[发明专利]高抗疲劳钻铤

说明书

技术领域

本发明涉及一种高抗疲劳钻铤，属于石油钻井领域。

背景技术

钻铤是钻柱最重要的组成部分之一，具有向钻头提供钻压及提高钻柱刚性的作用，它在运转过程中除承受弯曲、扭转、内压和振动等载荷作用之外，还要承受一定的冲击作用，在钻井作业中容易产生疲劳失效。

AISI4145H是国内外生产钻铤的最广泛用材料，虽然目前通过对热处理工艺改进，部分钻铤的冲击韧性已经可以达到80J以上，但综合机械性能不高，可靠性不强。随着油田开发向深井、超深井及定向钻井发展，由于钻井作业工作环境越来越苛刻，对抗低温、抗扭转等方面提出更高的要求，普通钻铤越来越难以满足钻井作业要求。

因此，钻铤不仅要有一定的强度，还要有足够的韧性，从而提高疲劳性能，降低钻铤疲劳失效风险。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统工艺制作的钻铤时，存在综合机械性能不高，可靠性不强等问题，而提供一种力学性能高于目前行业最高标准，同时疲劳强度大大超过目前石油行业使用的钻铤，通过使用这种高抗疲劳钻铤将有效的提高钻铤的强度及韧性，提高使用寿命，降低事故率，延长钻铤使用时间，提高钻井效率，

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种高抗疲劳钻铤，其具体制备步骤如下：

1、合金结构钢光坯的制备：

首先按照下列重量百分比配置合金粉末混合物：

碳0.38％～0.42％，硅0.13％～0.18％，锰0.90％～1.15％，钼0.21％～0.24％，铬0.90％～1.15％，磷0.003～0.015％，硫0.005～0.020％，铜0.10～0.13％，镍0.2～0.4％，氮0.01～0.015％，铁92～96％。

制造流程如下：将上述合金粉末混合物依次经过偏心炉底电炉冶炼、钢包精炼、真空脱气、钢包喂线、模铸、锻造工艺加工成所需尺寸的合金结构钢棒体。

2、钻铤的热处理：

采用贯通式天然气热处理炉对第1步得到的合金结构钢棒体分别进行淬火处理；淬火处理的参数为：采用7纵淬火，各纵淬火的温度范围均为880-980℃，淬火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；淬火处理后采用28～32℃水冷却至50-200℃；将冷却后的工件送入回火炉内进行回火处理，回火处理的参数为：采用6纵回火，各纵回火的温度范围均为600-700℃、回火过程采用旋转进给，旋转进给的进给速率6HZ-30HZ；回火处理后采用28～32℃水将工件冷却至100-250℃，最后自然冷却至室温。

3、钻铤的内外形加工

其中，钻铤前后部分的连接处螺纹加工为相互匹配的锥形结构，内、外螺纹的锥形结构两端分别加工有圆柱段，使钻铤前后部分螺纹连接后具有两个台肩，且加工有外螺纹的锥形结构的长度小于加工有内螺纹的锥形结构的长度。上扣后钻铤前后部分的外台肩首先发生接触，继续施加上扣扭矩，外台肩屈服变形，内台肩开始接触。

钻铤所用钢中各个组份含量的确定如下：

碳：本发明中的高抗疲劳钻铤用钢金相组织主要是：回火索氏体和极少量的残余奥氏体，组织中无未溶铁素体或上贝氏体存在，以免造成钢的力学性能下降，脆性增强。因此碳的含量应适宜，本发明中碳含量控制在0.38～0.42之间。

钼：有提高淬透性以及增强钢的塑性，同时提高回火稳定性，有利于回火索氏体形成，但含量过高会使材料的脱碳性提高，影响强度指标提升，同时钼价格昂贵，从对材料影响的性能及经济两方面衡量，本发明中钼含量控制在0.21％～0.24％。

锰：可促进奥氏体化，增加淬火马氏体含量，细化回火索氏体晶粒，同时锰可替代价格昂贵的钼的一部分作用。因此钢中加入锰的含量相对高些以降低钼含量。但锰含量过高易形成MnS析于晶界而产生微裂纹。故本发明中锰含量控制在0.90％～1.15％。

硅：硅元素加入钢中主要以铬配合发挥其抗氧化性，使马氏体转化时不产生脆性组织，但硅含量过高又会使碳石墨化倾向增大，造成塑性下降，因此本发明中硅含量控制在0.13％～0.18％。

镍：少量镍元素与本合金钢中铬配合组成奥氏体形成元素，增加淬火马氏体的形成率，同时提高回火时回火索氏体的转变率，但镍价格较高，从经济考虑，含量控制在≤0.40％。

铬：具有提高淬透性作用，在本合金钢中与硅、镍组合可起到提高抗氧化性组织出现以及增加奥氏体化倾向，有利于回火索氏体的形成，因此本发明中铬含量控制在0.90％～1.15％。

有益效果