專利名稱：耐-20℃低溫用165ksi鋼級(jí)鉆桿及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆井用鉆桿，特別是一種耐-20°c低溫用的鋼級(jí)鉆桿及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著石油工業(yè)的深入發(fā)展，地球上儲(chǔ)存的石油資源越來越少，剩余的石油資源埋藏越來越深，工況環(huán)境越來越惡劣。例如在中國(guó)的新疆等地區(qū)，越來越多的深井、超深井相繼被開發(fā)，有的油井開采深度已經(jīng)達(dá)到8000米以上。在深層地下，容易出現(xiàn)地壓變化、泥巖蠕變、疏松砂巖坍塌、地層巖石滑移、以及地震、地殼運(yùn)動(dòng)等等，使石油鉆井用鉆桿承受著深層高壓和高溫及自重等惡劣復(fù)雜的環(huán)境作用。因此，用于深井、超深井、地質(zhì)復(fù)雜等開采難度大油田使用的鉆井用鉆桿為了保證其使用安全性，必須在保證鉆桿具有超高屈服強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，還必須具有良好的韌性和塑性。此外，在寒冷地區(qū)施工的鉆井用鉆桿，還要求鉆桿具有良好的低溫韌性和低溫抗沖擊性能。這也是鉆井用鉆桿中公認(rèn)的技術(shù)難度最大、要求最高的產(chǎn)品之一。鋼鐵的強(qiáng)韌化技術(shù)是低合金調(diào)質(zhì)鋼中最重要的研究課題。在低合金調(diào)質(zhì)鋼中，由于強(qiáng)度和韌性的矛盾關(guān)系為了獲得較高的強(qiáng)度，則必須降低回火溫度或者縮短回火時(shí)間， 材料的沖擊韌性受到影響；而為了改善鋼鐵的沖擊韌性，在調(diào)質(zhì)熱處理中必須提高回火溫度或者延長(zhǎng)回火時(shí)間，鋼鐵材料的屈服強(qiáng)度則會(huì)顯著的降低。在當(dāng)前，面對(duì)石油鉆井發(fā)展的趨勢(shì)，急需研發(fā)出一種既具有超高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，又能保證良好韌性和優(yōu)良的低溫沖擊性能的鉆桿，以滿足苛刻環(huán)境中鉆桿的使用安全。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐-20°C低溫用
鋼級(jí)鉆桿及其制造方法，以利于達(dá)到目的之一，常溫下管材的屈服強(qiáng)度在1137 1241MPa 之間；目的之二，_20°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J ； 目的之三，洛氏硬度HRC在40 43 ；延伸率彡16% ；晶粒度9 10級(jí)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種耐_20°C低溫用
鋼級(jí)鉆桿，其中該鋼管組成以質(zhì)量％計(jì)，含有C :0. 25 0. 29%, Si 0.21 0. 29%, Mn 0. 45 0. 60 %, Cr :0. 95 1. 15 %，Mo :0. 75 0. 95 %, Ni :0. 55 0. 75 %, V 0. 05 0. 10%, Nb 0. 03 0. 07%, Ca 彡 0. 0015%, Al :0. 025 0. 045%, Ti 彡 0. 02%, B^O. 0005%,0 ^ 0. 0025%, N ^ 0. 008%, H ^ 0. 0002%, P ^ 0. 010%, S ^ 0. 002%，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的總含量彡0.015%，其余為鐵。同時(shí)還提供一種耐_20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿的制造方法。本發(fā)明的效果是該方法(1)在合金元素設(shè)計(jì)上采用優(yōu)化成分配比保證屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，改善鋼管的低溫沖擊韌性。( 在煉鋼工藝上嚴(yán)格控制S、p、氣體、五害殘留元素。( 精煉后期VD真空脫氣后再適當(dāng)喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在92%以上，提高了鋼鐵的純凈度；(4)喂入鋁絲并攪拌8分鐘以后再喂入CaSi絲，使得鋼液中Ca含量彡0. 0015%，S含量< 0. 002%； (5)澆注前保持12 18分鐘的鎮(zhèn)定時(shí)間，促進(jìn)夾雜物上浮，然后上連鑄平臺(tái)進(jìn)行澆注，弧形拉坯；(6)采用無縫管連軋工藝，控制軋制和冷卻，提高熱軋態(tài)鋼管的組織和性能；(7)熱軋完成后采用特定的熱處理工藝，既保證了鋼管的淬火效果，又提高了材料的強(qiáng)度和低溫沖擊性能。
