專利名稱：：一種高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶金行業(yè)結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)及其制造方法，尤其是指高強(qiáng)度、高韌性連續(xù)抽油桿鋼的成分設(shè)計(jì)及其制造方法。
背景技術(shù)：
：目前，我國陸上大約有90%以上的油井使用有桿泵采油方式。一般采用鋼質(zhì)抽油桿，其按強(qiáng)度級別可分為D級桿、H級桿兩種，D級桿采用的鋼號有35Mn2、35CrMo、42CrMo，制造H級桿主要有12Mn2SiCr、16Mn2SiCr、20Cr2MoNi等。美國石油協(xié)會推薦的D級抽油桿有536和4142(分別相當(dāng)于35Mn2和42CrMo鋼)。隨著采油工業(yè)迅速的發(fā)展和許多油田不斷處于后期開采，采油層逐漸降低和油井加深，要求抽油桿不僅具有足夠的強(qiáng)度，而且還要有較高的韌性。如中國專利申請?zhí)?0104471.7、200410062593.0、日本專利申請?zhí)栒?0-238416所公開的抽油桿鋼強(qiáng)度達(dá)不到高強(qiáng)度的要求中國專利申請?zhí)?2102405.3、96101923.9、01106092.1所公開的抽油桿鋼為非調(diào)質(zhì)鋼，即通過加入Nb、V、Ti或B元素以達(dá)到微合金化之目的，一方面生產(chǎn)上需要精確控制工藝參數(shù)以獲得要求的組織，生產(chǎn)上難于控制，而存在較大的波動性，另-方面，強(qiáng)韌性偏低；中國專利申請?zhí)?00410024409.3是唯一的連續(xù)抽油桿鋼，具有較為出色的韌性，但強(qiáng)度與韌性的配合不理想；日本專利申請?zhí)栒?0-238418、昭61-295319所公開的抽油桿鋼中Cr含量為8.015.0%，合金成分太高而成本一般不被石油設(shè)備廠采用。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>綜上所述，現(xiàn)有所用的連續(xù)抽油桿用鋼存在以下不足之處1.現(xiàn)有抽油桿鋼一般不能滿足較高強(qiáng)度級別的要求(如對比例1的碳含量為0.250.30%，碳當(dāng)量過高不利于塑性和焊接性能)，即使有能滿足強(qiáng)韌性的要求，但成本一般不被石油設(shè)備廠所接受(如對比例3中Cr含量為8.015.0%);2.現(xiàn)有抽油桿鋼強(qiáng)度與塑性的匹配不是很理想(如對比例2，斷面收縮率和伸長率不理想)，特別是拉伸試驗(yàn)的延伸率偏低-，3.現(xiàn)有抽油桿的耐沖擊性能普遍偏低(如對比例1、2，其沖擊一般不會超過110J)，易造成抽油桿在復(fù)雜的工作環(huán)境下承受的復(fù)雜應(yīng)力條件下發(fā)生疲勞斷裂的傾向。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼及其制造方法，解決現(xiàn)有抽油桿強(qiáng)度、塑性偏低以及強(qiáng)塑匹配不良，易發(fā)生疲勞斷裂的問題；提高抽油桿鋼的綜合機(jī)械性能，提高抽油桿的疲勞壽命，提高抽油設(shè)備的整體穩(wěn)定性，進(jìn)---步滿足石油工業(yè)的發(fā)展。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，一種高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為c0.120.22Si0.150.40Mn0.300.60Mo0.200.40Ni1.301.95Cr0眉0.60V0.200.35Al0.0150.050Cu《0.30<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。其中碳是提高鋼強(qiáng)度的主要元素，保證一定的強(qiáng)度必須一定的碳含量，但是碳元素對塑性不利，同時(shí)大于0.30%的碳含量不利焊接性能，控制0.120.21%碳含量較為合理。