高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，包括如下質(zhì)量百分比的組分：錳元素1.5~2.1%，鎳元素2.5~4.5%，鉬元素2.5~4.5%，鉻元素12~14%，碳元素0.03~0.08%，氮元素0.05~0.15%，硼元素0.03~0.05%，鈮元素0.1~0.5%，鈦元素0.1~0.13%，鋯元素0.5~0.75%，銪元素0.003~0.005%，其余為鐵元素，制備的鋼材具有優(yōu)異的力學(xué)性能與抗腐蝕性能，可用于沿海油井作業(yè)中。
【專利說明】
高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及鋼材料，特別設(shè)及一種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 在油田的采油、鉆井過程中，大量使用的石油管、油井套管、抽油桿、抽油累和地面 輸送管道，都需要經(jīng)受井下極其復(fù)雜的環(huán)境，抽油桿、抽油累需要承受復(fù)雜的磨損與化學(xué)腐 蝕的協(xié)同作用；在石油、天然氣等流體的傳輸過程中，傳輸用的石油管、油井套管需要經(jīng)過 高寒、高熱、高硫、低氧等惡劣的自然環(huán)境，需要承受耐低溫、耐腐蝕與耐磨損性能;在油田 開發(fā)到高含水期階段，由于井斜、井套彎曲變形等因素造成油管與抽油桿的偏磨問題越來 越嚴(yán)重，特別是由于高含水、高礦化度產(chǎn)出液的腐蝕，更加劇了抽油桿與油管之間的偏磨與 腐蝕，縮短油井的生產(chǎn)周期，增加了采油的作業(yè)成本，造成抽油桿等的報(bào)廢。
[0003] 目前，申請(qǐng)公布號(hào)為CN104789902A的中國專利公開了一種用于鋼平臺(tái)的高強(qiáng)度鋼 板及其鍛造工藝，包含了碳、儘、鋼、侶、娃、饑、鐵、鎖、蹄、銘、鋼、儀、錠、儀、銅、鋼、館，余量 為鐵和不可避免的雜質(zhì)，該鋼板具有優(yōu)異的耐磨損、抗腐蝕和耐摩擦性能。
[0004] 但是，上述專利和現(xiàn)有技術(shù)中的大多數(shù)鋼材只能用于無防腐要求的普通機(jī)械、機(jī) 床的零部件中作為一般的結(jié)構(gòu)件使用，不適于在沿海油井中含有K+、化2\Ca2+、Mg 2+等堿± 金屬離子及cr、S〇42^離子液體的惡劣環(huán)境中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種可適用在沿海油井中工作的高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材。
[0006] 本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過W下技術(shù)方案得W實(shí)現(xiàn)的： 一種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，包括如下質(zhì)量百分比的組分:儘元素1.5~2.1 %，儀元素 2.5~4.5%，鋼元素2.5~4.5%，銘元素12~14 %，碳元素0.03~0.08%，氮元素0.05~ 0.07%，棚元素0.03~0.05 %，妮元素0.1~0.3%，鐵元素0.1~0.15%，錯(cuò)元素0.1~ 0.3%，館元素0.003~0.005%，其余為鐵元素。
[0007] 通過采用上述技術(shù)方案，在普通鋼材基礎(chǔ)上，添加12 %~14%的銘元素，在氧化性 介質(zhì)作用下，鋼材表面能生成厚度約為lOnm的氧化膜，緊密附著在鋼材表面上，銘元素與鋼 材表面的碳元素結(jié)合形成碳化銘，大大提高了鋼材的耐蝕性，而且，銘能夠提高鋼材的電極 電位，減少微電池?cái)?shù)目，有效提高鋼材的耐蝕性，高銘含量的鋼材不但耐腐蝕性好，而且硬 度較高，耐熱性與耐磨性均較好；向高銘鋼材中加入0.1~0.3%的妮元素，妮與鐵之間具有 較大的原子錯(cuò)配度，使妮較難溶于固溶體中，妮的電正性有利于妮與鋼材表面的碳元素和 氮元素形成碳化妮和氮化妮，從而在合金中形成初晶相和二次品相，另外，碳元素和氮元素 也能結(jié)合形成一次或二次的妮的碳氮化合物；向銘妮鋼材中加入0.1~0.15 %的鐵元素，鐵 