[发明专利]高抗裂性钻杆耐磨带药芯焊丝

说明书

技术领域：

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种高抗裂性钻杆耐磨带药芯焊丝。

背景技术：

在石油钻井工程中，随着超深井、大斜度井、大位移井及水平钻井技术的发展，因钻井时间延长、钻杆作用在套管上的侧向力增高等因素，使套管和钻杆的磨损问题越来越突出，轻则降低钻杆的使用寿命和套管柱的抗挤毁、抗内压强度，重则造成套管柱挤毁、变形及泄漏，甚至造成全井报废，从而大幅度的增加钻井成本。

在石油钻杆接头上堆焊新型金属耐磨带，是减少钻杆、套管磨损的有效措施之一。新型金属耐磨带材料广泛采用合金粉末加工成的药芯焊丝。如美国安科技术公司生产的ARNCO 100XT、ARNCO 200XT、ARNCO 300XT钻杆耐磨带药芯焊丝。在钻杆耐磨带药芯焊丝的的实际应用中，目前最为用户关心的问题主要有两点：一是耐磨性的高低，耐磨性不足将导致钻杆使用寿命降低、重复堆焊次数增加和生产率低下。二是抗裂性的高低，抗裂性差易引起堆焊裂纹甚至耐磨带掉快。虽然可以通过焊前预热、焊后缓冷的辅助工艺措施来减轻裂纹和掉快倾向，但却显著降低了生产率、增加了生产成本。另外，很多野外技术服务现场也不具备焊前预热、焊后缓冷的生产条件。并且即使采用焊前预热、焊后缓冷的辅助工艺措施，高耐磨性钻杆耐磨带药芯焊丝(如ARNCO 200XT、300XT等)也不能完全保证不出现焊接裂纹，重复堆焊时出现裂纹、甚至掉快的现象就更加严重。目前国内外市场上广泛使用的各种堆焊用钻杆耐磨带药芯焊丝，要么抗裂性虽高，但耐磨性不足，如ARNCO 100XT等；要么耐磨性虽高，但抗裂性却较差，如ARNCO 200XT、300XT等。

发明内容

本发明要提供一种高抗裂性钻杆耐磨带药芯焊丝，以克服现有技术存在的高抗裂性和高耐磨性不能合理匹配的问题。

为达到本发明的目的，现提供一种高抗裂性钻杆耐磨带药芯焊丝，其熔敷金属化学成分质量百分含量为：C％＝1.5～3.5，M％＝8.0～18，Cr％＝1.5～2.5，Mo％＝2.0～3.0，Si％＝0.5～1.5，Mn％＝0.5～1.5，B％＝1.5～2.5，余为Fe，其中M为V、Nb两种元素中的任一种或两种元素之和。

所述钻杆耐磨带药芯焊丝熔敷金属中各化学元素的主要作用是：

C元素：在堆焊金属耐磨带材料的设计中，C是最重要的强化元素，同时也是致脆元素。C具有间隙固溶强化的作用，增加C含量，将增加碳化物数量，减少碳化物质点间距，从而增加耐磨性。但C含量过高，会促进孪晶马氏体基体组织的形成，使材料的冲击将韧度下降，抗裂性变差。为此，应适当控制堆焊金属耐磨带中的C含量，以获得高韧性的板条马氏体基体和大量高硬度碳化物相配合的组织结构。

V元素和Nb元素：是强碳化物形成元素，与碳的结合力很强，其碳化物熔点高达3000℃左右，而熔池的温度一般在1700℃左右，故会先于熔池凝固形成颗粒状MC型碳化物。MC型碳化物的高稳定性和细小弥散分布，可以细化晶粒，从而提高金属耐磨带的韧性和抗裂性。而MC型碳化物的高硬度(HV≥2000)和大量存在可以提高金属耐磨带的硬度和耐磨性。

Cr元素：能提高淬透性，产生固溶强化。

Mo元素：能增加淬透性，产生固溶强化，抑制回火脆性。其碳化物可以提高金属耐磨带的硬度和耐磨性。

Si、Mn元素：具有联合脱氧和固溶强化作用，Si还可降低熔点、提高熔融金属流动性。

B元素：具有降低熔点、提高熔融金属流动性的作用。此外，各种硼化物也能提高硬度和耐磨性。

综合以上各种化学元素的作用，所述钻杆耐磨带药芯焊丝熔敷金属化学成分的设计思想是：以C、Cr、Mo、V、Nb作为基本合金系统，通过成分优化系列试验获得以板条马氏体为主的基体和以MC型碳化物为主的大量弥散硬化相相配合的组织结构。板条马氏体基体的高韧性和高强度可以保证堆焊金属耐磨带的高抗裂性和对硬化相的有力支撑，大量MC型碳化物的高硬度(HV≥2000)和弥散分布可以保证堆焊金属耐磨带的高硬度(≥HRC60)和高耐磨性。适当加入Si、Mn、B元素主要改善其堆焊工艺性。

与现有技术相比，本发明钻杆耐磨带药芯焊丝的优点是：

1.高抗裂性和高耐磨性兼备，实现了钻杆耐磨带药芯焊丝高抗裂性和高耐磨性的统一。

2.堆焊工艺简单：无需焊前预热和焊后缓冷即可实现高耐磨性堆焊金属耐磨带无裂纹，降低了生产成本，提高了生产率。

3.重复堆焊性好：重复堆焊金属耐磨带无裂纹，延长了钻杆使用寿命，提高了经济效益。