具體實(shí)施例方式結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的耐-20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿及其制造方法。本發(fā)明的耐-20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿是這樣實(shí)現(xiàn)的耐_20°C低溫用165ksi鋼級(jí)鉆桿組分以質(zhì)量％計(jì)，含有C:0.25 0J9%，Si: 0. 21 0. 29%, Mn :0. 45 0. 60%, Cr :0. 95 1. 15%, Mo :0. 75 0. 95%, Ni :0. 55
0.75 %, V 0. 05 0. 10 %，Nb :0. 03 0. 07 %，Ca 彡 0. 0015 %，Al :0. 025 0. 045 %， Ti ^ 0. 02%, B^O. 0005%,0 彡 0. 0025%, N ^ 0. 008%, H ^ 0. 0002%, P^O. 010%, S彡0. 002%，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的總含量彡0.015%，其余為鐵。所述鉆桿的性能指標(biāo)是常溫屈服強(qiáng)度在1137 1241MPa之間；_20°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J，縱向沖擊功100 120J;洛氏硬度HRC在40 43 ；延伸率彡16% ；晶粒度9 10級(jí)。本發(fā)明的耐-20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿及其制造方法，包括以下步驟煉鋼(1)按 C 0. 25 0. 29 %，Si 0. 21 0. 29 %，Mn 0. 45 0. 60 %，Cr 0. 95
1.15%, Mo 0. 75 0. 95%，Ni :0. 55 0. 75%, V :0. 05 0. 10%，Nb :0. 03 0. 07%, Ca 彡 0. 0015 %, Al :0. 025 0. 045 %，Ti 彡 0. 02 %，B 彡 0. 0005 %,0 ^ 0. 0025 %, N^O. 008%, H^O. 0002%, P^O. 010%, S^O. 002%的組分采用優(yōu)質(zhì)廢鋼加上鐵水或生鐵冶煉，鋼包中精煉后使As、Sn、Hk Sb、Bi的五害總含量彡0.015% ；(2)精煉后采取60 80帕斯卡的真空VD脫氣處理，脫氣時(shí)間12 15分鐘；(3)真空脫氣后再喂入鋁絲，調(diào)整鋁絲喂入量和鋼水鎮(zhèn)定時(shí)間，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在92%以上；(4)喂入鋁絲并攪拌8分鐘以后再喂入CaSi絲，使得鋼液中Ca含量彡0.0015%， S 含量< 0. 002% ；(5)澆注前保持12 18分鐘的鎮(zhèn)定時(shí)間，促進(jìn)夾雜物上浮，然后鋼包上連澆鑄平臺(tái)進(jìn)行澆注，弧形拉坯；嚴(yán)格控制化學(xué)成分準(zhǔn)確度和成分精度，減少主要合金成分的波動(dòng)范圍?，F(xiàn)在介紹主要合金元素的作用C :C在回火過程中為碳化物形成元素，在奧氏體淬火硬化時(shí)候是固溶強(qiáng)化元素， 可以提高鋼的強(qiáng)度，太低時(shí)效果不明顯，太高則會(huì)極大降低鋼的韌性。在本發(fā)明中C的推薦含量在0. 25%以上，0.以下。Si Si是起脫氧劑作用的元素，但含量超過0. 5 %時(shí)降低鋼的熱塑性。在本發(fā)明中 Si的含量在0.21%以上，0. 29%以下。
