專利名稱：一種適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能在高寒地區(qū)使用的鉆桿管體用鋼，屬于石油天然氣技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)以石油及天然氣為代表的能源的需求及依賴越來(lái)越大， 能源對(duì)國(guó)家的發(fā)展、人民的生活起著舉足輕重的作用。為獲取更多能源，石油鉆探已經(jīng)由常 規(guī)鉆井轉(zhuǎn)向更為苛刻的環(huán)境?？疾靾?bào)告表明，北極圈蘊(yùn)含著豐富的油氣資源，美國(guó)、俄羅斯、 加拿大等國(guó)相繼允許在這種高寒環(huán)境下開(kāi)采油氣資源，但其溫度低至-60°C，如果要在這些 高寒地區(qū)作業(yè)，鉆桿必須具有良好的低溫韌性(包括沖擊功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度兩個(gè)指標(biāo))，以 免發(fā)生低溫脆性斷裂事故。而鉆桿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(jù)金屬學(xué)的基本原理可知，不同材料在低溫環(huán)境使用，具有不同的冷脆傾向，目 前常用的鉆桿管體材料屬于體心立方晶格，具有明顯的冷脆傾向，而且強(qiáng)度越高，冷脆傾向 越明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，常用管體材料如27CrMo，當(dāng)其屈服強(qiáng)度達(dá)到S135鋼級(jí)時(shí)，隨著沖 擊試驗(yàn)溫度由常溫下降到-60°C，沖擊功由120J下降到50J左右，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-45°C左 右。而且由于淬透性略差的原因，在鉆桿管體的加厚處(壁厚20-30mm)往往無(wú)法淬透，其韌 脆轉(zhuǎn)變溫度更高，往往只有-30°C左右，無(wú)法滿足在北極地區(qū)等高寒地區(qū)作業(yè)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能在高寒地區(qū)使用的鉆桿管體用鋼，能克服現(xiàn)有鉆 桿管體材料所述不足之處，還提高了低溫韌性儲(chǔ)備。當(dāng)其屈服強(qiáng)度為995MPa (S135鋼級(jí)) 時(shí)，_60°C，縱向，3/4尺寸，夏比沖擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-75V。所述目的是通過(guò)如下方案實(shí)現(xiàn)的
一種適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，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% ；余量為Fe和不可去除的痕量元素。進(jìn)一步地，所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，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(jìn)一步地，所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，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%。所述鉆桿管體用鋼經(jīng)熱處理后的晶粒度彡8. 0級(jí)。
所述鉆桿管體用鋼經(jīng)熱處理后的管體及加厚端的全截面馬氏體轉(zhuǎn)變率達(dá)到90% 以上。以下敘述本發(fā)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(qiáng)化元素，它能顯著提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，為使強(qiáng)度達(dá)到S135鋼級(jí)，
同時(shí)管體加厚端淬透(壁厚可達(dá)到20-30mm)，其下限為0. 20%。但是，隨著C含量的增加，其 低溫沖擊功將降低，韌-脆轉(zhuǎn)變溫度將提高，同時(shí)，考慮到管體還要和接頭焊接，其C含量不 宜過(guò)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，并以固溶強(qiáng)化方式提高 鋼的強(qiáng)度，但Si含量太高，會(huì)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(qiáng)度，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫 度，提高鋼的淬透性，還能與硫結(jié)合能降低硫的有害作用。但Mn含量過(guò)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(chǎn)成本及批量生產(chǎn)的穩(wěn)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(qiáng)度，含量在0. 7-1. 0%，使得本發(fā)明的管體 用鋼能獲得良好的淬透性，強(qiáng)度和韌性。Cr含量太高，會(huì)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(dǎo)致的回火脆性。當(dāng)含量超過(guò) 0. 6%，一方面在性能優(yōu)化方面并無(wú)顯著效果，另一方面，會(huì)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(zhuǎn)變溫度降低。添加鎳量的多少取決于使用溫度和對(duì)低溫韌性的要求，鎳含量過(guò) 高，不但不經(jīng)濟(jì)，而且也會(huì)損害鋼的焊接性等工藝性能。因此，本發(fā)明鋼中，Ni的限定范圍 為 0. 75-1. 0%。Al在鋼中除脫氧外，還能與氮結(jié)合，減少氮在基體中的有害作用，提高鋼的韌性和 時(shí)效應(yīng)變能力，所形成的氮化鋁能阻礙鐵素體晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化，進(jìn)一步降低鋼的韌 脆轉(zhuǎn)變溫度。但鋁含量過(guò)高，鋼材中的夾雜物將容易超標(biāo)，這對(duì)鋼材的低溫韌性不利。因此， Al的限定范圍為< 0. 03%。V可以抑制鋼中晶界移動(dòng)和晶粒長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化。此外，鋼中加入一定量的V，無(wú) 論是退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，都可以提高鋼的強(qiáng)度，還可以改善鋼的塑韌性。但V含量過(guò)高， 為達(dá)到同樣強(qiáng)度，回火溫度會(huì)顯著提高，從而不利于管體和接頭焊后熱處理工藝匹配，最終 降低焊縫的低溫性能，本發(fā)明鋼中V的含量≤ 0. 01%。Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，能有效抑制奧氏體晶粒粗大，提高鋼的強(qiáng)度和低溫韌性， 但由于Ti和氮、氧結(jié)合力很強(qiáng)，添加量過(guò)多，則容易生成TIN硬脆相，降低鋼的低溫性能。