能獲得良好的淬透性，強度和韌性。Cr含量太高，會降低鋼的韌性。添加Mo是為了提高鋼的淬透性，降低其他元素導致的回火脆性。當含量超過 0. 6%，一方面在性能優化方面並無顯著效果，另一方面，會大大提高成本。因此，其含量控制 在≤0. 6%。Ni是低溫鋼中最重要的合金元素之一，加入鋼中與基體形成α固溶體，能顯著提 高鐵素體的韌性，從而提高鐵素體低溫鋼的低溫韌性。隨著鋼中鎳含量的增加，低溫韌性提 高，韌脆轉變溫度降低。添加鎳量的多少取決於使用溫度和對低溫韌性的要求，鎳含量過 高，不但不經濟，而且也會損害鋼的焊接性等工藝性能。因此，本發明鋼中，Ni的限定範圍 為 0. 75-1. 0%。Al在鋼中除脫氧外，還能與氮結合，減少氮在基體中的有害作用，提高鋼的韌性和 時效應變能力，所形成的氮化鋁能阻礙鐵素體晶粒的長大，使晶粒細化，進一步降低鋼的韌 脆轉變溫度。但鋁含量過高，鋼材中的夾雜物將容易超標，這對鋼材的低溫韌性不利。因此， Al的限定範圍為< 0. 03%。V可以抑制鋼中晶界移動和晶粒長大，使晶粒細化。此外，鋼中加入一定量的V，無 論是退火、正火或調質狀態，都可以提高鋼的強度，還可以改善鋼的塑韌性。但V含量過高， 為達到同樣強度，回火溫度會顯著提高，從而不利於管體和接頭焊後熱處理工藝匹配，最終 降低焊縫的低溫性能，本發明鋼中V的含量≤ 0. 01%。Ti是強碳化物形成元素，能有效抑制奧氏體晶粒粗大，提高鋼的強度和低溫韌性， 但由於Ti和氮、氧結合力很強，添加量過多，則容易生成TIN硬脆相，降低鋼的低溫性能。因 此，本發明鋼中V的含量≤0. 01%。Re和氧、硫、磷、氮、氫的親和力很強，具有脫氣、脫硫磷和消除其他有害雜質的作 用，並改善夾雜物的形態和分布，本發明鋼中其含量控制在≤ 0. 03%的水平。本發明通過優化合金元素搭配，獲得了一種適用於高寒地區的鑽杆管體，與目前 常用的鑽杆管體材料相比，本發明具有以下優點在管體處(壁厚約10mm)，當其屈服強度達到E75、X95、G105鋼級時，在兩者屈服相當的 情況下，本發明鋼的韌脆轉變溫度要比普通管體低約20°C，衝擊功提高20-30J。本發明鋼在屈服強度達到S135鋼級時，具有優良的低溫韌性。當其屈服強度為 995MPa時，-60 V，縱向，3/4尺寸，夏比衝擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉變溫度 為-75 0C ο在同樣規格、管體處屈服強度相當情況下，本發明鋼管體加厚端(壁厚約 20-30mm)，強度提高約15%，韌脆轉變溫度比普通管體低約40°C。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體描述。有必要在此指出的是，以下實施例只用 於對本發明作進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的專業技術人員 根據本發明的內容作出的一些非本質的改進和調整，仍屬於本發明的保護範圍。實施例1
按本發明設計的化學成分(例如，取C 0. 28%, Si 0. 20%, Mn 0. 68%，P 0. 012%, S 0. 006%, Cr 0. 86%,Ni 0. 78%,Mo 0. 30%, Al 0. 018%)要求進行冶煉、精煉、連鑄連軋後，軋制 成5』 X 9. 19mm,長9. 2m的管坯，並加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進行熱處理後，在管 體和加厚端取樣進行拉伸試驗和系列低溫衝擊試驗。結果表明，管體性能如下屈服強度為 875MPa時，其衝擊功(試樣尺寸7. 5 X IOmm)平均值為120J，韌脆轉變溫度低於_100°C。加 厚端性能如下屈服強度為850MPa時，衝擊功(試樣尺寸10 X IOmm)為平均值160J，韌脆轉 變溫度低於-ioo°c。實施例2
按本發明設計成分(例如，取 C 0. 25%, Si 0. 28%, Mn 0. 80%, Cr 0. 95%, Ni 0. 95%, Mo 0. 15%, Ti 0. 02%, Re 0. 003%, Ca 0. 008))要求進行冶煉、精煉、連鑄連軋後，軋製成 5』 X 9. 19mm，長9. 2m的管坯，並加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進行熱處理後，在管體 和加厚端取樣進行拉伸試驗和系列低溫衝擊試驗。結果表明，管體性能如下屈服強度為 935MPa時，其衝擊功(試樣尺寸7. 5 X IOmm)平均值為100J，韌脆轉變溫度為_100°C。加厚 端性能如下屈服強度為905MPa時，衝擊功(試樣尺寸IOXlOmm)為平均值120J，韌脆轉變 溫度為-95°C。實施例3
