專利名稱:耐-40℃~-60℃低溫鉆桿料鋼管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種作業(yè)環(huán)境為耐-40'C -6(TC低溫鉆桿料鋼管及其制造方法。
背景技術(shù):
隨著當(dāng)今世界石油工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,普通陸地上的石油開(kāi)采量越來(lái)越 大,儲(chǔ)存余量也相應(yīng)的隨之減少。石油天然氣資源的采出程度逐漸加大, 促使人類的油氣資源開(kāi)采活動(dòng)逐漸從已有的資源區(qū)塊中,轉(zhuǎn)移至一些比較 惡劣的環(huán)境中進(jìn)行。隨著全球?qū)κ吞烊粴赓Y源依賴程度的日益加重,近 些年來(lái),俄羅斯、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼出臺(tái)文件,允許并支持開(kāi)采這些極 端環(huán)境下的油氣資源。
在地球的一些極端地區(qū)(高寒,兩極,荒漠,深海等)蘊(yùn)藏著豐富的 石油資源,例如俄羅斯的北極地區(qū),加拿大的北部,以及美國(guó)的阿拉斯加 州,我國(guó)的黑龍江大慶油田的北部部分區(qū)域等都儲(chǔ)藏著豐富的石油、天然 氣資源。
要開(kāi)采開(kāi)發(fā)這些地區(qū)的資源,要求在鉆進(jìn)作業(yè)過(guò)程中,承擔(dān)作業(yè)液體 和巖屑流通通道的鉆桿在保證強(qiáng)度的同時(shí),還要求良好的耐低溫沖擊的韌 性和較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,保證在低溫環(huán)境下的鉆井作業(yè)安全。
由于這種極其惡劣的環(huán)境下開(kāi)發(fā)石油資源為時(shí)較晚,亟待開(kāi)發(fā)適用于 這種惡劣工況的油氣開(kāi)采工程中的無(wú)縫鋼管。
根據(jù)査詢此類鋼管的專利和論文情況,目前尚沒(méi)有這種應(yīng)用于低溫環(huán) 境的無(wú)縫鋼管產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,鉆桿靠其加厚部分與 接頭連接,形成可作業(yè)管串。就鉆桿本體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)主要集中在鉆桿料的以下幾個(gè)方面(l)高強(qiáng)度或者超高強(qiáng)度材質(zhì)鉆桿料,這種
鉆桿主要以API 5D標(biāo)準(zhǔn)的S135鉆桿作為參照物,發(fā)展到屈服強(qiáng)度達(dá)到 140/150ksi鋼級(jí)(965/1034MPa),如美國(guó)Grant公司曾經(jīng)制造出Z-140型 高強(qiáng)度鉆桿,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1034MPa,沖擊韌性能達(dá)到54J,但是其韌脆 轉(zhuǎn)變溫度尚沒(méi)有相關(guān)報(bào)道,且并沒(méi)有這種鉆桿應(yīng)用于低溫環(huán)境鉆井作業(yè)中 的報(bào)道;(2)主要應(yīng)用于H2S腐蝕環(huán)境中抗腐蝕鉆桿料,這種鉆桿主要解決 的問(wèn)題是抵抗含H2S氣體的腐蝕鉆井作業(yè)環(huán)境;(3)主要應(yīng)用于C02腐蝕環(huán)境 中抗腐蝕鉆桿料,同(2)相似,這種鉆桿主要解決的問(wèn)題是抵抗含H2S氣體 的腐蝕鉆井作業(yè)環(huán)境;(4)前兩者混合腐蝕環(huán)境的抗腐蝕鉆桿料;(5)非鋼 材質(zhì)的鉆桿,這種鉆桿主要是為了減輕其重量而設(shè)計(jì)制造的,提高強(qiáng)重比, 主要有Al合金和Ti合金等材質(zhì)鉆桿,這種材質(zhì)鉆桿成本高,且尚沒(méi)有能 解決低溫環(huán)境鉆井問(wèn)題的報(bào)道。其余的研究開(kāi)發(fā)工作主要集中在提高鉆桿 接頭的連接密封性能和抗扭能力上。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述技術(shù)中存在的問(wèn)題,本發(fā)明的目的在于提供一種耐 -4(TC -6(TC低溫用鉆桿鋼管及其制作方法,從而促使對(duì)在此種苛刻的低 溫環(huán)境下的石油天然氣資源進(jìn)行鉆探開(kāi)采,解決在該種低溫環(huán)境下一般高 強(qiáng)度鋼管由于韌性不夠和韌脆轉(zhuǎn)變溫度高的技術(shù)難題。