Mn =Mn為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，太高則會(huì)增大鋼中的殘余奧氏體量，影響熱軋組織的均勻性。Ni =Ni為奧氏體形成元素，可以提高鋼的淬透性，同時(shí)改善鋼的低溫沖擊韌性。本發(fā)明中，Ni的推薦含量在0. 55 0. 75 %。Cr =Cr是提高鋼的淬透性元素，提高鋼的強(qiáng)度。含量太高則會(huì)降低鋼的高溫?zé)崴苄?，給連鑄和熱軋?jiān)斐衫щy。本發(fā)明中Cr是主要合金強(qiáng)化元素，推薦含量0. 95 1. 15%。Mo 在低碳低合金鋼中能提高鋼的淬透性和淬硬性，并且是碳化物形成元素，在調(diào)質(zhì)熱處理后能顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性。在本發(fā)明中推薦含量0. 75 0. 95%。V:能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度、改善韌性和提高回火穩(wěn)定性，本發(fā)明中V質(zhì)量百分比在0. 05 0. 10%。Nb 能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但降低鋼的熱塑性，影響熱軋態(tài)鋼管的表面質(zhì)量，所以要限制使用量。Ti 能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但含量過多容易引起粗大的碳氮化鈦的夾雜物，降低鋼的韌性，所以要嚴(yán)格限制其含量。Al 較好的脫氧元素，但加入太多容易造成氧化鋁夾雜，要盡量提高酸溶鋁占全鋁的比重，真空脫氣后再適量喂Al絲。Ca 主要是促進(jìn)夾雜物球化變性，真空脫氣后再適量喂CaSi絲。B:晶界強(qiáng)化元素，含量過多則會(huì)增大鋼的脆性，所以要嚴(yán)格控制其含量。軋管(1)將澆注冷卻后的鋼坯加入環(huán)形爐加熱，加熱溫度1150 1300°C，加熱保溫時(shí)間2. 5 3. 0小時(shí)；(2)鋼坯出環(huán)形爐后穿孔連軋，穿孔溫度1050 1100°C，穿孔后溫度1200 1250°C, PQF三輥軋機(jī)開軋溫度1050 1100°C，出脫管機(jī)溫度1000 1050°C ；(3)連軋管出脫管機(jī)后進(jìn)入張力減徑機(jī)，在870 930°C下定徑成最終成品規(guī)格， 出機(jī)架后再空冷至室溫；鋼管熱處理(1)軋制后的鋼管進(jìn)入步進(jìn)式加熱爐加熱保溫，加熱爐溫度設(shè)定在完全奧氏體化溫度AC3以上15 20°C，鋼管入爐后在爐內(nèi)的保溫時(shí)間為T1，采用下列公式計(jì)算T1分鐘=25+3. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；(2)鋼管出爐后進(jìn)行水淬處理，淬火方式采用外淋、內(nèi)噴、鋼管旋轉(zhuǎn)的方式水冷，控制水量和水溫，確保鋼管在25秒鐘之內(nèi)從奧氏體狀態(tài)冷卻到室溫；(3)經(jīng)過淬火后的鋼管進(jìn)入步進(jìn)式回火爐，回火爐第一階段溫度設(shè)置450°C 480°C，保溫時(shí)間為T2，采用下列公式計(jì)算T2分鐘=40+3. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；回火爐第二階段溫度設(shè)置580°C 600°C，保溫時(shí)間為T3,采用下列公式來計(jì)算T3分鐘=60+4. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；(4)鋼管出回火爐后空冷至室溫。然后再經(jīng)過探傷，定尺，管端加工等工序，得到最終成品鉆桿。表1 5為采用本發(fā)明方法生產(chǎn)的成品鉆桿的主要合金成分、有害殘留成分、力學(xué)性能以及微觀組織的檢測(cè)結(jié)果表1主要合金成分
權(quán)利要求
1.一種耐-20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿，其特征是該鉆桿組分以質(zhì)量％計(jì)，含有C 0. 25 0. 29%, Si 0. 21 0. 29%, Mn :0. 45 0. 60%, Cr :0. 95 1. 15%, Mo :0. 75 0. 95%, Ni 0. 55 0. 75%, V :0. 05 0. 10%, Nb :0. 03 0. 07%, Ca 彡 0. 0015%, Al 0. 025 0. 045%,Ti 彡 0. 02%，B 彡 0. 0005%,0 ^ 0. 0025%,N^ 0. 008%,H^ 0. 0002%, P彡0. 010%, S彡0. 002%，包括As、Sn、Pb、Sb、Bi的五害元素的總含量彡0. 015%，其余為鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐-20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿，其特征是所述鉆桿的常溫屈服強(qiáng)度在1137 1241ΜΙ^之間；_20°C溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70 90J， 縱向沖擊功100 120J ；洛氏硬度HRC在40 43 ；延伸率彡16% ；晶粒度9 10級(jí)。
