一种复相组织钻杆材料的制备方法转让专利
申请号 : CN200810105650.7
文献号 : CN101570836B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 张亚平 , 韩礼红 , 齐承竺 , 徐欣 , 冯耀荣 , 林凯 , 上官丰收
申请人 : 中国石油天然气集团公司 , 中国石油天然气集团公司管材研究所
摘要 :
本发明涉及一种复相组织钻杆材料的制备方法，按质量由C：0.25-0.30％，S：＜0.008％，P：＜0.010％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.6-1.2％，V：0.10-0.15％，Nb 0.10-0.15％，La：0.25-0.50％，其它元素与S135钢级钻杆元素一致构成；热处理工艺：将各成分进行真空熔炼，铸造成型，经过轧制和穿孔常规钻杆生产工序后，在930±5℃的温度下进行30-60min的处理；然后先冷却至280-420℃盐浴淬火10-15min，再油冷至室温，在560-620℃回火30min；疲劳寿命比普通S135钻杆提高2-3倍，疲劳极限提高40-50％。
权利要求 :
1.一种复相组织钻杆材料的制备方法，其特征在于：
钻杆材料按质量由如下化学成分构成：C：0.25-0.30％，S：＜0.008％，P：＜0.010％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.6-1.2％，V：0.10-0.15％，Nb 0.10-0.15％，La：0.25-0.50％，其它元素与S135钢级钻杆元素一致；
钻杆材料的热处理工艺：将上述成分的钢材按比例进行真空熔炼，铸造成型，经过轧制和穿孔常规钻杆生产工序后，在930±5℃的温度下进行30-60min的奥氏体化处理；然后对其进行双液淬火，先冷却至280-420℃盐浴淬火10-15min，获得适量下贝氏体组织，然后油冷至室温，得到马氏体组织，最后在560-620℃回火30min，最终得到由下贝氏体和回火索氏体及含量为0.1-0.5％质量的残余奥氏体组成的复相组织，晶粒度级别为7.0-9.0级，各项夹杂物级别均在0.5级以下。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种具有高抗疲劳性能的由下贝氏体和回火索氏体及少量残余奥氏体组成的复相组织钻杆材料的制备方法。
背景技术
随着世界石油工业的发展，油气井越来越深。目前已有8000多米深的井。井深度增加，使得钻井工作条件越来越复杂。因此，在钻井过程中，钻杆遇到的工况、钻杆受到的力也是越来越复杂，如拉、压、弯、扭、剪切及其复合，交变载荷等等，显著提高了钻杆失效概率。钻杆失效有时会导致整口井报废，会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，中国对石油天然气的需求量越来越大，油气井的深井作业在所难免。随着钻井技术进步，钻井参数逐渐强化，对钻杆的性能要求也就越来越高。这就需要加强研究，研制出可以适用于更加严酷的工况的材料，以满足钻井工作的要求。
近年来，油田钻柱失效数量年平均有1000例左右，其中钻杆失效事故占钻柱总失效事故的60％～70％，钻杆主要失效形式是管体刺穿，其次是管体断裂、接头螺纹刺漏后的断裂。从失效机制讲，钻杆疲劳引起的失效占失效总数的80％以上，因此，提高钻杆的抗疲劳性能对提高钻杆的使用寿命和服役性能有重大的意义。
现有的理论、实验以及生产实践都表明，材料在交变载荷下疲劳破坏过程主要有两个步骤，一是疲劳裂纹的萌生，二是疲劳裂纹的扩展。而疲劳裂纹的萌生的时间占了整个疲劳破坏总时间的80％，所以我们所做工作的重点应该放在阻止疲劳裂纹的萌生上。如果能把疲劳裂纹的萌生时间变得足够长，就可以很大程度上提高材料的抗疲劳破坏的能力。
根据目前最新的关于材料疲劳寿命的理论，认为材料的疲劳裂纹萌生是损伤累积的过程，该寿命占疲劳寿命的80％以上。根据最新的研究成果，认为在一定的能量输入情况下，疲劳损伤短裂纹的长度集中在材料的晶粒尺寸附近，由于裂纹扩展受到晶界的阻挡，疲劳短裂纹的长度只有在增大输入能量的情况下，才可能继续长大至两个晶粒尺寸大小。当外界输入能量足够多，这些短裂纹会持续增长和聚合，最终形成大的裂纹，成为疲劳裂纹源，继而扩展，引发失效事故。因此，晶粒尺寸级别对材料的抗疲劳性能有重要影响，尺寸越小，材料的抗疲劳性能越好。此外，材料中的粗大、形状不佳的第二相和加工制造过程中产生的缺陷也是疲劳裂纹的萌生源，在材料的制造和热处理过程中要注意这两个方面的影响。要求尽可能使材料中的第二相粒子小，并成球状，且弥散分布，同时要尽可能避免在加工过程中产生表面缺陷。
材料疲劳寿命还与材料在循环加载过程中，疲劳裂纹的扩展速率有关。根据断裂力学的理论，当材料的韧塑性很好的时候，材料组织可以有效的释放微裂纹尖端的高应力集中，阻止裂纹扩展，从而延长疲劳寿命。
