一种高强韧150钢级钻杆材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钻杆材料领域，特别涉及一种高强韧150钢级钻杆材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 钻柱是石油工业中不可替代的高科技含量的工具，被广泛用于石油开采、地质勘 探和深井开挖等地下深层作业。钻柱通常包括：钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻 杆。其中，钻杆是钻柱的基本组成部分，主要用于传递扭矩、输送钻井液以及在钻井过程中 通过钻杆的不断连接来达到不断加深井眼的目的。因此，在油井开发中，要求钻杆必须能够 承受巨大的内外压、扭曲力和弯曲力等。目前，在油气勘探开发过程中，为了提高钻杆材料 的强度，高强度的150钢级钻杆材料正在被逐步开发使用。
[0003] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
[0004] 钻杆在使用过程中，由于受到各种外力的反复作用，会产生疲劳，从而带来钻杆甚 至钻柱的疲劳破坏，即钻杆或钻柱失效。目前在日益严酷的石油开发环境中，石油钻杆材料 的疲劳寿命低，钻杆失效事故发生率高，严重影响了材料在石油钻杆生产中的广泛应用。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中150钢级钻杆材料疲劳寿命低的问题，本发明实施例提供了 一种高强韧150钢级钻杆材料及其制备方法。所述技术方案如下 ：
[0006] -方面，本发明提供了一种高强韧150钢级钻杆材料，所述材料的化学成分及质 量百分比含量为：C(碳）：0? 23% ~0? 30%，Cr(铬）：0? 5% ~1. 5%，Ni(镍）：0? 6% ~1. 0%，Mn (锰）：0? 9% ~1. 5%，Mo(钥）：0? 8% ~1. 4%，Si(硅）：0? 1% ~0? 5%，Ce(铈）：0? 6% ~1. 0%， Nb(铌）：0? 01~0? 08%，V(钒）：0? 01%~0? 08%，余量为Fe(铁）和不可避免的杂质，所述 不可避免的杂质中S(硫)、P(磷)、A1 (铝）的质量百分比为：S:彡0? 008%，P:彡0? 08%，A1: 彡 0? 07%。
[0007] 本发明的一个优选的技术方案是：所述材料的化学成分及质量百分比含量为： C:0. 26% ~0? 29%，Cr: 1. 1% ~1. 3%，Ni:0? 7% ~0? 9%，Mn: 1. 0% ~1. 2%，Mo: 1. 0% ~1. 2%， Si: 0? 2% ~0? 3%，Ce: 0? 7% ~0? 9%，Nb: 0? 03 ~0? 06%，V:0? 03% ~0? 07%，余量为Fe和不可 避免的杂质，所述可避免的杂质中，S、P、A1的质量百分比为：S:彡0. 008%，P:彡0. 08%，A1 : 彡 0? 07%。。
[0008] 更优选的一个技术方案是：所述材料的化学成分及质量百分比含量为：C:0. 29%， Cr:0? 9%，Ni:0? 75%，Mn:1. 2%，Mo:0? 9%，Si:0? 30%，Ce:0? 7%，Nb:0? 06%，V:0? 04%，余量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，S、P、A1的质量百分比为：S 0.005%，P: 彡 0. 008%A1 :彡 0. 03%。。
[0009] 另一个更优选的技术方案是：所述材料的化学成分及质量百分比含量为：C: 0? 26%，Cr:0? 8%，Ni:0? 9%，Mn:1. 0%，Mo:1. 0%，Si:0? 25%，Ce:0? 9%，Nb:0? 07%，V:0? 06%，余 量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中S、P、A1的质量百分比为：S 0. 003%， P0. 008%,A1 0. 06%〇
[0010] 还有一个更优选的技术方案是：所述材料的化学成分及质量百分比含量为：C: 0. 30%,Cr：0. 75%,Ni：0. 6%,Mn：1. 35%,Mo：1. 1%,Si：0. 35%,Ce：0. 71%,Nb：0. 03%,V： 0. 01%，余量为Fe和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中S、P、A1的质量百分比为：S: 彡 0? 003%，P:彡 0? 008%，A1 :彡 0? 02%。
