专利名称：一种超高韧性高强度钻杆及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属制品及其制造方法，尤其涉及一种钻杆及其制造方法。
背景技术：
用于石油天然气钻探的钻杆是按照美国石油协会(API, American PetroleumInstitute)标准生产制造的。根据美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC 5DP)，钻杆仅有E、X、G、S四种钢级，分别对应75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四种强度。为保证钻杆的冲击性能，美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC OTP)规定了钻杆室温纵向全尺寸冲击韧性彡54J。随着石油工业的发展，钻杆的工作条件日趋恶劣，API标准钻杆已不能满足日益苛刻的钻井作业要求。近年来，随着深井、超深井的不断开发，对钻杆的性能提出了更高要求。·这不仅要求钻杆材料有较高的强度水平，而且要有充足的韧性储备。只有这样才能抵御过载操作中的强拉、强扭、冲击振动以及各种交变载荷作用，并能适应各种特殊工作条件对钻杆的使用要求。因此，美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC OTP)中S级钻杆规定的室温纵向全尺寸冲击韧性> 54J的标准已无法满足日益苛刻的钻井作业要求。为此，美国石油协会的标准提出了 PSL3级钻杆的性能要求S级钻杆_20°C纵向全尺寸冲击韧性> 100J,即超高韧性高强度钻杆的性能要求。公开号为CN1690241A，
公开日为2005年11月2日，名称为“高强度石油钻杆及其制造方法”的中国专利文献公开了一种高强度钻杆，其化学成分质量百分比配比为C:0. 20 0. 30% ；Si 0. ro. 5% ；Mn :0. 7 I. 5% ；Cr :0. 7 I. 5% ；Mo :0. I 0. 4% ；V :0. 01 0. 15% ；其
余为Fe和不可避免杂质。采用该专利可生产出符合美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC5DP)的S级钻杆，其冲击韧性满足室温纵向全尺寸冲击韧性> 54J的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度钻杆及其制造方法，该高强度钻杆满足美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC OTP)中-20°C纵向全尺寸冲击韧性彡100J的S级超高韧性的要求，从而可以在深井、超深井、水平井、大位移井等具有苛刻工作条件的钻井下进行工作。为了实现本发明的目的，本发明提供了一种超高韧性高强度钻杆，其各化学元素质量百分含量为c 0. 24 0. 30%, Si :0. I 0. 5%, Mn :0. 7 I. 5%, Cr :0. 7 I. 5%, Mo 0. 5 0. 75%, V :0. 01 0. 10%, Nb :0. 01 0. 05%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%,其余为 Fe 和
不可避免的杂质。本发明所述的超高韧性高强度钻杆的化学成分设计原理如下C :C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度。当C含量太低时，效果不明显；C含量太高时，会大大降低钢的韧性，并有可能产生淬火裂纹。因此，本发明C含量的控制范围为0. 24% 0. 30%O
Si :Si是提高浇铸性能必须加入的元素。但是含量过高会增加钢的脆性，故在本发明将中将Si含量控制在0. I 0. 5%。Mn Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的转变，从而得到更多的淬火马氏体，提高钢的淬透性。若Mn含量小于0. 7%时，提高淬透性的作用不明显；若Mn含量大于I. 5%时，则奥氏体过于稳定，会增加淬火后的残余奥氏体量。因此，本发明的Mn的含量为0. 7 I. 5%。Cr =Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性。其含量太低时，效果不明显；含量太高时，则会大大提高钢的硬度。所以，本发明中Cr含量范围为0. 7 I. 5%。Mo =Mo形成的碳化物颗粒细小，不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高冲击韧性。带钢主要是通过碳化物析出强化及固溶强化形式来提高钢的强度和回火稳定性，而较高的Mo含量在形成Mo的碳化物同时，还会有一部分多余的Mo固溶在基体中，以固溶强化的形式提高钢的回火稳定性。回火稳定性的提高有利于提高回火温度，从而降低热 处理后的残余应力，提高冲击韧性。但是由于Mo是贵金属，含量过高，则大大提高生产成本。在本发明的技术方案中将Mo含量设定为0. 5 0. 75%。