一種高強韌150鋼級鉆桿材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鉆桿材料領域，特別涉及一種高強韌150鋼級鉆桿材料及其制備方 法。
【背景技術】
[0002] 鉆柱是石油工業(yè)中不可替代的高科技含量的工具，被廣泛用于石油開采、地質(zhì)勘 探和深井開挖等地下深層作業(yè)。鉆柱通常包括：鉆頭、鉆鋌、鉆桿、穩(wěn)定器、專用接頭及方鉆 桿。其中，鉆桿是鉆柱的基本組成部分，主要用于傳遞扭矩、輸送鉆井液以及在鉆井過程中 通過鉆桿的不斷連接來達到不斷加深井眼的目的。因此，在油井開發(fā)中，要求鉆桿必須能夠 承受巨大的內(nèi)外壓、扭曲力和彎曲力等。目前，在油氣勘探開發(fā)過程中，為了提高鉆桿材料 的強度，高強度的150鋼級鉆桿材料正在被逐步開發(fā)使用。
[0003] 在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下問題：
[0004] 鉆桿在使用過程中，由于受到各種外力的反復作用，會產(chǎn)生疲勞，從而帶來鉆桿甚 至鉆柱的疲勞破壞，即鉆桿或鉆柱失效。目前在日益嚴酷的石油開發(fā)環(huán)境中，石油鉆桿材料 的疲勞壽命低，鉆桿失效事故發(fā)生率高，嚴重影響了材料在石油鉆桿生產(chǎn)中的廣泛應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術中150鋼級鉆桿材料疲勞壽命低的問題，本發(fā)明實施例提供了 一種高強韌150鋼級鉆桿材料及其制備方法。所述技術方案如下 ：
[0006] -方面，本發(fā)明提供了一種高強韌150鋼級鉆桿材料，所述材料的化學成分及質(zhì) 量百分比含量為：C(碳）：0? 23% ~0? 30%，Cr(鉻）：0? 5% ~1. 5%，Ni(鎳）：0? 6% ~1. 0%，Mn (錳）：0? 9% ~1. 5%，Mo(鑰）：0? 8% ~1. 4%，Si(硅）：0? 1% ~0? 5%，Ce(鈰）：0? 6% ~1. 0%， Nb(鈮）：0? 01~0? 08%，V(釩）：0? 01%~0? 08%，余量為Fe(鐵）和不可避免的雜質(zhì)，所述 不可避免的雜質(zhì)中S(硫)、P(磷)、A1 (鋁）的質(zhì)量百分比為：S:彡0? 008%，P:彡0? 08%，A1: 彡 0? 07%。
[0007] 本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術方案是：所述材料的化學成分及質(zhì)量百分比含量為： C:0. 26% ~0? 29%，Cr: 1. 1% ~1. 3%，Ni:0? 7% ~0? 9%，Mn: 1. 0% ~1. 2%，Mo: 1. 0% ~1. 2%， Si: 0? 2% ~0? 3%，Ce: 0? 7% ~0? 9%，Nb: 0? 03 ~0? 06%，V:0? 03% ~0? 07%，余量為Fe和不可 避免的雜質(zhì)，所述可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S:彡0. 008%，P:彡0. 08%，A1 : 彡 0? 07%。。
[0008] 更優(yōu)選的一個技術方案是：所述材料的化學成分及質(zhì)量百分比含量為：C:0. 29%， Cr:0? 9%，Ni:0? 75%，Mn:1. 2%，Mo:0? 9%，Si:0? 30%，Ce:0? 7%，Nb:0? 06%，V:0? 04%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S 0.005%，P: 彡 0. 008%A1 :彡 0. 03%。。
[0009] 另一個更優(yōu)選的技術方案是：所述材料的化學成分及質(zhì)量百分比含量為：C: 0? 26%，Cr:0? 8%，Ni:0? 9%，Mn:1. 0%，Mo:1. 0%，Si:0? 25%，Ce:0? 9%，Nb:0? 07%，V:0? 06%，余 量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S 0. 003%， P0. 008%,A1 0. 06%〇
[0010] 還有一個更優(yōu)選的技術方案是：所述材料的化學成分及質(zhì)量百分比含量為：C: 0. 30%,Cr：0. 75%,Ni：0. 6%,Mn：1. 35%,Mo：1. 1%,Si：0. 35%,Ce：0. 71%,Nb：0. 03%,V： 0. 01%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S: 彡 0? 003%，P:彡 0? 008%，A1 :彡 0? 02%。