元素和氧有很大的親和力，鐵表面能夠生成一層致密的、附著力強(qiáng)的氧化膜，保護(hù)了鋼材表 面不容易被腐蝕，由于鐵是具有優(yōu)異純化性的金屬，且在315°CW下均能保持氧化膜具有純 化的特性，有些機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生；向反應(yīng)體系中加入0.1~0.3%的錯(cuò)元 素，錯(cuò)元素與鋼材表面的碳元素、氮元素形成碳化物、氮化物，合金元素之間或合金元素與 鐵元素之間形成各種金屬間化合物，促進(jìn)了碳化物的生成，顯著提高了鋼材的耐蝕性W及 力學(xué)性能；向反應(yīng)體系中加入0.03~0.05%的棚元素，微量棚元素能顯著提高該鋼材的澤 透性，提高耐高溫性、高強(qiáng)度和蠕變性能，棚元素能夠?qū)Y(jié)構(gòu)鋼儀、銘、儘、鋼的加工起到輔 助的作用，有助于改善鋼材的熱加工，提高該鋼材的使用壽命，同時(shí)，微量棚可W細(xì)化共晶 的碳化妮、碳化錯(cuò)，改善它們的形態(tài)和分布，提高鋼材的力學(xué)性能和耐磨性，使基體澤透性 增加，硬度和初性得W提高，形成的鐵/妮體系對(duì)的鋼材中儀銘儘鋼的防腐起到協(xié)同防腐的 作用，同時(shí)，金屬形成的棚化物相互疊加共同作用，使該鋼材具有優(yōu)異的耐磨、防腐的性能， 可用于環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)峻的沿海油井作業(yè)中。
[000引本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:還包括含量小于0.2 %的鋒元素。
[0009] 通過采用上述技術(shù)方案，在鋼材表面加入鋒元素，在海水環(huán)境中，鋒的表面覆蓋了 一層氧化鋒、碳化鋒和氨氧化鋒組成的氧化膜，運(yùn)一層氧化膜非常致密，粘附性能較好，能 將外界氧氣與內(nèi)部的組織隔離開來，防止內(nèi)部的鋒基體繼續(xù)被氧化掉，同時(shí)，與鋼材表面的 銘元素形成鋒-銘體系、鋒-儀體系、鋒-錯(cuò)體系，在運(yùn)些體系中，惰性金屬元素使氧還原的過 電位升高，抑制了陰極反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)，運(yùn)些體系產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，可W對(duì)鍛層 起到較好的保護(hù)作用;如果鋒元素的含量超過0.2 %時(shí)，則鋒含量過高，腐蝕產(chǎn)物變成化0和 ZnCl2 · 4Zn(0H)2的混合物，相比于純的ZnCl2 · 4Zn(0H)2腐蝕產(chǎn)物而言，結(jié)構(gòu)較為疏松，影 響對(duì)鍛層的保護(hù)作用。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:還包括含量小于0.5 %的銅元素。
[0011] 通過采用上述技術(shù)方案，在鋼材表面加入銅元素，銅元素與鋒元素形成的銅鋒復(fù) 合具有優(yōu)異的耐沖擊腐蝕性能;銅元素與儀元素形成的銅儀復(fù)合具有優(yōu)異的耐酸堿、耐海 水腐蝕的性能;銅元素與鐵元素形成的銅鐵復(fù)合具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)規(guī)整排列在 鋼材表面，可與氮化棚形成界面插層結(jié)構(gòu)，使氧化膜的純性更強(qiáng)，具有優(yōu)異的耐蝕穩(wěn)定性； 如果銅元素的含量超過0.5%時(shí)，則會(huì)增加該鋼材表面的脆性，嚴(yán)重影響鋼材的強(qiáng)度。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:還包括含量小于0.08 %的儀元素。
[0013] 通過采用上述技術(shù)方案，加入儀元素后，儀元素與館元素發(fā)生相互作用，館元素能 夠細(xì)化a-Mg相和β-Mg相，同時(shí)，館元素在鋼材中儀的表面上生成致密的氧化膜，起到穩(wěn)定、 純化作用，有利于提高該鋼材的耐腐蝕性能;如果儀元素的含量大于0.08%，則會(huì)抑制館元 素形成致密的保護(hù)膜，使鋼材的耐腐蝕性能下降。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述碳元素的載體包括碳納米管，且碳納米管在碳元素的 載體中的質(zhì)量百分比為60~80%。
