專利名稱：：一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿及其熱處理工藝的制作方法一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿及其熱處理工藝挾術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿及其熱處理工藝，采用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的熱處理工藝加工而成的抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其屈服強(qiáng)度達(dá)105ksi以上鋼級(jí)。胃承玩不傳統(tǒng)的生產(chǎn)抗硫鉆桿的主要工藝過程是將熱軋無縫鋼管兩端按所需尺寸加厚，然后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)熱處理，制成合格的鉆桿管體。將熱處理過的工具接頭與鉆桿管體經(jīng)摩擦對(duì)焊連接后，再進(jìn)行焊縫熱處理，最后經(jīng)適當(dāng)機(jī)械加工制成石油鉆桿。對(duì)于鉆桿管體而言，為了保證與工具接頭對(duì)焊后的強(qiáng)度，必須對(duì)管端進(jìn)行鐓粗加厚再與工具接頭焊接，鉆桿鋼級(jí)越高，加厚端就越厚。管體在焊接工具接頭前需進(jìn)行整體熱處理，以保證使用性能。但是，由于管體與加厚端的厚度存在較大差異，在相同的淬火介質(zhì)和冷卻速度下，比管體厚得多的加厚端淬火后的馬氏體量有可能低于管體，從而影響到鉆桿的抗硫性能。為了解決這個(gè)問題，世界各國的鉆桿制造商和研究者做了大量研究與改進(jìn)，其主要研究方向是改善熱處理工藝和設(shè)計(jì)新的鋼種。目前國內(nèi)外生產(chǎn)石油鉆桿的廠家均采用在水槽中對(duì)鉆桿整體水淬熱處理的方式進(jìn)行淬火處理，由于水槽中的水溫基本相同，冷卻能力也基本相同。對(duì)于管端和管體壁厚相差較大的鉆桿而言，管端越厚，管端相對(duì)于管體的冷卻速度就越慢，淬火硬度就越低，這樣，經(jīng)淬火回火后鉆桿加厚端的強(qiáng)度一般比管體低約50MPa左右，嚴(yán)重時(shí)甚至可以低100MPa以上，經(jīng)淬火回火的鉆桿管端硬度總是低于管體。為提高管端的淬火硬度，需提高材料的淬透性，但當(dāng)材料淬透性增加后，較薄的管體就有淬裂的可能。因此國際上通常采用淬透性適中的Cr-Mo鋼或Mn-Mo鋼制造高強(qiáng)度鉆桿，但其加厚端的組織和抗硫性能則有可能滿足不了高抗硫的要求。就抗硫鉆桿管體鋼種而言，對(duì)于適合水淬熱處理的鋼種，為達(dá)到105ksi鋼級(jí)的性能和使用要求，一般采用中低碳合金鋼制造。表1列出了兩種國外現(xiàn)有的105ksi鋼級(jí)抗硫鉆桿管體的主要成分。表1單位Wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>其中，牌號(hào)SS105是巻號(hào)為1-2004的加拿大工業(yè)推薦法(IndustryRecommendedPractice,簡(jiǎn)稱IRP)所推薦產(chǎn)品。Grant是全球最大鉆桿生產(chǎn)商格蘭特，表l所列成分為產(chǎn)品實(shí)測(cè)值。對(duì)抗硫鉆桿管體鋼種的設(shè)計(jì)來說，主要是要保證足夠的淬透性和抗硫性能。C、Mn、Cr、B是提高材料淬透性的主要元素，Mo、Nb、Ti是提高強(qiáng)韌性的主要元素。C、Mn、Cr復(fù)合加入，可以有效的提高鋼的淬透性。為保證鉆桿加厚端淬透，應(yīng)加入較高的C、Mn、Cr，但由于管體較薄，淬透性過高則容易淬裂，為此又應(yīng)該適當(dāng)降低淬透性。降低淬透性帶來的問題是，30mm厚的鉆桿加厚端淬火馬氏體數(shù)量減少，回火組織的均勻性降低，嚴(yán)重影響管端抗硫性能。因此，從上表可以看出，對(duì)于表l中牌號(hào)為SS105的產(chǎn)品，由于Mn含量過低，使該產(chǎn)品的淬透性明顯不夠；同時(shí)Mo含量低造成了回火穩(wěn)定性不好，最終影響了抗硫性。而對(duì)于表l中格蘭特的牌號(hào)為DP105的產(chǎn)品，Mn和Mo的含量都較高，雖然淬透性非常好，抗硫性能也好，但在加厚端淬透的情況下，管體很容易出現(xiàn)裂紋。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿及其熱處理工藝，既可以保證鉆桿管體和加厚端充分淬透，又不會(huì)產(chǎn)生淬火裂紋。同時(shí)也能保證鉆桿整體包括加厚端具有優(yōu)異的抗硫性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其成分重量百分比為C:0.20~0.32;Si:0.卜0.5;Mn:1.0~1.5;Cr:0.5~1.5;Mo:0.8~1.2;Ca:0扁0.02;P:《0.015;S:《0.01;其余為Fe和不可避免雜質(zhì)?；蛟谏鲜龀煞值幕A(chǔ)上添力口V:0.01-0.10;Nb:0.01-0.05;Ti:0.01~0.05中的一種或兩種。