[0011] 本发明中所述材料的化学成分及其质量百分比的设计原理如下。
[0012] 在深井施工过程中，钻杆承受的应力非常复杂，包括拉、压、弯、扭、剪切及其复合 和受变载荷等，容易引起钻杆的疲劳破坏；同时，深井施工中，对钻柱的转速要求很_，而钻 速过快会增大应力交变频率，从而减少钻杆的疲劳寿命；另外，根据机械振动理论，当转速 与钻柱固有频率重合时，钻柱便发生共振，当共振发生时无论钻杆新旧都会很快疲劳。因 此，目前在深井施工过程中，钻杆失效的事故越来越多。根据资料统计，每年钻柱失效的事 故有1000例左右，其中由于钻杆失效引起钻柱失效的事故占钻柱失效事故的50%~60%。
[0013] 现有的理论、实验以及生产实践都表明，材料在交变载荷下疲劳破坏过程主要有 两个步骤，一是疲劳裂纹的萌生，二是疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹萌生过程的时间占了整个 疲劳破坏过程总时间的80%。如果能把疲劳裂纹的萌生时间变得足够长，就可以很大程度上 提_材料的抗疲劳破坏的能力。根据目如最新的关于材料疲劳寿命的理论，认为材料的疲 劳裂纹源的萌生过程是损伤累积的过程。在此过程中，首先是形成疲劳短裂纹，短裂纹聚合 最终形成疲劳裂纹源。根据最新的研究成果，在一定的能量输入的情况下，疲劳短裂纹的长 度集中在材料的晶粒尺寸附近，疲劳短裂纹的长度只有在增大输入能量的情况下，才可能 继续长大至两个晶粒尺寸大小。理由是在这个过程中，晶界使得裂纹扩展受到阻碍。而这 些短裂纹的持续增加和聚合，最终形成大的裂纹，成为疲劳裂纹源，加速扩展。所以，认为晶 粒尺寸对材料的抗疲劳性能影响很大，晶粒尺寸越小，抗疲劳性能越好。另外，疲劳裂纹最 主要的萌生处是材料中的第二相和加工制造过程中产生的缺陷，因此，在材料的制造和热 处理过程中，尽可能使材料中的第二相粒子小，并成球状，以减少其表面能，并尽可能的避 免产生表面缺陷。
[0014] 为了解决上述问题，本发明实施例通过添加稀土元素Ce并控制其他化学成分的 含量，即调整150钢级钻杆材料的配方来细化晶粒，使第二相粒子成球状，从而提高所述钻 杆材料的强韧性匹配，提高材料的抗疲劳性能，延长疲劳寿命。
[0015] 具体解释如下：
[0016] 本发明实施例中C是奥氏体形成元素，含有C可以起到减少同样是奥氏体形成元 素的Ni的用量的效果，但C含量太低时上述效果不明显，也有损材料的强度，C也为碳化 物形成元素，含有C可以提高钢的强度，但是高含量C容易形成含Cr颗粒粗大的M23C6型 碳化物，降低钢的抗SSC性能和冲击韧性。为兼顾强度与韧性，本发明C添加量为0. 23~ 0? 30%。
[0017] 本发明实施例中Mn成本较低，具有提高淬透性及通过固溶强化提高铁素体强度 的作用。然而Mn含量过多则会导致锰合金渗碳体过多的分布在晶界，降低材料韧性。
[0018] 本发明实施例中添加了稀土元素Ce。稀土元素Ce可净化钢液，减少P在晶界上的 偏析，消除了Fe3P弱化晶界的有害作用，强化晶界状态，同时形成球形硫氧化物。该化合物 硬度高于MnS，在轧制时不会沿轧制方向呈长条状分布，避免了应力集中，提高强度、韧性和 疲劳强度。稀土元素Ce同时可促进固溶于奥氏体区的微合金元素在铁素体区析出，提高了 微合金元素的利用率。稀土元素Ce的微合金化机制对钻杆材料的力学性能有一定的影响， 提高钻杆用钢的纯净度，把P、S、0、N等有害元素含量降至最低。此外，稀土元素Ce的加入 使夹杂物呈球形，进一步弥散细小分部；多合金化合物弥散析出，有效的阻止了疲劳裂纹的 萌生及扩展。
[0019] 本发明实施例中Nb在奥氏体区析出细小碳化物，通过晶界钉扎效应限制晶粒长 大，细化晶粒，同时在再结晶区固溶的Nb可提高再结晶温度及晶粒粗化温度，有利于通过 控轧使晶粒变形然后再结晶为细小的晶粒。同时细小碳化物的析出也有利于提高钢的强 度。Nb通过微合金化提高强韧性的效果是最强的，同时有效提高强度150Mpa。同时稀土和 Nb联合惨杂可以明显提商Nb碳化物的析出量，减小碳化物尺寸，有利于提商晶粒细化和弥 散强化的效果。
[0020] 另一方面，本发明提供了一种上述高强韧150钢级钻杆材料的制备方法，所述材 料