耐-40℃～-60℃低溫鑽杆料鋼管及其製造方法

2023-06-02 16:07:31

專利名稱：耐-40℃～-60℃低溫鑽杆料鋼管及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種作業環境為耐-40'C -6(TC低溫鑽杆料鋼管及其製造方法。
背景技術：
隨著當今世界石油工業技術的發展，普通陸地上的石油開採量越來越 大，儲存餘量也相應的隨之減少。石油天然氣資源的採出程度逐漸加大， 促使人類的油氣資源開採活動逐漸從已有的資源區塊中，轉移至一些比較 惡劣的環境中進行。隨著全球對石油天然氣資源依賴程度的日益加重，近 些年來，俄羅斯、美國等發達國家相繼出臺文件，允許並支持開採這些極 端環境下的油氣資源。
在地球的一些極端地區(高寒，兩極，荒漠，深海等)蘊藏著豐富的 石油資源，例如俄羅斯的北極地區，加拿大的北部，以及美國的阿拉斯加 州，我國的黑龍江大慶油田的北部部分區域等都儲藏著豐富的石油、天然 氣資源。
要開採開發這些地區的資源，要求在鑽進作業過程中，承擔作業液體 和巖屑流通通道的鑽杆在保證強度的同時，還要求良好的耐低溫衝擊的韌 性和較低的韌脆轉變溫度，保證在低溫環境下的鑽井作業安全。
由於這種極其惡劣的環境下開發石油資源為時較晚，亟待開發適用於 這種惡劣工況的油氣開採工程中的無縫鋼管。
根據査詢此類鋼管的專利和論文情況，目前尚沒有這種應用於低溫環 境的無縫鋼管產品開發出來。因此在實際應用當中，鑽杆靠其加厚部分與 接頭連接，形成可作業管串。就鑽杆本體來說國內外研究和開發熱點主要集中在鑽杆料的以下幾個方面(l)高強度或者超高強度材質鑽杆料，這種
鑽杆主要以API 5D標準的S135鑽杆作為參照物，發展到屈服強度達到 140/150ksi鋼級(965/1034MPa)，如美國Grant公司曾經製造出Z-140型 高強度鑽杆，其抗拉強度達到1034MPa，衝擊韌性能達到54J，但是其韌脆 轉變溫度尚沒有相關報導，且並沒有這種鑽杆應用於低溫環境鑽井作業中 的報導；(2)主要應用於H2S腐蝕環境中抗腐蝕鑽杆料，這種鑽杆主要解決 的問題是抵抗含H2S氣體的腐蝕鑽井作業環境；(3)主要應用於C02腐蝕環境 中抗腐蝕鑽杆料，同(2)相似，這種鑽杆主要解決的問題是抵抗含H2S氣體 的腐蝕鑽井作業環境；(4)前兩者混合腐蝕環境的抗腐蝕鑽杆料；(5)非鋼 材質的鑽杆，這種鑽杆主要是為了減輕其重量而設計製造的，提高強重比， 主要有Al合金和Ti合金等材質鑽杆，這種材質鑽杆成本高，且尚沒有能 解決低溫環境鑽井問題的報導。其餘的研究開發工作主要集中在提高鑽杆 接頭的連接密封性能和抗扭能力上。

發明內容
本發明是鑑於上述技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種耐 -4(TC -6(TC低溫用鑽杆鋼管及其製作方法，從而促使對在此種苛刻的低 溫環境下的石油天然氣資源進行鑽探開採，解決在該種低溫環境下一般高 強度鋼管由於韌性不夠和韌脆轉變溫度高的技術難題。
為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是提供一種耐-4(TC -60 。C低溫鑽杆鋼管，該鑽杆鋼管的化學成分按重量％為C: 0. 18% 0.22%、 Si: 0.15% 0. 35%、 Mn: 0. 40% 0. 60%、 P幼.015%、 S幼.010%， Ni: 0. 55% 0.70%， V: 0.0% 0.05%，餘量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
還提供一種製造權利要求1所述低溫鑽杆鋼管的方法，該方法包括以 下步驟
①煉鋼採用夾雜物元素含量低的優質廢鋼加海綿鐵或鐵水，配製上述低溫鑽 杆料管成分原料，運用電弧爐進行冶煉，通過向鋼水中加入石灰造泡沫渣， 充分吸附鋼水中的有害元素P、 S;使用偏心爐底出鋼，再採用鋼包爐精煉、
真空脫氣、包芯絲餵絲處理，使長條狀的MnS夾雜轉變成Ca的球形複合夾 雜物，進行爐外精煉；真空脫氣時間5 10分鐘，使鋼水中的氣體充分去 除，最後進行連鑄鑄成鋼坯；