錳錳在鋼中起固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒的作用來提高強(qiáng)度，能顯著提高淬透性；但是錳在鋼中有促進(jìn)奧氏體化晶粒長大缺點(diǎn)，錳的含量控制在0.300.60%能在本發(fā)明鋼中發(fā)揮良好的作用。硅在鋼中能顯著提高屈服強(qiáng)度，其固溶強(qiáng)化效果高于錳，在鐵素體中能產(chǎn)生M-A島狀組織物，有效提高鋼的強(qiáng)度。但是硅的增加會降低塑性，特別是對延伸率的降低更大，控制0.150.40%的硅含量，可以起到固溶強(qiáng)化的同時(shí)提高韌性。鎳非碳化物形成元素鎳，能降低碳在奧氏體中的擴(kuò)散激活能，加速碳的擴(kuò)散，對奧氏體的形成有一定的加速作用；同時(shí)鎳能強(qiáng)烈地推遲珠光體的轉(zhuǎn)變作用，可以增大奧氏體的過冷能力，從而細(xì)化組織，得到強(qiáng)化的效果。研究表明含量較低的鎳含量對奧氏體恒溫轉(zhuǎn)變曲線的影響不太顯著，本發(fā)明鋼中添加1.301.95%鎳元素在抽油桿特別是連續(xù)抽油桿中能明顯增強(qiáng)強(qiáng)韌性、耐回火能力以及一定的耐腐蝕性能?，F(xiàn)有抽油桿用合金結(jié)構(gòu)鋼均不含鎳元素，因而強(qiáng)韌性配合一直不甚理想。鉻鉻是一種比較弱的碳化物形成元素，可以降低強(qiáng)碳化物的穩(wěn)定性加速其溶解。同時(shí)鉻也可以增大奧氏體的過冷能力，從而細(xì)化組織，得到強(qiáng)化的效果。成分設(shè)計(jì)時(shí)，因考慮加入1.301.95%的鎳元素，可加入相對經(jīng)濟(jì)的鉻元素，而研究表明加入0.400.60%鉻與鎳配合能起到提高強(qiáng)韌性。本發(fā)明鋼較現(xiàn)有抽油桿用鋼鉻的含量低，因而能降低一定的制造成本。鉬鉬與鉻、鎳同時(shí)加入時(shí)鉬的作用在鋼中非常顯著。鉬作為中強(qiáng)碳化物形成元素可以強(qiáng)烈地阻礙碳化物的形核和長大，同時(shí)還可以有效提高淬透性。本發(fā)明鋼加入0.200.40%的鉬是最經(jīng)濟(jì)有效的含量。鋁屬于細(xì)化晶粒元素。鋁元素與上述元素配合可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，增加淬透性，并提高強(qiáng)韌性。但經(jīng)驗(yàn)表明過多的鋁易增加鋼中夾雜物產(chǎn)生的機(jī)會，因此0.0150.0500%鋁的是本發(fā)明鋼適宜的含量。問時(shí)硫、磷、鉛、銻、鉍在技術(shù)條件允許情況下應(yīng)盡可能降低其含量，以減少原奧氏體晶界處的偏聚，提高韌性。殘余元素和氣體含量控制在相當(dāng)?shù)秃克?，使鋼具有相?dāng)高的純凈度，溶于奧氏體中的碳元素與各元素之間達(dá)到理想的最佳配比含量，從而為提高材質(zhì)的均勻性和強(qiáng)韌性奠定丫基礎(chǔ)。本發(fā)明的高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼的制造方法，其包括如下歩驟1)抽油桿用鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C:0.120.22、Si:0.150.40、Mn:0.300.60、Mo:0.200.40、Ni:1.301.95、Cr:0.400.60、V:0.200.35、Al:0.0150.050、Cu《0.30、S《0.015、P《0.020、余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；2)按上述成分電弧爐冶煉、鋼包精煉、連鑄澆注成坯，其中，鋼包精煉保證《0.0025%、[H]《0.00015%;3)連鑄坯加熱，均熱溫度1130118(TC，加熱保溫時(shí)間》2.5小時(shí)，出爐溫度11001180°C;4)控制軋制，終軋溫度820860°C;5)控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度408(TC/h。進(jìn)一步，還包括，步驟6)盤條退火，退火溫度68072(TC，保持時(shí)間510小時(shí)，出爐溫度《50(TC，空冷。