[0015] 通過采用上述技術(shù)方案，在鋼材表面附著有碳納米管，碳納米管是一種由碳原子 形成的無縫中空管狀結(jié)構(gòu)，長度為幾十微米，直徑卻只有十幾納米，在社鋼過程中，將上述 各種金屬元素滲入到碳納米管內(nèi)，使之形成直徑與碳納米管的直徑相近的尺寸規(guī)整、形狀 相近的納米金屬，由納米級(jí)的點(diǎn)狀金屬結(jié)合形成各種氧化膜，從而，保證該鋼材表面具有優(yōu) 異的耐腐蝕與耐磨性能。
[0016] 本發(fā)明還提供了一種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，包括如下質(zhì)量百分比的組分:儘元素 1.8%，儀元素3.5%，鋼元素3.5%，銘元素13%，碳元素0.05%，氮元素0.1%，棚元素 0.04%，妮元素0.3%，鐵元素0.11%，錯(cuò)元素0.6%，館元素0.004%，鋒元素0.2%，銅元素 0.5%，儀元素0.08%，其余為鐵元素。
[0017] 通過采用上述技術(shù)方案，采用上述質(zhì)量百分比的組分制備的鋼材，可W達(dá)到最佳 的高強(qiáng)度、耐磨性W及抗腐蝕性。
[0018] 本發(fā)明還提供了一種抽油桿及其接髓，采用上述高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材制作而成。
[0019] 通過采用上述技術(shù)方案，制備的抽油桿能夠避免在油田開發(fā)到高含水期時(shí)，由于 井斜、井套彎曲變形等因素造成抽油機(jī)井油管與抽油機(jī)的偏磨問題，防止因高含水、高礦化 度產(chǎn)出液對(duì)抽油桿的腐蝕，可延長油井的生產(chǎn)周期，減少作業(yè)井次和作業(yè)費(fèi)用，減少采油的 生產(chǎn)成本;制備的抽油桿接髓能夠抵抗井下復(fù)雜因素造成的機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕的協(xié)同作 用，減小了抽油桿接髓與油管內(nèi)壁的磨損，延長了抽油桿及其接髓的使用壽命。
[0020] 本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述抽油桿與抽油桿接髓采用螺紋連接。
[0021 ]通過采用上述技術(shù)方案，抽油桿與接髓的連接方式采用螺紋連接，安裝作業(yè)簡單、 方便、快捷，減低了使用成本，減少地面抽油機(jī)的功耗。
[0022] 綜上所述，本發(fā)明具有W下有益效果： 1、 在高銘鋼材中，添加了妮、鐵、錯(cuò)、館等金屬元素與碳、氮、棚非金屬元素，在鋼材表面 形成碳化物、氮化物與棚化物，緊密附著在鋼材表面上，起到優(yōu)異的防腐作用；同時(shí)，鐵/妮 的防腐體系對(duì)儀銘儘鋼的防腐起到協(xié)同防腐的作用，而且鐵妮錯(cuò)棚元素的用量很小即可起 到較優(yōu)異的防腐作用； 2、 在該鋼材表面還滲入了鋒，形成的鋒-銘體系、鋒-儀體系與鋒-錯(cuò)體系中的氧化膜結(jié) 構(gòu)更加致密，鋒起到協(xié)同防腐的作用； 3、 在該鋼材表面還滲入了銅，形成的銅-鋒體系、銅-儀體系、銅-鐵體系具有優(yōu)異的防 腐性，同時(shí)，氮化棚可插入到銅-鋒體系內(nèi)，形成插層結(jié)構(gòu)，使氧化膜的純性更強(qiáng)，進(jìn)一步提 高該鋼材的防腐性能； 4、 由于碳納米管具有無縫中空的管狀結(jié)構(gòu)，而且其直徑為納米級(jí)，向鋼材表面加入碳 納米管，上述微量金屬滲入到碳納米管的中空管中，也就是具有納米級(jí)的致密度，使碳化 物、棚化物的膜更加致密、均勻，有助于提高該鋼材的防腐性能。
【具體實(shí)施方式】
