一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法與流程
2023-04-27 19:02:11 2
本發明涉及鋼鐵冶煉領域，具體涉及一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法。
背景技術：
隨著我國對能源需求的增長以及勘探開發力度的加大，對高含硫油氣田的勘探開發逐漸提到日程上。由於H2S化學活性極大，可對金屬材料產生電化學失重腐蝕和氫脆破壞，造成井下管柱突然斷落、地面管匯和儀表爆破、井口裝置失靈，甚至發生嚴重的井噴失控或火災。因此，開發新型抗H2S石油鑽具用鋼具有重要意義。
抗H2S石油鑽(套)管是一種高技術含量的關鍵鋼材，國內幾乎不能生產，全靠進口，價格貴，成本高。20世紀90年代初，我國從日本進口的油井管，價格每年遞增20％，2000年以來，油井管的價格日趨高漲，僅2000年第l季度，美國石油管材生產企業2次提價，第2次提價的幅為30～70美元/噸。據估算，在塔裡木，鑽一口3400m的油井，成本為1.1億元，其中所需的油井管費用佔總成本的20％～30％。因此，自主研發出抗H2S石油鑽(套)管用鋼代替進口鋼，對於降低石油開採成本，促進石油工業的發展具有重要意義。
目前，世界上能夠生產鑽杆且取得API認證的企業僅4家。能夠完整地擁有1套包括冶煉、軋制鑽杆生產線的也只有6、7家。美國石油專用管材行業在製造抗H2S管材方面取得了顯著進展。1993年，美國Grant Prideco公司製造出第一批抗H2S鑽杆，其最低屈服強度為665MPa，配上標準API鑽杆接頭，可抵抗硫化物應力斷裂(SSC)。為了開發更高強度的鋼級材料，該公司會同Chevron公司研製成功最低屈服強度為735MPa的XD-105鋼級鑽杆和鑽杆接頭，於1998年應用於俄羅斯Tengiz油田。最近的研究工作集中在開發及採用高強度級的鑽杆材料和加強鑽杆接頭冶煉及焊接技術方面。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法，解決石油開採用合金鋼強度不夠高且容易被硫化氫腐蝕的問題。
本發明通過下述技術方案實現：
一種低合金高強度抗硫化氫鋼，各元素質量百分數含量為：碳0.20％～0.25％，鉻0.5％～1.0％，錳<0.3％，鈮0.015％～0.03％，鉬0.7％～1.0％，釩0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，鈦0.01％～0.05％，鋁0.1％～0.2％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量。
優選地，各元素質量百分數含量為：碳0.25％，鉻0.5％，錳0.2％，鈮0.022％，鉬0.74％，釩0.15％，磷0.01％，硫0.005％，鈦0.01％～0.05％，鋁0.1％～0.2％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量。
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐進行脫氧和合金化；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後採用淬火加高溫回火工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.20％～0.25％，鉻0.5％～1.0％，錳<0.3％，鈮0.015％～0.03％，鉬0.7％～1.0％，釩0.15％～0.3％，磷≤0.01％，硫≤0.005％，鈦0.01％～0.05％，鋁0.1％～0.2％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的產品。
真空感應爐熔煉能夠精確控制所煉鋼種的成分及含量，而且還可以有效脫氣，所製得的鋼中氣體和非金屬雜質含量遠低於其他熔煉方法。經過電渣重熔處理後的鋼，純度高、含硫低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、金相組織和化學成分均勻。淬火配合不同溫度的回火可以大幅度提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度和韌性。
其中，步驟(1)中所述真空感應爐的熔煉真空度為2Pa，真空下保持時間為70min，熔煉溫度為2000℃，出鋼溫度為1550℃。
其中，步驟(3)中所述淬火的溫度為770℃～800℃。
優選地，所述淬火的溫度為785℃～790℃。
其中，所述高溫回火的溫度為300℃～400℃。不同溫度下進行回火處理得到的鋼材硬度不同，此處依據石油開採的實際需要確定了高溫回火的溫度。
優選地，所述高溫回火的溫度為370℃～380℃。
本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：
1、本發明一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法，採用真空感應爐脫氧合金化和電渣重熔降低雜質含量的複合冶煉工藝，提高了鋼材有益成分的純度和鋼材的抗硫化氫腐蝕性能；
2、本發明一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法，對其化學成分進行了優化設計，進一步提高了低合金高強度抗硫化氫鋼的綜合性能；
3、本發明一種低合金高強度抗硫化氫鋼及其製備方法，採用Mo、Cr、V、Ti對鋼材進行微合金化，充分發揮了合金元素的作用。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。
實施例1