[0011] 本發(fā)明中所述材料的化學成分及其質(zhì)量百分比的設計原理如下。
[0012] 在深井施工過程中，鉆桿承受的應力非常復雜，包括拉、壓、彎、扭、剪切及其復合 和受變載荷等，容易引起鉆桿的疲勞破壞；同時，深井施工中，對鉆柱的轉(zhuǎn)速要求很_，而鉆 速過快會增大應力交變頻率，從而減少鉆桿的疲勞壽命；另外，根據(jù)機械振動理論，當轉(zhuǎn)速 與鉆柱固有頻率重合時，鉆柱便發(fā)生共振，當共振發(fā)生時無論鉆桿新舊都會很快疲勞。因 此，目前在深井施工過程中，鉆桿失效的事故越來越多。根據(jù)資料統(tǒng)計，每年鉆柱失效的事 故有1000例左右，其中由于鉆桿失效引起鉆柱失效的事故占鉆柱失效事故的50%~60%。
[0013] 現(xiàn)有的理論、實驗以及生產(chǎn)實踐都表明，材料在交變載荷下疲勞破壞過程主要有 兩個步驟，一是疲勞裂紋的萌生，二是疲勞裂紋的擴展。疲勞裂紋萌生過程的時間占了整個 疲勞破壞過程總時間的80%。如果能把疲勞裂紋的萌生時間變得足夠長，就可以很大程度上 提_材料的抗疲勞破壞的能力。根據(jù)目如最新的關于材料疲勞壽命的理論，認為材料的疲 勞裂紋源的萌生過程是損傷累積的過程。在此過程中，首先是形成疲勞短裂紋，短裂紋聚合 最終形成疲勞裂紋源。根據(jù)最新的研究成果，在一定的能量輸入的情況下，疲勞短裂紋的長 度集中在材料的晶粒尺寸附近，疲勞短裂紋的長度只有在增大輸入能量的情況下，才可能 繼續(xù)長大至兩個晶粒尺寸大小。理由是在這個過程中，晶界使得裂紋擴展受到阻礙。而這 些短裂紋的持續(xù)增加和聚合，最終形成大的裂紋，成為疲勞裂紋源，加速擴展。所以，認為晶 粒尺寸對材料的抗疲勞性能影響很大，晶粒尺寸越小，抗疲勞性能越好。另外，疲勞裂紋最 主要的萌生處是材料中的第二相和加工制造過程中產(chǎn)生的缺陷，因此，在材料的制造和熱 處理過程中，盡可能使材料中的第二相粒子小，并成球狀，以減少其表面能，并盡可能的避 免產(chǎn)生表面缺陷。
[0014] 為了解決上述問題，本發(fā)明實施例通過添加稀土元素Ce并控制其他化學成分的 含量，即調(diào)整150鋼級鉆桿材料的配方來細化晶粒，使第二相粒子成球狀，從而提高所述鉆 桿材料的強韌性匹配，提高材料的抗疲勞性能，延長疲勞壽命。
[0015] 具體解釋如下：
[0016] 本發(fā)明實施例中C是奧氏體形成元素，含有C可以起到減少同樣是奧氏體形成元 素的Ni的用量的效果，但C含量太低時上述效果不明顯，也有損材料的強度，C也為碳化 物形成元素，含有C可以提高鋼的強度，但是高含量C容易形成含Cr顆粒粗大的M23C6型 碳化物，降低鋼的抗SSC性能和沖擊韌性。為兼顧強度與韌性，本發(fā)明C添加量為0. 23~ 0? 30%。
[0017] 本發(fā)明實施例中Mn成本較低，具有提高淬透性及通過固溶強化提高鐵素體強度 的作用。然而Mn含量過多則會導致錳合金滲碳體過多的分布在晶界，降低材料韌性。
[0018] 本發(fā)明實施例中添加了稀土元素Ce。稀土元素Ce可凈化鋼液，減少P在晶界上的 偏析，消除了Fe3P弱化晶界的有害作用，強化晶界狀態(tài)，同時形成球形硫氧化物。該化合物 硬度高于MnS，在軋制時不會沿軋制方向呈長條狀分布，避免了應力集中，提高強度、韌性和 疲勞強度。稀土元素Ce同時可促進固溶于奧氏體區(qū)的微合金元素在鐵素體區(qū)析出，提高了 微合金元素的利用率。稀土元素Ce的微合金化機制對鉆桿材料的力學性能有一定的影響， 提高鉆桿用鋼的純凈度，把P、S、0、N等有害元素含量降至最低。此外，稀土元素Ce的加入 使夾雜物呈球形，進一步彌散細小分部；多合金化合物彌散析出，有效的阻止了疲勞裂紋的 萌生及擴展。
[0019] 本發(fā)明實施例中Nb在奧氏體區(qū)析出細小碳化物，通過晶界釘扎效應限制晶粒長 大，細化晶粒，同時在再結晶區(qū)固溶的Nb可提高再結晶溫度及晶粒粗化溫度，有利于通過 控軋使晶粒變形然后再結晶為細小的晶粒。同時細小碳化物的析出也有利于提高鋼的強 度。Nb通過微合金化提高強韌性的效果是最強的，同時有效提高強度150Mpa。同時稀土和 Nb聯(lián)合慘雜可以明顯提商Nb碳化物的析出量，減小碳化物尺寸，有利于提商晶粒細化和彌 散強化的效果。
[0020] 另一方面，本發(fā)明提供了一種上述高強韌150鋼級鉆桿材料的制備方法，所述材 料