[0023] W下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024] 檢測(cè)手段： (1) 抗腐性:采用高壓蓋進(jìn)行抗腐蝕試驗(yàn)，調(diào)節(jié)高壓蓋的壓力為20MPa，持續(xù)時(shí)間為24h， 采用高倍顯微鏡觀察材料表面腐蝕情況； (2) 抗疲勞性：采用PLG-300KN高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)抽油桿進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)加載應(yīng)力為 406MPa，應(yīng)力比為R = 0.1，疲勞壽命大于1*106次不發(fā)生破損的為合格產(chǎn)品； (3) 耐磨性:采用MG-200高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)比力:P = 0.5MPa，試 驗(yàn)速度:η = 30化pm，試驗(yàn)總轉(zhuǎn)速:100000轉(zhuǎn)，試驗(yàn)介質(zhì):清水，溫度為60°C，試驗(yàn)時(shí)間：6天； (4) 力學(xué)性能:采用GB/T228-2002檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)抽油桿的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷面 收縮率進(jìn)行檢測(cè)。
[002引實(shí)施例一： 配方:儘元素1.5%，儀元素2.5%，鋼元素2.5%，銘元素12%，碳元素0.03%，氮元素 0.05%，棚元素0.03%，妮元素0.1%，鐵元素0.1%，錯(cuò)元素0.5%，館元素0.003%，銅元素 0.2%，儀元素0.03%，其余為鐵元素。
[0026] 制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相同，鋼的烙煉溫度為1580~1680°C，在鋼的冶煉過程中要 嚴(yán)格控制氧化物系夾雜物對(duì)材料性能的影響。鋼的社制溫度為1180~960°C，堆冷。冶煉采 用電弧爐初煉提供鋼水，用A0D或V0D爐對(duì)初煉鋼水進(jìn)行吹氧脫碳脫硫，進(jìn)一步合金化調(diào)整 成分和溫度、脫氣等精煉后誘錠。社機(jī)開胚探傷，控溫控冷社制成型材，熱處理后整理切定 尺成材。
[0027] 實(shí)施例二： 配方：儘元素1.7%，儀元素3%，鋼元素3%，銘元素12.5%，碳元素0.05%，氮元素 0.08%，棚元素0.03%，妮元素0.2%，鐵元素0.11%，錯(cuò)元素0.6%，館元素0.004%，鋒元素 0.1%，儀元素0.03%，其余為鐵元素。
[00巧]制備方法同實(shí)施例一。
[0029] 實(shí)施例 配方:儘元素1.9%，儀元素3.5%，鋼元素3.5%，銘元素13%，碳元素0.06%，氮元素 0.10%，棚元素0.04%，妮元素0.3%，鐵元素0.12%，錯(cuò)元素0.65%，館元素0.004%，鋒元 素0.2%，銅元素0.3%，儀元素0.05%，其余為鐵元素。
[0030] 制備方法同實(shí)施例一。
[0031] 實(shí)施例四： 配方：儘元素2.0 %，儀元素4%，鋼元素4%，銘元素13.5 %，碳元素0.07 %，氮元素 0.12%，棚元素0.04%，妮元素0.4%，鐵元素0.12%，錯(cuò)元素0.7%，館元素0.005%，鋒元素 0.15 %，銅元素0.4 %，儀元素0.06 %，其余為鐵元素，碳元素由碳納米管提供。
[0032] 制備方法同實(shí)施例一，區(qū)別僅在于在合金化調(diào)整成分階段預(yù)先滲入碳納米管。
[00削實(shí)施例五： 配方:儘元素2.1%，儀元素4.5%，鋼元素4.5%，銘元素14%，碳元素0.08%，氮元素 0.15%，棚元素0.05%，妮元素0.5%，鐵元素0.13%，錯(cuò)元素0.75%，館元素0.005%，鋒元 素0.15 %，銅元素0.4 %，儀元素0.06 %，其余為鐵元素，碳元素由碳納米管提供。
[0034] 制備方法同實(shí)施例一，區(qū)別僅在于在合金化調(diào)整成分階段預(yù)先滲入碳納米管。
[0035] 對(duì)比例一：與實(shí)施例一相比，缺少妮元素，相應(yīng)增加鐵元素含量，制備方法同實(shí)施 例一； 對(duì)比例二:與實(shí)施例一相比，缺少鐵元素，相應(yīng)增加妮元素含量，制備方法同實(shí)施例一。