優(yōu)選的，上述成分Ca/S^1。以下是本發(fā)明主要元素的作用及其限定說明C:0.20~0.32(wt%，以下各元素相同)，C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強(qiáng)度，太低時(shí)效果不明顯，太高時(shí)會(huì)大大降低鋼的韌性，并有可能產(chǎn)生淬火裂紋。Mn:1.0~1.5，Mn為奧氏體形成元素，通過穩(wěn)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(zhuǎn)變，從而得到更多的淬火馬氏體，提高鋼的淬透性。Mn含量小于1.0時(shí)提高淬透性的作用不明顯，若Mn含量過高，則奧氏體過于穩(wěn)定，會(huì)增加淬火后的殘余奧氏體量，影響抗硫性能。Cr:0.5~1.5，Cr為碳化物形成元素，可以提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，太低時(shí)效果不明顯，太高時(shí)會(huì)大大提高鋼的硬度，影響抗硫性能。Mo:0.81.2:主要是通過碳化物析出強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化形式來提高鋼的強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性。Mo的碳化物顆粒細(xì)小，不會(huì)造成微觀組織結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，有利于提高抗硫性能。較高的Mo含量在形成Mo的碳化物同時(shí)，還會(huì)有一部分多余的Mo固溶在基體中，以固溶強(qiáng)化的形式提高鋼的回火穩(wěn)定性?；鼗鸱€(wěn)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(yīng)力，提高抗硫性能。含量過高則大大提高成本。V:0.010.10，能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。但含量達(dá)到一定量時(shí)，其效果增加便不明顯了，同時(shí)因?yàn)閮r(jià)格很高，所以要限制使用量。Ti:0.010.05，能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。但含量達(dá)到一定量時(shí)，其效果增加便不明顯了，同時(shí)因?yàn)閮r(jià)格很高，所以要限制使用量。Nb:0.01~0.05,能夠細(xì)化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。但含量達(dá)到一定量時(shí)，其效果增加便不明顯了，同時(shí)因?yàn)閮r(jià)格很高，所以要限制使用量。Si:0.10.5，為提高澆鑄性能必須加入的元素，含量過高會(huì)增加鋼的脆性。Ca:0.002~0.02，Ca與鋼中的S優(yōu)先生成球狀CaS夾雜，可以有效避免生產(chǎn)條狀MnS夾雜，使夾雜物球化，避免由于夾雜物的尖角造成的應(yīng)力集中，提高抗硫性能。Ca/S^1可以使鋼中的S基本上完全與Ca結(jié)合，減少M(fèi)nS的數(shù)量。S:《0.015，加入量超過會(huì)增加硫化物含量，影響鋼的抗硫能力。P:《0.01，加入量超過會(huì)增加微觀偏析，影響鋼的抗硫能力。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿的熱處理工藝，具體工藝過程如下首先進(jìn)行管端加厚處理，制成加厚鉆桿的管體，經(jīng)整體加熱到9001000。C的溫度后，放置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)淬火臺(tái)架上，在鋼管旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，進(jìn)行鉆桿內(nèi)表面軸流噴水冷卻，鉆桿外表面層流噴水冷卻。與通常的鋼管外表面層流冷卻不同的是，沿鋼管全長(zhǎng)方向上的冷卻水量可以調(diào)整，以達(dá)到加厚端和管體的冷卻速度相同，通過減少管體處的外噴水量或加大鉆桿加厚端處的外噴水量控制鉆桿加厚端和管體不同的外噴水量，使得不同壁厚的管體和加厚端具有相同的冷卻速度，以保證管體和加厚端具有相同的淬火組織，經(jīng)回火后得到相同的力學(xué)性能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的鉆桿管體具有較高的Mn，可以保證管體加厚端的淬透性，可以保證30mm以上厚度的加厚端可以完全淬透，從而保證加厚端的抗硫性能；本發(fā)明鉆桿具有較高的Mo，可以提高材料的抗回火穩(wěn)定性，從而提高回火溫度，降低殘余應(yīng)力，保證抗硫性能。同時(shí)，本發(fā)明采用的熱處理工藝可以調(diào)整管體和加厚端有不同的冷卻能力，通過提高材料的淬透性來保證加厚端充分淬火，為防止高淬透性的較薄管體淬裂，可以減少管體部分的冷卻水量或加大加厚端的冷卻水量，使管體和加厚端具有相同的冷卻速度，最終達(dá)到管體和管端(加厚端)具有相同的淬火組織和硬度，從而可以保證淬火后管體和加厚端均可以得到90%以上的淬火馬氏體組織，保證鉆桿管體的抗硫性能。