其中，鋼包精煉在鋼包精煉爐(容量與電爐相匹配)上，進(jìn)行鋼液的精煉，去除鋼中的有害氣體和夾雜物，保證《0.0025%、[H]《0.00015%;所有成分進(jìn)入優(yōu)化要求的范圍內(nèi)開始吊包；連鑄澆注鋼包內(nèi)高溫鋼液通過保護(hù)套管，澆進(jìn)中間包，中間包過熱度《35t:。中間包使用前完全清理、內(nèi)表面為耐火涂層且不得有裂縫；中間包內(nèi)的鋼液經(jīng)連鑄結(jié)晶器，澆注出的合格連鑄坯。軋制采用軋鋼機(jī)熱加工軋制方法，先將合格的連鑄坯表面進(jìn)行清理，再將其熱加工軋制至成品盤條，其加熱爐加熱工藝均熱溫度11301180°C，加熱保溫時(shí)間》2.5小時(shí)，鋼坯出爐溫度11001180°C，陰陽面溫差《30°C;控制軋制加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開啟高壓除鱗機(jī)，控制終軋溫度840860°C;控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度4080°C/h，不得吹風(fēng)。控制軋制的目的是減少脫碳層深度、控制晶粒度尺寸、改善鋼材的冷變形性能、控制抗拉強(qiáng)度及顯微組織。通過控制加熱溫度、保溫時(shí)間和較小的陰陽面溫度差以保證鋼坯加熱均勻(過高的溫度會帶來嚴(yán)重的脫碳和奧氏體晶粒粗大影響韌性，而過低的溫度則造成軋制困難)。在隨后的軋制中細(xì)化變形奧氏體向鐵素體和珠光體的相變，形成細(xì)化的鐵素體晶粒和較為細(xì)小的珠光體團(tuán)。控制冷卻加熱均勻的鋼坯出爐后，正常開啟高壓除鱗機(jī)(清除氧化鐵皮)。為獲得良好的熱軋組織及組織性能均勻應(yīng)終軋溫度為840860°C，盤條鋼經(jīng)輥道輸送快冷后進(jìn)入在線緩冷罩(冷卻速度4080。C/h)，最終獲得細(xì)片狀的珠光體+鐵素體平衡組織。即通過控制相變區(qū)冷卻速度及奧氏體分解轉(zhuǎn)變的溫度和時(shí)間，這對最終組織形態(tài)起決定作用。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明抽油桿采用盤條形式，鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿不同規(guī)格之間的連接采用焊接代替螺紋連接，可作大幅度降低抽油桿失效頻率，減少抽油桿與油管的磨損，可降低抽油桿的工作應(yīng)力。2.本發(fā)明盤條鋼純潔度高夾雜物級別低(A2B2C1D1)，氣體含量(氧《15ppm，氫《1.5ppm)。3.本發(fā)明盤條鋼組織為鐵素體+球狀珠光體，盤條直接進(jìn)行開巻后可以在連續(xù)感應(yīng)熱處理設(shè)備上進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。4.本發(fā)明盤條鋼開巻后在連續(xù)感應(yīng)熱處理設(shè)備上進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理(850910°C油淬+560620°C回火)可獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能屈服強(qiáng)度(Rm)》7卯MPa，抗拉強(qiáng)度(Rp0.2)》8卯MPa，延伸率(A)》20%，斷面收縮率(Z)》50%，沖擊韌性(Aku2)》110J。5.本發(fā)明盤條鋼具有良好的焊接性能，抽油桿經(jīng)閃光焊接后其焊縫處的力學(xué)性能不低于原桿的力學(xué)性能。6.本發(fā)明鋼制成的抽油桿具有良好的疲勞性能。7.本發(fā)明對于斜井、深井，腐蝕井及低滲透井等復(fù)雜狀況的油井中的抽油桿尤其有效。具體實(shí)施方式本發(fā)明實(shí)施例參見表2，力學(xué)性能參見表3。