[0036] 對(duì)比例與實(shí)施例一相比，缺少妮、鐵元素，相應(yīng)增加鐵元素含量，制備方法同實(shí) 施例一。
[0037] 抗腐性與抗疲勞性的檢測(cè)結(jié)果如下表所示:_

由上表可知，實(shí)施例中的鋼材經(jīng)抗腐蝕試驗(yàn)處理后，表面的顆粒較均勻，表面結(jié)構(gòu)較規(guī) 整，碳元素由碳納米管作為載體的實(shí)施例的抗腐蝕效果極佳;缺少妮/鐵體系的對(duì)比例的抗 腐蝕性最差。
[0038] 耐磨性的測(cè)試結(jié)果如下表所示：
' 由上表可知，經(jīng)本實(shí)施例制備的抽油桿具有優(yōu)異的耐磨性能，而分別缺少妮、鐵元素的' 對(duì)比例的抽油桿的磨損率顯著增加，而缺少妮、鐵元素的對(duì)比例的抽油桿的磨損率明顯增 加，可見，妮、鐵元素協(xié)同作用，耐磨效果最佳。
[0039] 力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果如下表所示:_^_
' 由上表可知，經(jīng)本實(shí)施例制備的鋼材具有優(yōu)異的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度可達(dá)到660M化W 上。
[0040] 本具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋，其并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人 員在閱讀完本說明書后可W根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于包括如下質(zhì)量百分比的組分:錳元素1.5~ 2.1%，鎳元素 2.5~4.5%，鉬元素 2.5~4.5%，鉻元素 12~14%，碳元素 0.03~0.08%，氮元素 0.05~0.15%，硼元素 0.03~0.05%，鈮元素 0.1~0.5%，鈦元素 0.1~0.13%，鋯元素 0.5~ 0.75%，銪元素 0.003~0.005%，其余為鐵元素。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0. 2%的 鋅元素。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0.5%的銅 元素。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0.08%的 鎂元素。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4任意一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:所述碳元素的 載體包括碳納米管，且碳納米管在碳元素的載體中的質(zhì)量百分比為60~80%。6. -種高強(qiáng)度抗腐蝕的鋼材，其特征在于包括如下質(zhì)量百分比的組分:錳元素1.8%， 鎳元素3.5%，鉬元素3.5%，絡(luò)元素13%，碳元素0.05%，氮元素0.1%，硼元素0.04%，銀元素 0.3%，鈦元素0.11%，錯(cuò)元素0.6%，銪元素0.004%，鋅元素0.2%，銅元素0.5%，鎂元素 0.08%，其余為鐵元素。7. -種抽油桿及其接箍，其特征在于:采用權(quán)利要求1~6任意一項(xiàng)所述的高強(qiáng)度抗腐蝕 的鋼材制作而成。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的抽油桿及其接箍，其特征在于:所述抽油桿與抽油桿接箍采用 螺紋連接。
【文檔編號(hào)】C22C38/54GK106011685SQ201610541980
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月7日
【發(fā)明人】李永安, 高光亮, 姜東 , 楊鋼, 謝梅波, 劉書杰, 陳軍, 周宏斌, 張金中, 林繼興, 胡孫達(dá), 李振坤
【申請(qǐng)人】浙江睿智鋼業(yè)有限公司