為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種耐-4(TC -60 。C低溫鉆桿鋼管,該鉆桿鋼管的化學(xué)成分按重量%為C: 0. 18% 0.22%、 Si: 0.15% 0. 35%、 Mn: 0. 40% 0. 60%、 P幼.015%、 S幼.010%, Ni: 0. 55% 0.70%, V: 0.0% 0.05%,余量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
還提供一種制造權(quán)利要求1所述低溫鉆桿鋼管的方法,該方法包括以 下步驟
①煉鋼采用夾雜物元素含量低的優(yōu)質(zhì)廢鋼加海綿鐵或鐵水,配制上述低溫鉆 桿料管成分原料,運(yùn)用電弧爐進(jìn)行冶煉,通過(guò)向鋼水中加入石灰造泡沫渣, 充分吸附鋼水中的有害元素P、 S;使用偏心爐底出鋼,再采用鋼包爐精煉、
真空脫氣、包芯絲喂絲處理,使長(zhǎng)條狀的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成Ca的球形復(fù)合夾 雜物,進(jìn)行爐外精煉;真空脫氣時(shí)間5 10分鐘,使鋼水中的氣體充分去 除,最后進(jìn)行連鑄鑄成鋼坯;
② 軋管
在環(huán)形爐中將上述鑄成鋼坯軋制的管坯進(jìn)行加熱,加熱溫度為1230°C -126(TC,使用穿孔機(jī)穿孔,采用精軋控制軋制精度,通過(guò)限動(dòng)芯棒連軋機(jī) 軋制,再通過(guò)定徑機(jī)或者張力剪徑機(jī)精確定徑,在冷床上冷卻后,鋸切、 冷矯直,最后將制出的鋼管經(jīng)過(guò)無(wú)損探傷和精整;
③ 熱處理
上述軋態(tài)鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到860。C 92(TC保溫并以工業(yè) 循環(huán)水作為淬火液淬火,然后在回火加熱爐中加熱到64(TC 65(TC并保溫, 進(jìn)行高溫回火,出回火爐后進(jìn)行高溫矯直,溫度范圍在500 600°C;熱處 理后通過(guò)最后一道超聲波無(wú)損探傷工序,接著進(jìn)行噴標(biāo)、涂漆,制成低溫 鉆桿用鋼管;
④ 上述制成的低溫鉆桿鋼管性能為 服強(qiáng)度為965MPa(鋼級(jí)140ksi) 抗拉強(qiáng)度》1100Mpa
常溫下橫縱向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為最小100J和最小140J 韌脆轉(zhuǎn)變溫度位-6(TC
在-4(TC -6(TC的溫度區(qū)間內(nèi),橫縱向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為 最小50J和最小100J
管體截面全璧厚組織為S 0平均硬度約為HRC 37.6。
本發(fā)明的效果是采用以上成分和工藝后制造的鋼管具有良好的理化性 能、使用性能,并且能夠在-4(TC -6CTC低溫環(huán)境下安全使用。在其 最小屈服強(qiáng)度達(dá)到965MPa的前提下,其橫向全尺寸常溫沖擊吸收功達(dá) 到100J,縱向全尺寸常溫沖擊吸收功達(dá)到140J,韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-6(TC。
圖1為本發(fā)明的韌脆轉(zhuǎn)變曲線。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的耐-40°C -60°C低溫鉆桿鋼管及其制造方 法加以說(shuō)明。
本發(fā)明的耐-40 °C -60 °C低溫鉆桿鋼管耐-40°C -6(TC低溫鉆桿
鋼管,該鉆桿鋼管的化學(xué)成分按重量°/。為C: 0. 18% 0. 22%、 Si: 0. 15°/o
