[发明专利]采用同种材料锥面焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺

说明书

技术领域

本发明涉及钻杆，特别是一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆及其加工工艺。

背景技术

钻杆是钻柱的重要组成部分，是钻井的主要工具。随着世界经济的快速发展，石油天然气的需求不断地增加，含硫化氢的酸性油气田开发愈发加剧，钻杆在含硫区块的失效为一个日益严重的问题。

钻杆在含硫区块服役过程中，由于钻杆本身材质因素及其常规加工工艺特点，降低了钻杆的抗硫性能。主要表现在：

其一、钻杆材料纯净度，以及夹杂物数量、形貌、取向，对于材料的抗硫敏感性均有较大影响，特别条状MnS夹杂物能加大抗硫敏感性。

其二、钻杆接头与管体端面采用摩擦对焊，使得钻杆焊缝的金属流线方向垂直于钻杆管体轴线，且暴露在外壁，据资料显示，氢原子扩散的行为影响取决于扩散通道效应、陷阱效应的强弱，及第二相的形状、数量及取向。钻杆在服役过程中，焊缝的MnS夹杂物受挤压作用呈长条形状且平行于焊缝金属流线成为氢原子的一条天然“通道”，促使氢原子扩散，导致钻杆焊缝的抗硫性能往往低于管体与接头，成为抗硫钻杆的薄弱部位之一。

目前，国内外对于抗硫钻杆的研究主要集中在管体与接头的新材料以及热处理工艺的研究上，而对于焊缝抗硫敏感性问题未作深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同种材料锥面焊接式抗硫化氢应力腐蚀钻杆及其加工工艺，主要通过改变钻杆焊缝的金属流线分布，使得焊缝流线上的MnS夹杂物及第二相的形状、取向与氢原子扩散方向呈一定角度，氢原子的表观扩散系数降低，来解决现有普通抗硫钻杆焊缝在服役过程中存在失效情况，提高抗硫钻杆管体及焊缝的抗硫性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种采用同种材料锥面摩擦焊接式抗硫化氢腐蚀钻杆，其特征在于：该钻杆管体与接头采用同种材料，材料化学成分由下述重量百分比的成分组成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余为Fe和不可去除的痕量元素。

本发明的所述的抗硫钻杆的化学成分设计原理如下：

C：C为碳化物形成元素，可提高钢的强度与淬透性，太低了效果不明显，太高了又会降低材料的韧性，并有可能产生淬火裂纹。为了考虑本钻杆采用同种材料焊接，要满足钻杆接头与管体的不同强度韧性要求，本技术方案将C元素控制在0.22%～0.34%范围内。

Cr：Cr为碳化物形成元素，可提高钢的强度、硬度、淬透性，但含量过高会影响材料的抗硫性能，本技术方案将Cr元素控制在0.6%～1.2%范围内。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温时奥氏体向铁素体及贝氏体的转变，增大马氏体的转变率，从而提高钢的淬透性；其次，Mn还可以与S结合降低S的有害性，但Mn的含量过大会增加淬火后的残留奥氏体量，降低抗硫性能以及增大材料的回火脆性，结合抗硫钻杆性能要求，本技术方案将Mn元素控制在0.6%～1.1%范围内。

Mo：Mo主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高材料的强度以及回火稳定性，也能提高钢的淬透性，但是Mo的成本较高，含量过高也会降低材料的韧性，本技术方案将Mo元素控制在0.5%～1.2%范围内。

Si：Si为钢水脱氧所添加，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶的方式提高钢的强度，但含量过大的话会降低材料的韧性，本技术方案将Si元素控制在0.17～0.35%范围内。

P、S：P、S为材料中的有害元素，含量越低越好，考虑到生产成本等因素，本技术方案将P元素控制在0.010%以下，S元素控制在0.005%以下。

V：V元素的主要作用是抑制钢中晶界移动和晶粒生长，细化晶粒，提高钢的强韧性，但其含量到一定时，其效果不明显，本技术方案将V元素控制在0.10～0.30%范围内。

Nb：Nb主要为细化晶粒，形成碳化物，提高材料的强韧性，但其含量到一定时，其效果不明显，本技术方案将V元素控制在0.01～0.06%范围内。

Al：Al在钢中除了脱氧外，还能与N元素结合，降低N在钢中的危害，提高钢的韧性和时效应变能力，但Al含量过高的话，会在材料中形成过量的夹杂物，本技术方案将Al元素控制在0.030%以下。