因 此，本發(fā)明鋼中V的含量≤0. 01%。Re和氧、硫、磷、氮、氫的親和力很強(qiáng)，具有脫氣、脫硫磷和消除其他有害雜質(zhì)的作 用，并改善夾雜物的形態(tài)和分布，本發(fā)明鋼中其含量控制在≤ 0. 03%的水平。本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化合金元素搭配，獲得了一種適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體，與目前 常用的鉆桿管體材料相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)在管體處(壁厚約10mm)，當(dāng)其屈服強(qiáng)度達(dá)到E75、X95、G105鋼級(jí)時(shí)，在兩者屈服相當(dāng)?shù)?情況下，本發(fā)明鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度要比普通管體低約20°C，沖擊功提高20-30J。本發(fā)明鋼在屈服強(qiáng)度達(dá)到S135鋼級(jí)時(shí)，具有優(yōu)良的低溫韌性。當(dāng)其屈服強(qiáng)度為 995MPa時(shí)，-60 V，縱向，3/4尺寸，夏比沖擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉(zhuǎn)變溫度 為-75 0C ο在同樣規(guī)格、管體處屈服強(qiáng)度相當(dāng)情況下，本發(fā)明鋼管體加厚端(壁厚約 20-30mm)，強(qiáng)度提高約15%，韌脆轉(zhuǎn)變溫度比普通管體低約40°C。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用 于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員 根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1
按本發(fā)明設(shè)計(jì)的化學(xué)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(jìn)行冶煉、精煉、連鑄連軋后，軋制 成5’ X 9. 19mm,長(zhǎng)9. 2m的管坯，并加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進(jìn)行熱處理后，在管 體和加厚端取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和系列低溫沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，管體性能如下屈服強(qiáng)度為 875MPa時(shí)，其沖擊功(試樣尺寸7. 5 X IOmm)平均值為120J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于_100°C。加 厚端性能如下屈服強(qiáng)度為850MPa時(shí)，沖擊功(試樣尺寸10 X IOmm)為平均值160J，韌脆轉(zhuǎn) 變溫度低于-ioo°c。實(shí)施例2
按本發(fā)明設(shè)計(jì)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(jìn)行冶煉、精煉、連鑄連軋后，軋制成 5’ X 9. 19mm，長(zhǎng)9. 2m的管坯，并加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進(jìn)行熱處理后，在管體 和加厚端取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和系列低溫沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，管體性能如下屈服強(qiáng)度為 935MPa時(shí)，其沖擊功(試樣尺寸7. 5 X IOmm)平均值為100J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為_(kāi)100°C。加厚 端性能如下屈服強(qiáng)度為905MPa時(shí)，沖擊功(試樣尺寸IOXlOmm)為平均值120J，韌脆轉(zhuǎn)變 溫度為-95°C。實(shí)施例3
按本發(fā)明設(shè)計(jì)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(jìn)行冶煉、精煉、連鑄連軋后，軋制成5，X9. 19mm, 長(zhǎng)9. 2m的管還，并加厚到API要求尺寸(壁厚約24mm)，進(jìn)行熱處理后，在管體和加厚端取樣 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和系列低溫沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，管體性能如下屈服強(qiáng)度為995MI^時(shí)，其沖 擊功(試樣尺寸7.5X10mm)平均值為85J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-75°C。加厚端性能如下屈服 強(qiáng)度為980MPa時(shí)，沖擊功(試樣尺寸IOXlOmm)為平均值100J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-70V。
權(quán)利要求
1.一種適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，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% ；余量為Fe和不可去除的痕量元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，所述鉆桿管體 用鋼經(jīng)熱處理后的晶粒度> 8. 0級(jí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，其特征在于，所述鉆桿管體 用鋼經(jīng)熱處理后的管體及加厚端的全截面馬氏體轉(zhuǎn)變率達(dá)到90%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于高寒地區(qū)的鉆桿管體用鋼，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，余量為Fe和不可去除的痕量元素。當(dāng)其屈服強(qiáng)度為995MPa時(shí)，-60℃，縱向，3/4尺寸，夏比沖擊功為85J，斷口纖維率為100%，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-75℃。
文檔編號(hào)C22C38/40GK102071363SQ20111004585
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者歐陽(yáng)志英, 袁鵬斌 申請(qǐng)人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油鉆具有限公司