0.35%、 Mn: 0. 40% 0. 60%、 P^). 015%、 S幼.010%, Ni: 0. 55% 0. 70%, V: 0.0% 0.05%,余量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
制造上述無(wú)縫鋼管的方法包括以下步驟
1、煉鋼
真空脫氣時(shí)間5 10分鐘,使鋼水中的氣體充分去除,最后進(jìn)行連鑄 鑄成鋼坯;
采用夾雜物元素含量低的優(yōu)質(zhì)廢鋼加海綿鐵或鐵水,配制上述低溫鉆 桿料管成分原料,運(yùn)用電弧爐進(jìn)行冶煉,通過(guò)向鋼水中加入高活性度的石
灰造泡沫渣,充分吸附鋼水中的有害元素P、 S等;使用偏心爐底出鋼,再
采用獨(dú)特的純凈鋼技術(shù),即鋼包爐精煉、真空脫氣、夾雜物控制技術(shù),即包 芯絲喂絲處理,進(jìn)行爐外精煉。嚴(yán)格控制鋼水化學(xué)成分,通過(guò)造泡沫白渣
工藝,提純鋼水成分,并通過(guò)向鋼水中喂入Si-Ca絲改變夾雜物形態(tài),使 長(zhǎng)條狀的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成Ca的球形復(fù)合夾雜物;然后進(jìn)行真空脫氣,確保高真空時(shí)間不小于5 10分鐘,使鋼水中的氣體充分去除,最大限度地降 低鋼中氣泡夾雜。最后進(jìn)行連鑄鑄成鋼坯,嚴(yán)格控制鋼水過(guò)熱度、拉坯速 度和冷卻水量。
2、 軋管
在環(huán)形爐中將管坯加熱,使用穿孔機(jī)穿孔,采用獨(dú)特的精軋技術(shù),嚴(yán) 格控制軋制精度,通過(guò)先進(jìn)的限動(dòng)芯棒連軋機(jī)軋制,再通過(guò)定徑機(jī)精確定 徑,在冷床上冷卻后,鋸切、冷矯直,最后,將制出的鋼管經(jīng)過(guò)無(wú)損探傷 和精整。
3、 鋼管熱處理和加工
上述軋態(tài)鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到86(TC 92(TC,保溫并淬火, 使用淬火液淬火,淬火時(shí)保證淬火液在鋼管內(nèi)表面高速均勻旋轉(zhuǎn)內(nèi)噴;然 后在回火加熱爐中加熱到640°C 650°C,進(jìn)行高溫回火。出回火爐后進(jìn)行 高溫矯直,采用消除殘余應(yīng)力技術(shù),即采用高溫定徑和高溫矯直,溫度范 圍在500 600°C;熱處理后通過(guò)最后一道超聲波無(wú)損探傷工序,接著進(jìn)行 噴標(biāo)、涂漆,制成低溫鉆桿鋼管。
4、 上述制成的低溫鉆桿鋼管性能為服強(qiáng)度為965MPa(鋼級(jí)140ksi), 抗拉強(qiáng)度》1100MPa,常溫下橫縱向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為最小100J 和最小140J,韌脆轉(zhuǎn)變溫度位-6CTC,在-4(TC -6(TC的溫度區(qū)間內(nèi),橫縱 向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為最小50J和最小IOOJ。管體截面全璧厚組 織為S^,平均硬度約為服C 37.6。
以下以含量為C: 0. 19%、 Si: 0. 30%、 Mn: 0. 50%、 P: 0. 012%、 S: 0. 002%、 Ni: 0.61%、 Cr: 1.01%、 Mo: 0.59%、 V: 0.03%,其余為Fe和痕量元素的
鋼管為例,闡述了本發(fā)明的產(chǎn)品制造方法是這樣實(shí)現(xiàn)的 1煉鋼
a.純凈鋼技術(shù)配料采用P,S含量低的優(yōu)質(zhì)廢鋼+鐵水(或生鐵),盡可能從源頭降低鋼
中有害元素及夾雜物含量。90/150噸超高功率電弧爐(EAF)偏心爐底出鋼, 減少溫降和鋼水二次氧化;留鋼留渣,氧化渣難流入鋼包。
泡沫渣冶煉,鋼包爐(LF),采用Ca0-Al20:,高堿度渣,加CaG粒還原 氣氛強(qiáng),包底吹氬氣攪拌,埋弧加熱,具有良好的脫氧、脫硫效果,減少 夾雜物。
真空處理爐(VD)高真空度80Pa以下,包底吹氬保持10分鐘以上,使 鋼中的氫含量脫到2ppm以下,而且氧、氮含量低,硫含量低,夾雜物上浮, 使鋼水潔凈度提高。
b. 夾雜物控制技術(shù)
