專利名稱：一種超高韌性高強度鉆桿及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬制品及其制造方法，尤其涉及一種鉆桿及其制造方法。
背景技術：
用于石油天然氣鉆探的鉆桿是按照美國石油協會(API, American PetroleumInstitute)標準生產制造的。根據美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC 5DP)，鉆桿僅有E、X、G、S四種鋼級，分別對應75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四種強度。為保證鉆桿的沖擊性能，美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC OTP)規定了鉆桿室溫縱向全尺寸沖擊韌性彡54J。隨著石油工業的發展，鉆桿的工作條件日趨惡劣，API標準鉆桿已不能滿足日益苛刻的鉆井作業要求。近年來，隨著深井、超深井的不斷開發，對鉆桿的性能提出了更高要求。·這不僅要求鉆桿材料有較高的強度水平，而且要有充足的韌性儲備。只有這樣才能抵御過載操作中的強拉、強扭、沖擊振動以及各種交變載荷作用，并能適應各種特殊工作條件對鉆桿的使用要求。因此，美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC OTP)中S級鉆桿規定的室溫縱向全尺寸沖擊韌性> 54J的標準已無法滿足日益苛刻的鉆井作業要求。為此，美國石油協會的標準提出了 PSL3級鉆桿的性能要求S級鉆桿_20°C縱向全尺寸沖擊韌性> 100J,即超高韌性高強度鉆桿的性能要求。公開號為CN1690241A，
公開日為2005年11月2日，名稱為“高強度石油鉆桿及其制造方法”的中國專利文獻公開了一種高強度鉆桿，其化學成分質量百分比配比為C:0. 20 0. 30% ；Si 0. ro. 5% ；Mn :0. 7 I. 5% ；Cr :0. 7 I. 5% ；Mo :0. I 0. 4% ；V :0. 01 0. 15% ；其
余為Fe和不可避免雜質。采用該專利可生產出符合美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC5DP)的S級鉆桿，其沖擊韌性滿足室溫縱向全尺寸沖擊韌性> 54J的要求。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高強度鉆桿及其制造方法，該高強度鉆桿滿足美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC OTP)中-20°C縱向全尺寸沖擊韌性彡100J的S級超高韌性的要求，從而可以在深井、超深井、水平井、大位移井等具有苛刻工作條件的鉆井下進行工作。為了實現本發明的目的，本發明提供了一種超高韌性高強度鉆桿，其各化學元素質量百分含量為c 0. 24 0. 30%, Si :0. I 0. 5%, Mn :0. 7 I. 5%, Cr :0. 7 I. 5%, Mo 0. 5 0. 75%, V :0. 01 0. 10%, Nb :0. 01 0. 05%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%,其余為 Fe 和
不可避免的雜質。本發明所述的超高韌性高強度鉆桿的化學成分設計原理如下C :C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度。當C含量太低時，效果不明顯；C含量太高時，會大大降低鋼的韌性，并有可能產生淬火裂紋。因此，本發明C含量的控制范圍為0. 24% 0. 30%O
Si :Si是提高澆鑄性能必須加入的元素。但是含量過高會增加鋼的脆性，故在本發明將中將Si含量控制在0. I 0. 5%。Mn Mn為奧氏體形成元素，通過穩定奧氏體組織，推遲高溫冷卻過程中奧氏體向鐵素體和貝氏體的轉變，從而得到更多的淬火馬氏體，提高鋼的淬透性。若Mn含量小于0. 7%時，提高淬透性的作用不明顯；若Mn含量大于I. 5%時，則奧氏體過于穩定，會增加淬火后的殘余奧氏體量。因此，本發明的Mn的含量為0. 7 I. 5%。Cr =Cr為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度和淬透性。其含量太低時，效果不明顯；含量太高時，則會大大提高鋼的硬度。所以，本發明中Cr含量范圍為0. 7 I. 5%。Mo =Mo形成的碳化物顆粒細小，不會造成微觀組織結構的應力集中，有利于提高沖擊韌性。帶鋼主要是通過碳化物析出強化及固溶強化形式來提高鋼的強度和回火穩定性，而較高的Mo含量在形成Mo的碳化物同時，還會有一部分多余的Mo固溶在基體中，以固溶強化的形式提高鋼的回火穩定性。回火穩定性的提高有利于提高回火溫度，從而降低熱 處理后的殘余應力，提高沖擊韌性。但是由于Mo是貴金屬，含量過高，則大大提高生產成本。