专利名称：一种适用于高寒地区的钻杆管体用钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能在高寒地区使用的钻杆管体用钢，属于石油天然气技术领域。
背景技术：
随着全球经济的发展，对以石油及天然气为代表的能源的需求及依赖越来越大， 能源对国家的发展、人民的生活起着举足轻重的作用。为获取更多能源，石油钻探已经由常 规钻井转向更为苛刻的环境。考察报告表明，北极圈蕴含着丰富的油气资源，美国、俄罗斯、 加拿大等国相继允许在这种高寒环境下开采油气资源，但其温度低至-60°C，如果要在这些 高寒地区作业，钻杆必须具有良好的低温韧性(包括冲击功和韧脆转变温度两个指标)，以 免发生低温脆性断裂事故。而钻杆通常由管体及接头摩擦焊接而成，这也就要求管体、接头 及焊缝均具有良好的低温韧性。根据金属学的基本原理可知，不同材料在低温环境使用，具有不同的冷脆倾向，目 前常用的钻杆管体材料属于体心立方晶格，具有明显的冷脆倾向，而且强度越高，冷脆倾向 越明显。试验结果表明，常用管体材料如27CrMo，当其屈服强度达到S135钢级时，随着冲 击试验温度由常温下降到-60°C，冲击功由120J下降到50J左右，韧脆转变温度为-45°C左 右。而且由于淬透性略差的原因，在钻杆管体的加厚处(壁厚20-30mm)往往无法淬透，其韧 脆转变温度更高，往往只有-30°C左右，无法满足在北极地区等高寒地区作业要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在高寒地区使用的钻杆管体用钢，能克服现有钻 杆管体材料所述不足之处，还提高了低温韧性储备。当其屈服强度为995MPa (S135钢级) 时，_60°C，纵向，3/4尺寸，夏比冲击功为85J，断口纤维率为100%，韧脆转变温度为-75V。所述目的是通过如下方案实现的
一种适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，是由下述重量百分比的成分组成 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，还含有重量百分比如下的两种或两种以上组分=Al ( 0. 03%,V ( 0. 10%， Mo ^ 0. 6%, Ti ^ 0. 03%, Re ^ 0. 03%, Ca ^ 0. 02% ；余量为Fe和不可去除的痕量元素。进一步地，所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，是由下述重量百分比的成分组 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% ；还含有下述重量比的一种或多种成分:Mo 0. 4-0. 6%, Al 0. 01-0. 02%, V 0. 04-0. 10%ο更进一步地，所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，是由下述重量百分比的 成分组成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% ；还含有下述重量比的一种或多种成分Mo 0. 10-0. 30%, Ti 0. 02%, Re 0. 003%, Ca 0.002-0. 02%。所述钻杆管体用钢经热处理后的晶粒度彡8. 0级。
所述钻杆管体用钢经热处理后的管体及加厚端的全截面马氏体转变率达到90% 以上。以下叙述本发明中C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、V、Ca等元素限定的理由 C是钢中主要的强化元素，它能显著提高钢的强度和淬透性，为使强度达到S135钢级，
同时管体加厚端淬透(壁厚可达到20-30mm)，其下限为0. 20%。但是，随着C含量的增加，其 低温冲击功将降低，韧-脆转变温度将提高，同时，考虑到管体还要和接头焊接，其C含量不 宜过高，因此，C含量的上限为0. 3%。Si是为钢水脱氧而添加的，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化方式提高 钢的强度，但Si含量太高，会降低钢的韧性。所以其含量为0. 17-0. 35%。Mn在低温钢中是有益的合金元素，它不仅能提高钢的强度，降低钢的韧脆转变温 度，提高钢的淬透性，还能与硫结合能降低硫的有害作用。但Mn含量过高，晶粒容易粗大， 还增加了回火脆性，因此，其含量为0. 6-1. 0%。P、S是低温钢中的有害元素，含量越低越好，考虑到生产成本及批量生产的稳定 性，P ≤ 0. 015%, S ≤ 0. 008%O添加Cr是为了提高淬透性及提高钢的强度，含量在0. 7-1. 0%，使得本发明的管体 用钢能获得良好的淬透性，强度和韧性。Cr含量太高，会降低钢的韧性。添加Mo是为了提高钢的淬透性，降低其他元素导致的回火脆性。当含量超过 0. 6%，一方面在性能优化方面并无显著效果，另一方面，会大大提高成本。因此，其含量控制 在≤0. 6%。Ni是低温钢中最重要的合金元素之一，加入钢中与基体形成α固溶体，能显著提 高铁素体的韧性，从而提高铁素体低温钢的低温韧性。随着钢中镍含量的增加，低温韧性提 高，韧脆转变温度降低。添加镍量的多少取决于使用温度和对低温韧性的要求，镍含量过 高，不但不经济，而且也会损害钢的焊接性等工艺性能。因此，本发明钢中，Ni的限定范围 为 0. 75-1. 0%。Al在钢中除脱氧外，还能与氮结合，减少氮在基体中的有害作用，提高钢的韧性和 时效应变能力，所形成的氮化铝能阻碍铁素体晶粒的长大，使晶粒细化，进一步降低钢的韧 脆转变温度。但铝含量过高，钢材中的夹杂物将容易超标，这对钢材的低温韧性不利。因此， Al的限定范围为< 0. 03%。V可以抑制钢中晶界移动和晶粒长大，使晶粒细化。此外，钢中加入一定量的V，无 论是退火、正火或调质状态，都可以提高钢的强度，还可以改善钢的塑韧性。但V含量过高， 为达到同样强度，回火温度会显著提高，从而不利于管体和接头焊后热处理工艺匹配，最终 降低焊缝的低温性能，本发明钢中V的含量≤ 0. 01%。Ti是强碳化物形成元素，能有效抑制奥氏体晶粒粗大，提高钢的强度和低温韧性， 但由于Ti和氮、氧结合力很强，添加量过多，则容易生成TIN硬脆相，降低钢的低温性能。