3.按照權(quán)利要求1所述的耐_20°C低溫用鋼級(jí)鉆桿的制造方法，該方法包括以下步驟煉鋼(1)按權(quán)利要求1的組分采用優(yōu)質(zhì)廢鋼加上鐵水或生鐵，鋼包中精煉后使As、Sn、Pb、 Sb、Bi的五害總含量彡0.015% ；(2)精煉后采取60 80帕斯卡的真空VD脫氣處理，脫氣時(shí)間12 15分鐘；(3)真空脫氣后再喂入鋁絲，調(diào)整鋁絲喂入量和鋼水鎮(zhèn)定時(shí)間，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在92%以上；(4)喂入鋁絲并攪拌8分鐘以后再喂入CaSi絲，使得鋼液中Ca含量彡0.0015%，S含量彡 0. 002% ；(5)澆注前保持12 18分鐘的鎮(zhèn)定時(shí)間，促進(jìn)夾雜物上浮，然后鋼包上連澆鑄平臺(tái)進(jìn)行澆注，弧形拉坯；軋管(1)將澆注冷卻后的鋼坯加入環(huán)形爐加熱，加熱溫度1150 1300°C，加熱保溫時(shí)間 2. 5 3. 0小時(shí)；(2)鋼坯出環(huán)形爐后穿孔連軋，穿孔溫度1050 1100°C，穿孔后溫度1200 1250°C， PQF三輥軋機(jī)開軋溫度1050 1100°C，出脫管機(jī)溫度1000 1050°C ；(3)連軋管出脫管機(jī)后進(jìn)入張力減徑機(jī)，在870 930°C下定徑成最終成品規(guī)格，出機(jī)架后再空冷至室溫；鋼管熱處理(1)軋制后的鋼管進(jìn)入步進(jìn)式加熱爐加熱保溫，加熱爐溫度設(shè)定在完全奧氏體化溫度 AC3以上15 20°C，鋼管入爐后在爐內(nèi)的保溫時(shí)間為T1，采用下列公式計(jì)算T1分鐘=25+3. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；(2)鋼管出爐后進(jìn)行水淬處理，淬火方式采用外淋、內(nèi)噴、鋼管旋轉(zhuǎn)的方式水冷，控制水量和水溫，確保鋼管在25秒鐘之內(nèi)從奧氏體狀態(tài)冷卻到室溫；(3)經(jīng)過淬火后的鋼管進(jìn)入步進(jìn)式回火爐，回火爐第一階段溫度設(shè)置450°C 480°C， 保溫時(shí)間為T2，采用下列公式計(jì)算T2分鐘=40+3. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；回火爐第二階段溫度設(shè)置580°C 600°C，保溫時(shí)間為T3,采用下列公式來計(jì)算T3分鐘=60+4. 5D，D為該鋼管的壁厚以毫米為單位的數(shù)值；(4)鋼管出回火爐后空冷至室溫。然后再經(jīng)過探傷，定尺，管端加工等工序，得到最終成品鉆桿。
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐-20℃低溫用165ksi鋼級(jí)鉆桿，采用C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金作為主要強(qiáng)化元素，同時(shí)添加少量V、Nb等微合金元素。生產(chǎn)的鋼管具有常溫屈服強(qiáng)度在1137～1241MPa之間；-20℃溫度條件下夏比V型橫向沖擊功70～90J，縱向沖擊功100～120J；洛氏硬度HRC在40～43；延伸率≥16％；晶粒度9～10級(jí)。本發(fā)明的效果是在合金元素設(shè)計(jì)上采用優(yōu)化成分配比保證屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，改善鋼管的低溫沖擊韌性；在煉鋼工藝上嚴(yán)格控制S、P、氣體、五害殘留元素；精煉后期VD真空脫氣后再適當(dāng)喂入鋁絲，使得酸溶鋁占全鋁的比重保持在92％以上，提高了鋼鐵的純凈度；熱軋完成后采用特定的熱處理工藝，既保證了鋼管的淬火效果，又提高了材料的強(qiáng)度和低溫沖擊性能。
文檔編號(hào)B21B19/04GK102268614SQ20111006785
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者嚴(yán)澤生, 劉江成, 史慶志, 周家祥, 周曉峰, 孫開明, 宗衛(wèi)兵, 張傳友, 張寶惠, 李效華, 李毅, 江勇 申請(qǐng)人:天津鋼管集團(tuán)股份有限公司