在本發明的技術方案中將Mo含量設定為0. 5 0. 75%。V V能形成碳化物，能夠細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量后，其效果增加不明顯，又因為釩是貴金屬，其價格很高，會導致生產成本的增加。所以，本發明中將V含量控制在0. 01 0. 10%。Nb :Nb能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量時，能夠顯現的效果便不明顯，同時因為價格很高，所以本發明中將其含量控制在0.01 0. 05%。P :磷為雜質元素，越低越好，在本發明中，當磷元素超過0. 015%會增加微觀偏析，影響鋼的沖擊韌性，因此本發明中應將磷含量控制為< 0. 015%。S :硫也為雜質元素，越低越好。在本發明中，當硫含量超過0. 005%會增加硫化物含量，影響鋼的沖擊韌性，所以本發明中應將硫含量控制為< 0. 005%。在本發明技術方案中，發明人添加了含量較高的Mo，而且添加了 Nb、V元素，這些金屬元素在細化晶粒的同時還提高了鉆桿的強度，可以使鉆桿在后續較高的回火溫度下達到135ksi的強度水平。相應地，本發明還提供上述高強度鉆桿的制造方法，其包括在淬火步驟中，將鉆桿整體加熱到900 950°C后，進行鉆桿內表面軸流噴水冷卻和鉆桿外表面層流噴水冷卻，同時控制鉆桿加厚管端的噴水量與管體的噴水量不同以使不同壁厚的管體和加厚管端具有相同的冷卻速度；在回火步驟中，控制回火溫度為650 675°C。在本技術方案中，發明人首先對鉆桿管端進行加厚處理，制成加厚鉆桿的管體；經整體加熱到90(T95(TC后，放置于一個旋轉淬火臺架上，在鋼管旋轉的同時，進行鉆桿內表面軸流噴水冷卻和鉆桿外表面層流噴水冷卻，并通過控制鉆桿加厚管端和管體的不同噴水量，使不同壁厚的管體和加厚管端有相同的冷卻速度，以保證鉆桿管體和加厚管端具有相同的淬火組織；最后經65(T675°C回火處理使管體與加厚管端達到135ksi的力學性能。較之現有技術，本發明所述的超高韌性高強度鉆桿及其制造方法具有下列有益效果在鉆桿達到135ksi的強度情況下，其_20°C縱向全尺寸沖擊韌性彡100J且沖擊韌性遠高于美國石油協會的《鉆桿規范》(API SPEC OTP)中的S級鉆桿水平，滿足了深井、超深井、水平井、大位移井等高難度井的鉆探要求。
具體實施例方式下面將結合具體實施例和對比例對于本發明所述的技術方案作出進一步的說明。實施例1-6表I列出了本發明的實施例1-6與目前常用的CrMnMo鋼(對比例)的化學元素配比。表I (wt%)

權利要求
1.一種超高韌性高強度鉆桿，其特征在于，其各化學元素質量百分含量為C :0. 24 0. 30%, Si :0. I 0. 5%, Mn :0. 7 I. 5%, Cr :0. 7 I. 5%, Mo :0. 5 0. 75%,V :0. 01 0. 10%, Nb :0. 01 0. 05%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的超高韌性高強度鉆桿，其特征在于，其各化學元素質量百分含量為C :0. 25 0. 29%, Si :0. 24 0. 38%, Mn :0. 92 I. 17%, Cr :0. 95 I. 22%, Mo :0. 6 0.75%, V :0. 05 0. 09%, Nb :0. 02 0. 04%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 005%，其余為 Fe 和不可避免的雜質。
3.如權利要求I或2所述的超高韌性高強度鉆桿的制造方法，其特征在于 在淬火步驟中，將鉆桿整體加熱到900 950°C后，進行鉆桿內表面軸流噴水冷卻和鉆桿外表面層流噴水冷卻，同時控制鉆桿加厚管端的噴水量與管體的噴水量不同以使不同壁厚的管體和加厚管端具有相同的冷卻速度； 在回火步驟中，控制回火溫度為650 675°C。
全文摘要
本發明公開了一種超高韌性高強度鉆桿，其化學元素質量百分含量為C0.24～0.30%，Si0.1～0.5%，Mn0.7～1.5%，Cr0.7～1.5%，Mo0.5～0.75%，V0.01～0.10%，Nb0.01～0.05%，P≤0.015%，S≤0.005%，其余為Fe和不可避免的雜質；制造該超高韌性高強度鉆桿的方法為將鉆桿整體加熱到900～950℃后；進行鉆桿內表面軸流噴水冷卻和鉆桿外表面層流噴水冷卻，同時控制鉆桿加厚管端與管體的噴水量不同；控制回火溫度為650～675℃。本發明的超高韌性高強度鉆桿在135ksi強度水平下，其-20℃縱向全尺寸沖擊韌性≥100J。
文檔編號C21D1/18GK102787274SQ201210299488
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者于杰, 趙鵬 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司