包芯絲喂絲處理(FW):通過(guò)向鋼水喂入Si-Ca絲改變夾雜物形態(tài),使 長(zhǎng)條狀的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成Ca的球形復(fù)合夾雜物,從而改善鋼的韌性、降低 各向異性,從本質(zhì)上提高鋼的韌性和耐低溫韌性。
c. 連鑄技術(shù)
連鑄(CCM)采用帶有Ar氣密封的保護(hù)套管,中包覆蓋劑,浸入式水口 和結(jié)晶器保護(hù)渣的保護(hù)澆鑄先進(jìn)技術(shù),使鋼水和空氣完全隔離,防止鋼水在 澆鑄過(guò)程中的二次氧化。 2軋管
a. 精軋技術(shù)
計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制爐溫的環(huán)型管坯加熱爐,精確控制管坯溫度,保證管坯 軋成管子后性能的穩(wěn)定和尺寸精度。
為保證壁厚的均勻和內(nèi)外表面的質(zhì)量,設(shè)有熱定心及高壓水除磷同時(shí), 設(shè)有荒管內(nèi)表面噴硼砂。
精軋成品孔型設(shè)計(jì)確保管子外徑及壁厚精度。
b. 工藝控制環(huán)形爐加熱溫度為1260°C,并且保證管坯溫度均勻。
狄舍爾穿管機(jī)軋出的毛管壁厚偏差應(yīng)在±8%以內(nèi),為軋制荒管和成品管 創(chuàng)造了良好的前提條件。
限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)避免"竹節(jié)"現(xiàn)象,除管端部,整根鋼管壁厚不均 不超過(guò)±4%。
定徑機(jī)組保證鋼管的外徑和壁厚精度,鋼管的外徑偏差為O — O. 5%D。 矯直機(jī)組保證鋼管彎曲度指標(biāo)小于1. 5mm/m。 3鋼管處理和加工
a. 熱處理技術(shù)
熱處理生產(chǎn)線通過(guò)精確控制淬火爐和回火爐溫度對(duì)套管進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 以保證鋼管的性能。同時(shí),產(chǎn)品管體上最終組織為回火索氏體,保證其具有 優(yōu)良的力學(xué)性能。
熱處理工藝參數(shù)88CrC淬火+ 65(TC高溫回火,淬火時(shí)保證淬火液在 鋼管內(nèi)表面均勻旋轉(zhuǎn)內(nèi)噴,外表面足量循環(huán)水外淋。
b. 消除殘余應(yīng)力技術(shù) 采用高溫定徑和高溫矯直的工藝技術(shù),不但保證了鋼管的外徑及圓度
的精度,而且是控制其低殘余應(yīng)力的關(guān)鍵
二次定徑在熱矯直前進(jìn)行二次定徑,定徑溫度550 600°C,定徑量 保證4)177.8mm為0. 6誦、4> 244. 5mm為lmm。確保在鋼管上形成有益的壓 應(yīng)力。
熱矯直溫度500 550°C,如熱矯直低于50(TC則考慮去應(yīng)力退火,去 應(yīng)力退火溫度500°C。
超聲波探傷探傷前,用樣管離線校驗(yàn)三次,在線校驗(yàn)三次。人工缺 陷代號(hào)N5。
經(jīng)工業(yè)爐批量熱處理生產(chǎn)后,檢測(cè)管體常溫力學(xué)性能,統(tǒng)計(jì)如下二表:熱處理處理后的性能
1)室溫下強(qiáng)度
Rt(MPa)Rm(MPa)Rt/Rm延伸率硬度服c微觀組織
103911020. 9429%37. 5S回,晶粒度8.5級(jí)
105011110. 9530%37. 6S回,晶粒度8.5級(jí)
104511000. 9523%37. 6S@,晶粒度8.5級(jí)
104811110. 9425%37. 7S回,晶粒度9.0級(jí)
2)室溫下韌性,取樣部位同拉伸實(shí)驗(yàn)
橫沖,室溫廣沖,室溫尺寸值/J剪切比/%尺寸值/J剪切比/%
ioxio10510010X10149100
ioxio110100ioxio157100
10X7. 58310010X7. 5110100
10X7. 58510010X7. 5114100
其中,非全尺寸(IOXIO)下的沖擊吸收功可按照API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中的 轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 3)系列沖擊(韌脆轉(zhuǎn)變曲線)