V V能形成碳化物，能够细化晶粒，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量后，其效果增加不明显，又因为钒是贵金属，其价格很高，会导致生产成本的增加。所以，本发明中将V含量控制在0. 01 0. 10%。Nb :Nb能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，能够显现的效果便不明显，同时因为价格很高，所以本发明中将其含量控制在0.01 0. 05%。P :磷为杂质元素，越低越好，在本发明中，当磷元素超过0. 015%会增加微观偏析，影响钢的冲击韧性，因此本发明中应将磷含量控制为< 0. 015%。S :硫也为杂质元素，越低越好。在本发明中，当硫含量超过0. 005%会增加硫化物含量，影响钢的冲击韧性，所以本发明中应将硫含量控制为< 0. 005%。在本发明技术方案中，发明人添加了含量较高的Mo，而且添加了 Nb、V元素，这些金属元素在细化晶粒的同时还提高了钻杆的强度，可以使钻杆在后续较高的回火温度下达到135ksi的强度水平。相应地，本发明还提供上述高强度钻杆的制造方法，其包括在淬火步骤中，将钻杆整体加热到900 950°C后，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端的喷水量与管体的喷水量不同以使不同壁厚的管体和加厚管端具有相同的冷却速度；在回火步骤中，控制回火温度为650 675°C。在本技术方案中，发明人首先对钻杆管端进行加厚处理，制成加厚钻杆的管体；经整体加热到90(T95(TC后，放置于一个旋转淬火台架上，在钢管旋转的同时，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，并通过控制钻杆加厚管端和管体的不同喷水量，使不同壁厚的管体和加厚管端有相同的冷却速度，以保证钻杆管体和加厚管端具有相同的淬火组织；最后经65(T675°C回火处理使管体与加厚管端达到135ksi的力学性能。较之现有技术，本发明所述的超高韧性高强度钻杆及其制造方法具有下列有益效果在钻杆达到135ksi的强度情况下，其_20°C纵向全尺寸冲击韧性彡100J且冲击韧性远高于美国石油协会的《钻杆规范》(API SPEC OTP)中的S级钻杆水平，满足了深井、超深井、水平井、大位移井等高难度井的钻探要求。
具体实施例方式下面将结合具体实施例和对比例对于本发明所述的技术方案作出进一步的说明。实施例1-6表I列出了本发明的实施例1-6与目前常用的CrMnMo钢(对比例)的化学元素配比。表I (wt%)
权利要求
1.一种超高韧性高强度钻杆，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为C :0. 24 0. 30%, Si :0. I 0. 5%, Mn :0. 7 I. 5%, Cr :0. 7 I. 5%, Mo :0. 5 0. 75%,V :0. 01 0. 10%, Nb :0. 01 0. 05%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
2.如权利要求I所述的超高韧性高强度钻杆，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为C :0. 25 0. 29%, Si :0. 24 0. 38%, Mn :0. 92 I. 17%, Cr :0. 95 I. 22%, Mo :0. 6 0.75%, V :0. 05 0. 09%, Nb :0. 02 0. 04%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
3.如权利要求I或2所述的超高韧性高强度钻杆的制造方法，其特征在于 在淬火步骤中，将钻杆整体加热到900 950°C后，进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端的喷水量与管体的喷水量不同以使不同壁厚的管体和加厚管端具有相同的冷却速度； 在回火步骤中，控制回火温度为650 675°C。
全文摘要
本发明公开了一种超高韧性高强度钻杆，其化学元素质量百分含量为C0.24～0.30%，Si0.1～0.5%，Mn0.7～1.5%，Cr0.7～1.5%，Mo0.5～0.75%，V0.01～0.10%，Nb0.01～0.05%，P≤0.015%，S≤0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；制造该超高韧性高强度钻杆的方法为将钻杆整体加热到900～950℃后；进行钻杆内表面轴流喷水冷却和钻杆外表面层流喷水冷却，同时控制钻杆加厚管端与管体的喷水量不同；控制回火温度为650～675℃。本发明的超高韧性高强度钻杆在135ksi强度水平下，其-20℃纵向全尺寸冲击韧性≥100J。
文档编号C21D1/18GK102787274SQ201210299488
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者于杰, 赵鹏 申请人:宝山钢铁股份有限公司