具體實(shí)施方式以下是本發(fā)明實(shí)施例l一7的具體說明。實(shí)施例1鉆桿化學(xué)成分(Wt%)如下Ca:0.01;C:0.29;Si:0.16;Mn:1.15;P:0.007;S:0.005;Cr:0.98;Mo:0.84;首先進(jìn)行管端加厚處理，制成加厚鉆桿的管體，經(jīng)整體加熱到920°C的溫度后，放置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)淬火臺(tái)架上，在鋼管旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，進(jìn)行鉆桿內(nèi)表面軸流噴水冷卻，鉆桿外表面層流噴水冷卻。通過減少管體處的外噴水量或加大鉆桿加厚端處的外噴水量控制鉆桿加厚端和管體不同的外噴水量，使得不同壁厚的管體和加厚端具有相同的冷卻速度，以保證管體和加厚端具有相同的淬火組織，經(jīng)回火后得到相同的力學(xué)性能。實(shí)施例2鉆桿化學(xué)成分(Wt%)如下Ca:0.015;C:0.20;Si:0.28;Mn:1.0;P:0.010;S:0.01;Cr:1.5;Mo:1.20;V:0.1;Ti:0.05首先進(jìn)行管端加厚處理，制成加厚鉆桿的管體，經(jīng)整體加熱到900°C的溫度后，放置于一個(gè)旋轉(zhuǎn)淬火臺(tái)架上，在鋼管旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，進(jìn)行鉆桿內(nèi)表面軸流噴水冷卻，鉆桿外表面層流噴水冷卻。通過減少管體處的外噴水量或加大鉆桿加厚端處的外噴水量控制鉆桿加厚端和管體不同的外噴水量，使得不同壁厚的管體和加厚端具有相同的冷卻速度，以保證管體和加厚端具有相同的淬火組織，經(jīng)回火后得到相同的力學(xué)性能。實(shí)施例3—7的化學(xué)成分和加熱溫度及淬火,回火溫度不再一一累述，其具體化學(xué)成分(Wt%)見表2，熱處理淬火方法淬火和回火后的性能見表3。表2單位wt%編號(hào)CaCSiMnPSCrMoVTiNb10,010.290.161.15O扁0.0050.980.84<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其特征在于其成分重量百分比為C0.20～0.32；Si0.1～0.5；Mn1.0～1.5；Cr0.5～1.5；Mo0.8～1.2；Ca0.002～0.02；P≤0.015；S≤0.01；其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其特征在于還包括一種或兩種如下成分，其重量百分比為V:0.01~0.10;Nb:0.01~0.05;Ti:0.01~0.05。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其特征在于其中，Ca/S》1。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿的熱處理工藝，其特征在于，包括如下步驟首先進(jìn)行管端加厚處理，制成加厚鉆桿的管體，經(jīng)整體加熱到900100(TC的溫度后，進(jìn)行鉆桿內(nèi)表面軸流噴水冷卻和鉆桿外表面層流噴水冷卻，并通過減少管體處的外噴水量或加大鉆桿加厚端處的外噴水量，使不同壁厚的管體和加厚端具有相同的冷卻速度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿的熱處理工藝，其特征在于，在對(duì)鉆桿內(nèi)表面和外表面進(jìn)行冷卻時(shí)，其淬火溫度控制為880~950°C;回火溫度控制為670~710°C。全文摘要一種高性能抗硫化氫腐蝕用石油鉆桿，其成分重量百分比為C0.20～0.32；Si0.1～0.5；Mn1.0～1.5；Cr0.5～1.5；Mo0.8～1.2；P≤0.015；S≤0.01；其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明鉆桿具有較高的Mn，可以保證30mm以上厚度的加厚端可以完全淬透，從而保證加厚端的抗硫性能；本發(fā)明鉆桿具有較高的Mo，可以提高材料的抗回火穩(wěn)定性，從而提高回火溫度，降低殘余應(yīng)力，保證抗硫性能。同時(shí)本發(fā)明通過控制鋼管加厚端和管體不同的外噴水量，減少管體外噴水量或加大鉆桿加厚端外噴水量，使得不同壁厚的管體和加厚端具有相同的冷卻速度，以保證管體和加厚端具有相同的淬火組織，經(jīng)回火后得到相同的力學(xué)性能。文檔編號(hào)C22C38/28GK101117683SQ200610029559公開日2008年2月6日申請(qǐng)日期2006年7月31日優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日發(fā)明者杰于,殷光虹,郭金寶申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司