② 軋管
在環形爐中將上述鑄成鋼坯軋制的管坯進行加熱，加熱溫度為1230°C -126(TC，使用穿孔機穿孔，採用精軋控制軋制精度，通過限動芯棒連軋機 軋制，再通過定徑機或者張力剪徑機精確定徑，在冷床上冷卻後，鋸切、 冷矯直，最後將制出的鋼管經過無損探傷和精整；
③ 熱處理
上述軋態鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到860。C 92(TC保溫並以工業 循環水作為淬火液淬火，然後在回火加熱爐中加熱到64(TC 65(TC並保溫， 進行高溫回火，出回火爐後進行高溫矯直，溫度範圍在500 600°C;熱處 理後通過最後一道超聲波無損探傷工序，接著進行噴標、塗漆，製成低溫 鑽杆用鋼管；
④ 上述製成的低溫鑽杆鋼管性能為 服強度為965MPa(鋼級140ksi) 抗拉強度》1100Mpa
常溫下橫縱向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為最小100J和最小140J 韌脆轉變溫度位-6(TC
在-4(TC -6(TC的溫度區間內，橫縱向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為 最小50J和最小100J
管體截面全璧厚組織為S 0平均硬度約為HRC 37.6。
本發明的效果是採用以上成分和工藝後製造的鋼管具有良好的理化性 能、使用性能，並且能夠在-4(TC -6CTC低溫環境下安全使用。在其 最小屈服強度達到965MPa的前提下，其橫向全尺寸常溫衝擊吸收功達 到100J，縱向全尺寸常溫衝擊吸收功達到140J，韌脆轉變溫度為-6(TC。


圖1為本發明的韌脆轉變曲線。
具體實施例方式
結合實施例對本發明的耐-40°C -60°C低溫鑽杆鋼管及其製造方 法加以說明。
本發明的耐-40 °C -60 °C低溫鑽杆鋼管耐-40°C -6(TC低溫鑽杆
鋼管，該鑽杆鋼管的化學成分按重量°/。為C: 0. 18% 0. 22%、 Si: 0. 15°/o
0.35%、 Mn: 0. 40% 0. 60%、 P^). 015%、 S幼.010%， Ni: 0. 55% 0. 70%， V: 0.0% 0.05%，餘量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
製造上述無縫鋼管的方法包括以下步驟
1、煉鋼
真空脫氣時間5 10分鐘，使鋼水中的氣體充分去除，最後進行連鑄 鑄成鋼坯；
採用夾雜物元素含量低的優質廢鋼加海綿鐵或鐵水，配製上述低溫鑽 杆料管成分原料，運用電弧爐進行冶煉，通過向鋼水中加入高活性度的石
灰造泡沫渣，充分吸附鋼水中的有害元素P、 S等；使用偏心爐底出鋼，再
採用獨特的純淨鋼技術，即鋼包爐精煉、真空脫氣、夾雜物控制技術，即包 芯絲餵絲處理，進行爐外精煉。嚴格控制鋼水化學成分，通過造泡沫白渣
工藝，提純鋼水成分，並通過向鋼水中餵入Si-Ca絲改變夾雜物形態，使 長條狀的MnS夾雜轉變成Ca的球形複合夾雜物；然後進行真空脫氣，確保高真空時間不小於5 10分鐘，使鋼水中的氣體充分去除，最大限度地降 低鋼中氣泡夾雜。最後進行連鑄鑄成鋼坯，嚴格控制鋼水過熱度、拉坯速 度和冷卻水量。
2、 軋管
在環形爐中將管坯加熱，使用穿孔機穿孔，採用獨特的精軋技術，嚴 格控制軋制精度，通過先進的限動芯棒連軋機軋制，再通過定徑機精確定 徑，在冷床上冷卻後，鋸切、冷矯直，最後，將制出的鋼管經過無損探傷 和精整。
3、 鋼管熱處理和加工
上述軋態鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到86(TC 92(TC，保溫並淬火， 使用淬火液淬火，淬火時保證淬火液在鋼管內表面高速均勻旋轉內噴；然 後在回火加熱爐中加熱到640°C 650°C，進行高溫回火。出回火爐後進行 高溫矯直，採用消除殘餘應力技術，即採用高溫定徑和高溫矯直，溫度範 圍在500 600°C;熱處理後通過最後一道超聲波無損探傷工序，接著進行 噴標、塗漆，製成低溫鑽杆鋼管。
