[发明专利]抗硫化氢腐蚀石油钻杆用钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗硫化氢腐蚀用石油钻杆用钢，特别是涉及屈服强度达120ksi(827MPa)以上的抗硫化氢腐蚀石油钻杆管体用钢及其制造方法。采用本发明的钢种和生产工艺，可以生产出屈服强度达120ksi(827MPa)以上钢级的高强度抗硫化氢腐蚀石油钻杆。

背景技术

传统的生产抗硫钻杆的主要工艺过程是：将热轧无缝钢管两端按所需尺寸加厚，然后进行整体调质热处理，制成合格的钻杆管体。将热处理过的工具接头与钻杆管体经摩擦对焊连接后，再进行焊逢热处理，最后经适当机械加工制成石油钻杆。

目前世界各国能够生产的抗硫钻杆最高钢级为105ksi(最小屈服强度大于724MPa)，与之配套的工具接头钢级为110ksi(最小屈服强度大于758MPa)，还没有能够生产出屈服强度为120ksi钢级(最小屈服强度大于827MPa)的抗硫钻杆。

生产屈服强度在120ksi以上钢级抗硫钻杆存在如下主要技术问题是：就抗硫钻杆管体钢种而言，对于适合水淬热处理的钢种，为达到120ksi以上钢级的性能和使用要求，主要是要保证足够的强度和抗硫性能。C、Mn、Cr、B是提高材料淬硬性的主要元素，可以有效的提高钢的淬硬性。同时，为了提高材料的韧性，在C、Mn、Cr、Mo钢中复合加入Nb、V、Ti等能提高强韧性的微合金元素。通过以上元素的合理搭配和热处理，基本上可以得到所要求的材料强度。但是如何在高强度的条件下得到满足要求的高抗硫性能，目前还没有很好解决。这是因为随着材料强度的提高，材料中的内应力增大，材料的硫化物应力腐蚀敏感性增加，抗硫性能有所降低。

就抗硫钻杆的工具接头钢种而言，如果采用与管体相同钢级的成分设计，由于接头的壁厚比管体厚的多，因此热处理淬火后的马氏体量比管体要少，接头的抗硫性能会有较大的降低，基本不能通过最低要求的抗硫性能试验评估。

发明内容

本发明的目的是提出一种适合制造120ksi以上钢级抗硫钻杆管体材料的钢种成分和制造工艺，重点是在加入必须的合金元素，保证抗硫钻杆强度的同时，通过冶炼工艺，降低非金属夹杂物含量，保证钻杆管体在高强度条件下具有优异的抗硫性能。同时配以具有很好抗硫性能的110ksi钢级工具接头，经摩擦对焊和焊后热处理制成高强度抗硫钻杆。

为了实现上述目的，本发明的钻杆管体采用以下成分的无缝钢管(重量百分比)：C：0.20～0.35％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.3～1.5％，Cr：0.5～1.5％，Mo：1.0～2.5％，V：0～0.25％，Ti：0～0.05％，Nb：0.01～0.05％，Ca：0.008～0.02％，P≤0.015％，S≤0.005％，O：≤30ppm，N：≤60ppm，Al：0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。

为保证钻杆管体材料具有更好的抗硫性能，优选地，C：0.25～0.30％；Si：0.1～0.3％；Mn：0.3～0.8％；Cr：0.5～1.0％；Mo：1.2～2.0％；V：0～0.15％；Ti：0～0.03％；Nb：0.01～0.035％；Ca：0.015～0.02％；P≤0.010％；S≤0.001％；O：≤25ppm；N：≤50ppm；Al：0.01～0.04％。

本发明的上述无缝钢管的制造包括：采用电炉冶炼，熔炼后采用LF+VD双真空处理。LF处理重点要造好精炼渣，以保证LF精炼终了的[N]≤30ppm、[O]≤10ppm。VD真空处理后的镇静时间为5～15分钟，优选的镇静时间为10～15分钟。采用喂Si-Ca丝方式进行Ca处理，喂丝处理结束后严禁添加任何合金。冶炼后钢水连铸拉速控制在1.8～2.5m/min之间，优选拉速在2m/min左右。通过以上工艺，保证成品管材中的A类(硫化物)夹杂≤0.5级，B类(氧化物)夹杂≤1.0级，且A、B、C、D四类夹杂之和≤2级，同时Ca/S≥2。

下面分别介绍各个合金元素的作用：

C：0.20～0.35％，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性，并有可能产生淬火裂纹。优选为0.25～0.30％。

Mn：0.3～1.5％，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。Mn含量小于0.3％时提高淬透性的作用不明显，若Mn含量过高，则会增组织偏析，影响抗硫性能。优选为0.3～0.8％。