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐，控制熔煉真空度2Pa、熔煉溫度2000℃、真空下保持時間70min進行脫氧和合金化，出鋼溫度為1550℃；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後，採用800℃淬火加300℃高溫回火的工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.25％，鉻1.0％，錳0.28％，鈮0.015％，鉬1.0％，釩0.3％，磷0.01％，硫0.005％，鈦0.04％，鋁0.15％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的低合金高強度抗硫化氫鋼。
對產品進行性能測試的結果如下：
A、力學性能測試：衝擊韌性Akv≥115J；硬度HRC<37；屈服強度σs≥860MPa；抗拉強度σb≥926MPa；
B、抗H2S腐蝕實驗：採用NACEA法試驗，即H2S分壓為0.1MPa，採用標準A溶液，試樣經200h試驗後，未發生硫化氫應力腐蝕裂紋。
實施例2
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐，控制熔煉真空度2Pa、熔煉溫度2000℃、真空下保持時間70min進行脫氧和合金化，出鋼溫度為1550℃；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後，採用800℃淬火加400℃高溫回火的工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.24％，鉻0.5％，錳0.2％，鈮0.03％，鉬0.7％，釩0.15％，磷0.01％，硫0.005％，鈦0.01％，鋁0.16％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的低合金高強度抗硫化氫鋼。
對產品進行性能測試的結果如下：
A、力學性能測試：衝擊韌性Akv≥121J；硬度HRC<37；屈服強度σs≥859MPa；抗拉強度σb≥933.5MPa；
B、抗H2S腐蝕實驗：採用NACEA法試驗，即H2S分壓為0.1MPa，採用標準A溶液，試樣經200h試驗後，未發生硫化氫應力腐蝕裂紋。
實施例3
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐，控制熔煉真空度2Pa、熔煉溫度2000℃、真空下保持時間70min進行脫氧和合金化，出鋼溫度為1550℃；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後，採用770℃淬火加300℃高溫回火的工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.24％，鉻0.8％，錳0.1％，鈮0.025％，鉬0.8％，釩0.3％，磷0.01％，硫0.004％，鈦0.05％，鋁0.2％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的低合金高強度抗硫化氫鋼。
對產品進行性能測試的結果如下：
A、力學性能測試：衝擊韌性Akv≥123J；硬度HRC<36；屈服強度σs≥863.6MPa；抗拉強度σb≥928.8MPa；
B、抗H2S腐蝕實驗：採用NACEA法試驗，即H2S分壓為0.1MPa，採用標準A溶液，試樣經200h試驗後，未發生硫化氫應力腐蝕裂紋。
實施例4
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐，控制熔煉真空度2Pa、熔煉溫度2000℃、真空下保持時間70min進行脫氧和合金化，出鋼溫度為1550℃；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後，採用785℃淬火加380℃高溫回火的工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.20％，鉻1.0％，錳0.25％，鈮0.03％，鉬0.7％，釩0.3％，磷0.008％，硫0.005％，鈦0.05％，鋁0.1％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的低合金高強度抗硫化氫鋼。
對產品進行性能測試的結果如下：
A、力學性能測試：衝擊韌性Akv≥119J；硬度HRC<35；屈服強度σs≥856.9MPa；抗拉強度σb≥932.4MPa；
B、抗H2S腐蝕實驗：採用NACEA法試驗，即H2S分壓為0.1MPa，採用標準A溶液，試樣經200h試驗後，未發生硫化氫應力腐蝕裂紋。
實施例5
一種低合金高強度抗硫化氫鋼的製備方法，包括以下步驟：
(1)將原料加入真空感應爐，控制熔煉真空度2Pa、熔煉溫度2000℃、真空下保持時間70min進行脫氧和合金化，出鋼溫度為1550℃；
(2)檢測並調節各元素含量，然後進行電渣重熔；
(3)最後，採用790℃淬火加370℃高溫回火的工藝進行熱處理，加工成型得各元素質量百分數含量為：碳0.25％，鉻0.5％，錳0.2％，鈮0.022％，鉬0.74％，釩0.15％，磷0.01％，硫0.005％，鈦0.03％，鋁0.15％，硼<0.005％，矽<0.3％，鈰<0.003％，鐵餘量的低合金高強度抗硫化氫鋼。
對產品進行性能測試的結果如下：
A、力學性能測試：衝擊韌性Akv≥125J；硬度HRC<36；屈服強度σs≥861.9MPa；抗拉強度σb≥930.8MPa；
B、抗H2S腐蝕實驗：採用NACEA法試驗，即H2S分壓為0.1MPa，採用標準A溶液，試樣經200h試驗後，未發生硫化氫應力腐蝕裂紋。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。