采用經(jīng)過(guò)上述熱處理生產(chǎn)后的樣管,制取全尺寸10X10沖擊 試驗(yàn)樣,做系列沖擊實(shí)驗(yàn),得到如圖1所示的韌脆轉(zhuǎn)變曲線,從圖 上可以看出,韌脆轉(zhuǎn)變溫度大約在-60'C ,在-60°C以下低溫段橫向 仍具有80J左右的沖擊功,在-40°C -6(TC溫度區(qū)間范圍內(nèi),沖擊 韌性比較高,橫向大約在100J以上。
權(quán)利要求
1、一種耐-40℃~-60℃低溫鉆桿鋼管,該鉆桿鋼管的化學(xué)成分按重量%為C0.18%~0.22%、Si0.15%~0.35%、Mn0.40%~0.60%、P≤0.015%、S≤0.010%,Ni0.55%~0.70%,V0.0%~0.05%,余量為Fe和含量不可去除的痕量元素。
2、 一種制造權(quán)利要求l所述低溫鉆桿鋼管的方法,該方法包括以下步驟① 煉鋼采用夾雜物元素含量低的優(yōu)質(zhì)廢鋼加海綿鐵或鐵水,配制上述低溫鉆 桿料管成分原料,運(yùn)用電弧爐進(jìn)行冶煉,通過(guò)向鋼水中加入石灰造泡沫渣, 充分吸附鋼水中的有害元素P、 S;使用偏心爐底出鋼,再采用鋼包爐精煉、真空脫氣、包芯絲喂絲處理,使長(zhǎng)條狀的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成Ca的球形復(fù)合夾 雜物,進(jìn)行爐外精煉;真空脫氣時(shí)間5 10分鐘,使鋼水中的氣體充分去 除,最后進(jìn)行連鑄鑄成鋼坯;② 軋管在環(huán)形爐中將上述鑄成鋼坯軋制的管坯進(jìn)行加熱,加熱溫度為1230°C -1260°C,使用穿孔機(jī)穿孔,采用精軋控制軋制精度,通過(guò)限動(dòng)芯棒連軋機(jī) 軋制,再通過(guò)定徑機(jī)或者張力剪徑機(jī)精確定徑,在冷床上冷卻后,鋸切、 冷矯直,最后將制出的鋼管經(jīng)過(guò)無(wú)損探傷和精整;③ 熱處理上述軋態(tài)鋼管在高溫淬火加熱爐中加熱到86(TC 92(TC保溫并以工業(yè) 循環(huán)水作為淬火液淬火,然后在回火加熱爐中加熱到64(TC 65(TC并保溫, 進(jìn)行高溫回火,出回火爐后進(jìn)行高溫矯直,溫度范圍在500 600°C;熱處 理后通過(guò)最后一道超聲波無(wú)損探傷工序,接著進(jìn)行噴標(biāo)、涂漆,制成低溫 鉆桿用鋼管;④上述制成的低溫鉆桿鋼管性能為服強(qiáng)度為965MPa鋼級(jí)為140ksi 抗拉強(qiáng)度^1100Mpa常溫下橫縱向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為最小100J和最小140J 韌脆轉(zhuǎn)變溫度位-60°C在-4(TC -6(TC的溫度區(qū)間內(nèi),橫縱向全尺寸夏比沖擊吸收功分別為 最小50J和最小100J管體截面全璧厚組織為S @ 平均硬度約為HRC 37.6。
全文摘要
本發(fā)明提供耐-40℃~-60℃低溫用鉆桿料鋼管,其成份的重量%為C0.18%~0.22%、Si0.15%~0.35%、Mn0.40%~0.60%、P≤0.015%、S≤0.010%,Ni0.55%~0.70%,V0.0%~0.05%,余量為Fe和含量不可去除的痕量元素。還提供一種制造低溫鉆桿料鋼管的方法。本發(fā)明的效果是采用以上成分和工藝后制造的鋼管具有良好的理化性能、使用性能,并且能夠在-40℃~-60℃低溫環(huán)境下安全使用。在其最小屈服強(qiáng)度達(dá)到965MPa的前提下,其橫向全尺寸常溫沖擊吸收功達(dá)到100J,縱向全尺寸常溫沖擊吸收功達(dá)到140J,韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-60℃。
文檔編號(hào)C21D9/08GK101608282SQ20091006955
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者劉江成, 史慶志, 周家祥, 周曉峰, 宗衛(wèi)兵, 張傳友, 李效華, 勇 江, 章華明, 賀爽城 申請(qǐng)人:天津鋼管集團(tuán)股份有限公司