斷面尺寸為90X90mn^360X360mm2的合格連鑄坯合格連鑄坯；軋制為獲得良好的軋態(tài)組織，線徑大于18mm，實(shí)施加熱溫度11201150°C,終軋溫度為820840°C，軋后以4080°C/h冷卻速度冷卻，當(dāng)線徑5mm<d>《18mm時(shí)實(shí)施加熱溫度11501180°C，終軋溫度為840860°C，軋后以4080°C/h冷卻速度冷卻；熱軋盤條退火，退火溫度680720°C，保持時(shí)間510小時(shí)，出爐溫度《500°C，空冷。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>綜上所述，實(shí)施本發(fā)明生產(chǎn)的盤條鋼，經(jīng)國內(nèi)某抽油桿生產(chǎn)廠制成連續(xù)抽油桿并應(yīng)用于國內(nèi)某大型油田，各項(xiàng)性能均符合使用要求，相對普通抽油桿能夠較好地解決普通抽油桿無法解決的問題，有著替代普通抽油桿的趨勢，特別是對于解決斜井、深井，腐蝕井及低滲透井等有著十分重要意義。權(quán)利要求1.一種高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C0.12～0.22Si0.15～0.40Mn0.30～0.60Mo0.20～0.40Ni1.30～1.95Cr0.40～0.60V0.20～0.35Al0.015～0.050Cu≤0.30S≤0.015P≤0.020余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。2.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼的制造方法，其包括如卩歩驟1)抽油桿用鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C:0.120.22、Si:0.150.40、Mn:0.300.60、Mo:0.200.40、Ni:1.301.95、Cr:0.400.60、V:0.200.35、Ah0.0150.050、Cu《0.30、S《0.015、P《0.020、余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；2)按上述成分電弧爐冶煉、鋼包精煉、連鑄澆注成壞，其中，鋼包精煉保證[O]《00025%、[H]《000015%;3)連鑄坯加熱，均熱溫度11301180°C,加熱保溫時(shí)間》2.5小時(shí)，'出爐溫度11001180°C;4)控制軋制，軋制成盤條，終軋溫度82086(TC;5)控制冷卻軋成盤條后在線緩冷，冷卻速度408(TC/h。3.如權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼的制造方法，其特征是，還包括，步驟6)盤條退火，退火溫度680720°C，保持時(shí)間510小時(shí)，出爐溫度《50(TC，空冷。全文摘要本發(fā)明公開一種高強(qiáng)韌性連續(xù)抽油桿用鋼及其制造方法，解決現(xiàn)有抽油桿強(qiáng)度、塑性偏低以及強(qiáng)塑匹配不良，易發(fā)生疲勞斷裂的問題；其包括如下步驟1)其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C0.12～0.22、Si0.15～0.40、Mn0.30～0.60、Mo0.20～0.40、Ni1.30～1.95、Cr0.40～0.60、V0.20～0.35、Al0.015～0.050、Cu≤0.30、S≤0.015、P≤0.020、余Fe；2)冶煉、鋼包精煉、連鑄成坯，[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；3)鑄坯加熱，均熱溫度1130～1180℃，保溫時(shí)間≥2.5小時(shí)，出爐溫度1100～1180℃；4)控制軋制，終軋溫度820～860℃；5)控制冷卻冷卻速度40～80℃/h。本發(fā)明提高抽油桿鋼的綜合機(jī)械性能和疲勞壽命，滿足石油工業(yè)的發(fā)展。文檔編號B22D11/16GK101245436SQ20071003766公開日2008年8月20日申請日期2007年2月16日優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日發(fā)明者劉湘江,胡俊輝,胡洋聰,趙亞平,鴻駱,黃澤民申請人:寶山鋼鐵股份有限公司