4、 上述製成的低溫鑽杆鋼管性能為服強度為965MPa(鋼級140ksi)， 抗拉強度》1100MPa，常溫下橫縱向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為最小100J 和最小140J，韌脆轉變溫度位-6CTC，在-4(TC -6(TC的溫度區間內，橫縱 向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為最小50J和最小IOOJ。管體截面全璧厚組 織為S^，平均硬度約為服C 37.6。
以下以含量為C: 0. 19%、 Si: 0. 30%、 Mn: 0. 50%、 P: 0. 012%、 S: 0. 002%、 Ni: 0.61%、 Cr: 1.01%、 Mo: 0.59%、 V: 0.03%，其餘為Fe和痕量元素的
鋼管為例，闡述了本發明的產品製造方法是這樣實現的 1煉鋼
a.純淨鋼技術配料採用P，S含量低的優質廢鋼+鐵水(或生鐵)，儘可能從源頭降低鋼
中有害元素及夾雜物含量。90/150噸超高功率電弧爐(EAF)偏心爐底出鋼， 減少溫降和鋼水二次氧化；留鋼留渣，氧化渣難流入鋼包。
泡沫渣冶煉，鋼包爐(LF)，採用Ca0-Al20:,高鹼度渣，加CaG粒還原 氣氛強，包底吹氬氣攪拌，埋弧加熱，具有良好的脫氧、脫硫效果，減少 夾雜物。
真空處理爐(VD)高真空度80Pa以下，包底吹氬保持10分鐘以上，使 鋼中的氫含量脫到2ppm以下，而且氧、氮含量低，硫含量低，夾雜物上浮， 使鋼水潔淨度提高。
b. 夾雜物控制技術
包芯絲餵絲處理(FW):通過向鋼水餵入Si-Ca絲改變夾雜物形態，使 長條狀的MnS夾雜轉變成Ca的球形複合夾雜物，從而改善鋼的韌性、降低 各向異性，從本質上提高鋼的韌性和耐低溫韌性。
c. 連鑄技術
連鑄(CCM)採用帶有Ar氣密封的保護套管，中包覆蓋劑，浸入式水口 和結晶器保護渣的保護澆鑄先進技術，使鋼水和空氣完全隔離，防止鋼水在 澆鑄過程中的二次氧化。 2軋管
a. 精軋技術
計算機自動控制爐溫的環型管坯加熱爐，精確控制管坯溫度，保證管坯 軋成管子後性能的穩定和尺寸精度。
為保證壁厚的均勻和內外表面的質量，設有熱定心及高壓水除磷同時， 設有荒管內表面噴硼砂。
精軋成品孔型設計確保管子外徑及壁厚精度。
b. 工藝控制環形爐加熱溫度為1260°C，並且保證管坯溫度均勻。
狄舍爾穿管機軋出的毛管壁厚偏差應在±8%以內，為軋制荒管和成品管 創造了良好的前提條件。
限動芯棒連軋管機避免"竹節"現象，除管端部，整根鋼管壁厚不均 不超過±4%。
定徑機組保證鋼管的外徑和壁厚精度，鋼管的外徑偏差為O — O. 5%D。 矯直機組保證鋼管彎曲度指標小於1. 5mm/m。 3鋼管處理和加工
a. 熱處理技術
熱處理生產線通過精確控制淬火爐和回火爐溫度對套管進行調質處理 以保證鋼管的性能。同時，產品管體上最終組織為回火索氏體，保證其具有 優良的力學性能。
熱處理工藝參數88CrC淬火+ 65(TC高溫回火，淬火時保證淬火液在 鋼管內表面均勻旋轉內噴，外表面足量循環水外淋。
b. 消除殘餘應力技術 採用高溫定徑和高溫矯直的工藝技術，不但保證了鋼管的外徑及圓度
的精度，而且是控制其低殘餘應力的關鍵
二次定徑在熱矯直前進行二次定徑，定徑溫度550 600°C，定徑量 保證4)177.8mm為0. 6誦、4> 244. 5mm為lmm。確保在鋼管上形成有益的壓 應力。
熱矯直溫度500 550°C,如熱矯直低於50(TC則考慮去應力退火，去 應力退火溫度500°C。
超聲波探傷探傷前，用樣管離線校驗三次，在線校驗三次。人工缺 陷代號N5。
經工業爐批量熱處理生產後，檢測管體常溫力學性能，統計如下二表:熱處理處理後的性能
1)室溫下強度
Rt(MPa)Rm(MPa)Rt/Rm延伸率硬度服c微觀組織
103911020. 9429%37. 5S回，晶粒度8.5級
105011110. 9530%37. 6S回，晶粒度8.5級
104511000. 9523%37. 6S@，晶粒度8.5級
104811110. 9425%37. 7S回，晶粒度9.0級
2)室溫下韌性，取樣部位同拉伸實驗