因 此，本发明钢中V的含量≤0. 01%。Re和氧、硫、磷、氮、氢的亲和力很强，具有脱气、脱硫磷和消除其他有害杂质的作 用，并改善夹杂物的形态和分布，本发明钢中其含量控制在≤ 0. 03%的水平。本发明通过优化合金元素搭配，获得了一种适用于高寒地区的钻杆管体，与目前 常用的钻杆管体材料相比，本发明具有以下优点在管体处(壁厚约10mm)，当其屈服强度达到E75、X95、G105钢级时，在两者屈服相当的 情况下，本发明钢的韧脆转变温度要比普通管体低约20°C，冲击功提高20-30J。本发明钢在屈服强度达到S135钢级时，具有优良的低温韧性。当其屈服强度为 995MPa时，-60 V，纵向，3/4尺寸，夏比冲击功为85J，断口纤维率为100%，韧脆转变温度 为-75 0C ο在同样规格、管体处屈服强度相当情况下，本发明钢管体加厚端(壁厚约 20-30mm)，强度提高约15%，韧脆转变温度比普通管体低约40°C。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用 于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员 根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。实施例1
按本发明设计的化学成分(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%)要求进行冶炼、精炼、连铸连轧后，轧制 成5’ X 9. 19mm,长9. 2m的管坯，并加厚到API要求尺寸(壁厚约24mm)，进行热处理后，在管 体和加厚端取样进行拉伸试验和系列低温冲击试验。结果表明，管体性能如下屈服强度为 875MPa时，其冲击功(试样尺寸7. 5 X IOmm)平均值为120J，韧脆转变温度低于_100°C。加 厚端性能如下屈服强度为850MPa时，冲击功(试样尺寸10 X IOmm)为平均值160J，韧脆转 变温度低于-ioo°c。实施例2
按本发明设计成分(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))要求进行冶炼、精炼、连铸连轧后，轧制成 5’ X 9. 19mm，长9. 2m的管坯，并加厚到API要求尺寸(壁厚约24mm)，进行热处理后，在管体 和加厚端取样进行拉伸试验和系列低温冲击试验。结果表明，管体性能如下屈服强度为 935MPa时，其冲击功(试样尺寸7. 5 X IOmm)平均值为100J，韧脆转变温度为_100°C。加厚 端性能如下屈服强度为905MPa时，冲击功(试样尺寸IOXlOmm)为平均值120J，韧脆转变 温度为-95°C。实施例3
按本发明设计成分(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%)要求进行冶炼、精炼、连铸连轧后，轧制成5，X9. 19mm, 长9. 2m的管还，并加厚到API要求尺寸(壁厚约24mm)，进行热处理后，在管体和加厚端取样 进行拉伸试验和系列低温冲击试验。结果表明，管体性能如下屈服强度为995MI^时，其冲 击功(试样尺寸7.5X10mm)平均值为85J，韧脆转变温度为-75°C。加厚端性能如下屈服 强度为980MPa时，冲击功(试样尺寸IOXlOmm)为平均值100J，韧脆转变温度低于-70V。
权利要求
1.一种适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，是由下述重量百分比的成分组 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，还含有重量百分比如下的两种或两种以上组分Al < 0. 03%, V^O. 10%， Mo 彡 0. 6%, Ti 彡 0. 03%, Re 彡 0. 03%, Ca 彡 0. 02% ；余量为Fe和不可去除的痕量元素。
2.根据权利要求1所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，是由下述 重量百分比的成分组成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% ；还含有下述重量百分比的一种或多种成分Mo 0. 4-0. 6%，Al 0. 01-0. 02%, V 0. 04-0. 10%ο
3.根据权利要求1所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，是由下述 重量百分比的成分组成: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% ；还含有下述重量百分比的一种或多种成分:Mo 0. 10-0. 30%, Ti 0. 02%, Re 0. 003%, Ca0.002-0. 02%o
4.根据权利要求1所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，所述钻杆管体 用钢经热处理后的晶粒度> 8. 0级。
5.根据权利要求1所述适用于高寒地区的钻杆管体用钢，其特征在于，所述钻杆管体 用钢经热处理后的管体及加厚端的全截面马氏体转变率达到90%以上。
全文摘要
本发明涉及一种适用于高寒地区的钻杆管体用钢，所述钢是由下述重量百分比的成分组成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，还含有Al≤0.03%，V≤0.10%，Mo≤0.6%，Ti≤0.03%，Re≤0.03%，Ca≤0.02%中的两种或两种以上，余量为Fe和不可去除的痕量元素。当其屈服强度为995MPa时，-60℃，纵向，3/4尺寸，夏比冲击功为85J，断口纤维率为100%，韧脆转变温度为-75℃。
文档编号C22C38/40GK102071363SQ20111004585
公开日2011年5月25日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者欧阳志英, 袁鹏斌 申请人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油钻具有限公司