按本發明設計成分(例如，取 C 0. 23%, Si 0. 24%, Mn 0. 78%, P 0. 006%, S 0. 002%, Cr 0. 86%，Ni 0. 90%,Mo 0. 55%, V0. 08%)要求進行冶煉、精煉、連鑄連軋後，軋製成5，X9. 19mm, 長9. 2m的管還，並加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進行熱處理後，在管體和加厚端取樣 進行拉伸試驗和系列低溫衝擊試驗。結果表明，管體性能如下屈服強度為995MI^時，其衝 擊功(試樣尺寸7.5X10mm)平均值為85J，韌脆轉變溫度為-75°C。加厚端性能如下屈服 強度為980MPa時，衝擊功(試樣尺寸IOXlOmm)為平均值100J，韌脆轉變溫度低於-70V。
權利要求
1.一種適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，是由下述重量百分比的成分組 成:C 0. 20-0. 30%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 0. 60-1. 0%, P ^ 0. 015%，S 彡 0. 008%, Cr 0. 7-1. 0%, Ni 0. 75-1. 0% ；此外，還含有重量百分比如下的兩種或兩種以上組分Al < 0. 03%, V^O. 10%， Mo 彡 0. 6%, Ti 彡 0. 03%, Re 彡 0. 03%, Ca 彡 0. 02% ；餘量為Fe和不可去除的痕量元素。
2.根據權利要求1所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，是由下述 重量百分比的成分組成C 0. 20-0. 25%, Si 0. 18-0. 25%, Mn 0. 60-0. 8%, P 彡 0. 010%, S 彡 0. 008%, Cr 0. 8-0. 9%, Ni 0. 75-0. 85% ；還含有下述重量百分比的一種或多種成分Mo 0. 4-0. 6%，Al 0. 01-0. 02%, V 0. 04-0. 10%ο
3.根據權利要求1所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，是由下述 重量百分比的成分組成:C 0. 22-0. 28%, Si 0. 22-0. 30%, Mn 0. 75-1. 0%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%, Cr 0. 9-1. 0%, Ni 0. 9-1. 0% ；還含有下述重量百分比的一種或多種成分:Mo 0. 10-0. 30%, Ti 0. 02%, Re 0. 003%, Ca0.002-0. 02%o
4.根據權利要求1所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，所述鑽杆管體 用鋼經熱處理後的晶粒度> 8. 0級。
5.根據權利要求1所述適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，其特徵在於，所述鑽杆管體 用鋼經熱處理後的管體及加厚端的全截面馬氏體轉變率達到90%以上。
全文摘要
本發明涉及一種適用於高寒地區的鑽杆管體用鋼，所述鋼是由下述重量百分比的成分組成C0.20-0.30%，Si0.17-0.35%，Mn0.60-1.0%，P≤0.015%，S≤0.008%，Cr0.7-1.0%，Ni0.75-1.0%，此外，還含有Al≤0.03%，V≤0.10%，Mo≤0.6%，Ti≤0.03%，Re≤0.03%，Ca≤0.02%中的兩種或兩種以上，餘量為Fe和不可去除的痕量元素。當其屈服強度為995MPa時，-60℃，縱向，3/4尺寸，夏比衝擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉變溫度為-75℃。
文檔編號C22C38/40GK102071363SQ20111004585
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月25日 優先權日2011年2月25日
發明者歐陽志英, 袁鵬斌 申請人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油鑽具有限公司