橫衝，室溫廣衝，室溫尺寸值/J剪切比/%尺寸值/J剪切比/%
ioxio10510010X10149100
ioxio110100ioxio157100
10X7. 58310010X7. 5110100
10X7. 58510010X7. 5114100
其中，非全尺寸(IOXIO)下的衝擊吸收功可按照API 5CT標準中的 轉換係數轉換，轉換後也達到設計要求。 3)系列衝擊(韌脆轉變曲線)
採用經過上述熱處理生產後的樣管，製取全尺寸10X10衝擊 試驗樣，做系列衝擊實驗，得到如圖1所示的韌脆轉變曲線，從圖 上可以看出，韌脆轉變溫度大約在-60'C ,在-60°C以下低溫段橫向 仍具有80J左右的衝擊功，在-40°C -6(TC溫度區間範圍內，衝擊 韌性比較高，橫向大約在100J以上。
權利要求
1、一種耐-40℃～-60℃低溫鑽杆鋼管，該鑽杆鋼管的化學成分按重量％為C0.18％～0.22％、Si0.15％～0.35％、Mn0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni0.55％～0.70％，V0.0％～0.05％，餘量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
2、 一種製造權利要求l所述低溫鑽杆鋼管的方法，該方法包括以下步驟① 煉鋼採用夾雜物元素含量低的優質廢鋼加海綿鐵或鐵水，配製上述低溫鑽 杆料管成分原料，運用電弧爐進行冶煉，通過向鋼水中加入石灰造泡沫渣， 充分吸附鋼水中的有害元素P、 S;使用偏心爐底出鋼，再採用鋼包爐精煉、真空脫氣、包芯絲餵絲處理，使長條狀的MnS夾雜轉變成Ca的球形複合夾 雜物，進行爐外精煉；真空脫氣時間5 10分鐘，使鋼水中的氣體充分去 除，最後進行連鑄鑄成鋼坯；② 軋管在環形爐中將上述鑄成鋼坯軋制的管坯進行加熱，加熱溫度為1230°C -1260°C，使用穿孔機穿孔，採用精軋控制軋制精度，通過限動芯棒連軋機 軋制，再通過定徑機或者張力剪徑機精確定徑，在冷床上冷卻後，鋸切、 冷矯直，最後將制出的鋼管經過無損探傷和精整；③ 熱處理上述軋態鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到86(TC 92(TC保溫並以工業 循環水作為淬火液淬火，然後在回火加熱爐中加熱到64(TC 65(TC並保溫， 進行高溫回火，出回火爐後進行高溫矯直，溫度範圍在500 600°C;熱處 理後通過最後一道超聲波無損探傷工序，接著進行噴標、塗漆，製成低溫 鑽杆用鋼管；④上述製成的低溫鑽杆鋼管性能為服強度為965MPa鋼級為140ksi 抗拉強度^1100Mpa常溫下橫縱向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為最小100J和最小140J 韌脆轉變溫度位-60°C在-4(TC -6(TC的溫度區間內，橫縱向全尺寸夏比衝擊吸收功分別為 最小50J和最小100J管體截面全璧厚組織為S @ 平均硬度約為HRC 37.6。
全文摘要
本發明提供耐-40℃～-60℃低溫用鑽杆料鋼管，其成份的重量％為C0.18％～0.22％、Si0.15％～0.35％、Mn0.40％～0.60％、P≤0.015％、S≤0.010％，Ni0.55％～0.70％，V0.0％～0.05％，餘量為Fe和含量不可去除的痕量元素。還提供一種製造低溫鑽杆料鋼管的方法。本發明的效果是採用以上成分和工藝後製造的鋼管具有良好的理化性能、使用性能，並且能夠在-40℃～-60℃低溫環境下安全使用。在其最小屈服強度達到965MPa的前提下，其橫向全尺寸常溫衝擊吸收功達到100J，縱向全尺寸常溫衝擊吸收功達到140J，韌脆轉變溫度為-60℃。
文檔編號C21D9/08GK101608282SQ20091006955
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者劉江成, 史慶志, 周家祥, 周曉峰, 宗衛兵, 張傳友, 李效華, 勇 江, 章華明, 賀爽城 申請人:天津鋼管集團股份有限公司