因此，材料的微观组织特征，包括特征相组织、晶粒度级别、夹杂物含量、形态及分布等特征对材料的疲劳性能均具有显著的影响。
近年来，油田钻柱失效数量年平均有1000例左右，其中钻杆失效事故占钻柱总失效事故的60％～70％，钻杆主要失效形式是管体刺穿，其次是管体断裂、接头螺纹刺漏后的断裂。从失效机制讲，钻杆疲劳引起的失效占失效总数的80％以上，因此，提高钻杆的抗疲劳性能对提高钻杆的使用寿命和服役性能有重大的意义。
现有的理论、实验以及生产实践都表明，材料在交变载荷下疲劳破坏过程主要有两个步骤，一是疲劳裂纹的萌生，二是疲劳裂纹的扩展。而疲劳裂纹的萌生的时间占了整个疲劳破坏总时间的80％，所以我们所做工作的重点应该放在阻止疲劳裂纹的萌生上。如果能把疲劳裂纹的萌生时间变得足够长，就可以很大程度上提高材料的抗疲劳破坏的能力。
根据目前最新的关于材料疲劳寿命的理论，认为材料的疲劳裂纹萌生是损伤累积的过程，该寿命占疲劳寿命的80％以上。根据最新的研究成果，认为在一定的能量输入情况下，疲劳损伤短裂纹的长度集中在材料的晶粒尺寸附近，由于裂纹扩展受到晶界的阻挡，疲劳短裂纹的长度只有在增大输入能量的情况下，才可能继续长大至两个晶粒尺寸大小。当外界输入能量足够多，这些短裂纹会持续增长和聚合，最终形成大的裂纹，成为疲劳裂纹源，继而扩展，引发失效事故。因此，晶粒尺寸级别对材料的抗疲劳性能有重要影响，尺寸越小，材料的抗疲劳性能越好。此外，材料中的粗大、形状不佳的第二相和加工制造过程中产生的缺陷也是疲劳裂纹的萌生源，在材料的制造和热处理过程中要注意这两个方面的影响。要求尽可能使材料中的第二相粒子小，并成球状，且弥散分布，同时要尽可能避免在加工过程中产生表面缺陷。
材料疲劳寿命还与材料在循环加载过程中，疲劳裂纹的扩展速率有关。根据断裂力学的理论，当材料的韧塑性很好的时候，材料组织可以有效的释放微裂纹尖端的高应力集中，阻止裂纹扩展，从而延长疲劳寿命。
因此，材料的微观组织特征，包括特征相组织、晶粒度级别、夹杂物含量、形态及分布等特征对材料的疲劳性能均具有显著的影响。
发明内容
本发明的目的是在S135钢级钻杆常规元素的基础上，调整化学成分，通过分级淬火热处理，优化出一种由下贝氏体和回火索氏体及少量残余奥氏体组成的复相组织钻杆材料，可以显著提高钻杆抗疲劳性能，降低钻杆失效概率。
本发明所述的一种具有高抗疲劳性能的复相组织钻杆材料的制备方法，包括材料的化学成分、热处理工艺、微观组织特征等。
本钻杆材料按质量由如下化学成分构成：C：0.25-0.30％，S：＜0.008％，P：＜0.010％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.6-1.2％，V：0.10-0.15％，Nb 0.10-0.15％，La：0.25-0.50％，其它元素与S135钢级钻杆常规元素一致。
本发明材料的热处理工艺：将上述成分的钢材按比例进行真空熔炼，铸造成型，经过轧制和穿孔等常规钻杆生产工序后，在930±5℃的温度下进行30-60min的奥氏体化处理；然后对其进行双液淬火，先冷却至280-420℃盐浴淬火10-15min，获得适量下贝氏体组织，然后油冷至室温，得到马氏体组织，最后在560-620℃回火30min，最终得到由下贝氏体和回火索氏体及含量为0.1-0.5％质量的残余奥氏体组成的复相组织，晶粒度级别为7.0-9.0级，各项夹杂物级别均在0.5级以下。
本发明材料的主要特征有：(1)化学成分：低碳、低磷硫含量，添加Cr、Mo、V、Nb等增加淬透性合金元素，添加了稀土镧，用于球化和弥散有害杂质，而APISpec 5D标准中仅限于硫、磷元素的控制；(2)分级淬火工艺及复相组织：采用中温及室温双级淬火，形成由回火索氏体和下贝氏体(S回+B下)及残余奥氏体构成的复相组织，突破了APISpec 5D标准中钻杆为单一回火索氏体的组织特征；(3)常规力学性能：可以满足API Spec 5D标准要求；(4)高抗疲劳性能：疲劳寿命比普通S135钻杆提高2-3倍，疲劳极限提高40-50％。
本发明所述的一种具有高抗疲劳性能的复相组织钻杆材料的制备方法，包括材料的化学成分、热处理工艺、微观组织特征等。
本钻杆材料按质量由如下化学成分构成：C：0.25-0.30％，S：＜0.008％，P：＜0.010％，Cr：0.5-1.0％，Mo：0.6-1.2％，V：0.10-0.15％，Nb 0.10-0.15％，La：0.25-0.50％，其它元素与S135钢级钻杆常规元素一致。
本发明材料的热处理工艺：将上述成分的钢材按比例进行真空熔炼，铸造成型，经过轧制和穿孔等常规钻杆生产工序后，在930±5℃的温度下进行30-60min的奥氏体化处理；然后对其进行双液淬火，先冷却至280-420℃盐浴淬火10-15min，获得适量下贝氏体组织，然后油冷至室温，得到马氏体组织，最后在560-620℃回火30min，最终得到由下贝氏体和回火索氏体及含量为0.1-0.5％质量的残余奥氏体组成的复相组织，晶粒度级别为7.0-9.0级，各项夹杂物级别均在0.5级以下。
本发明材料的主要特征有：(1)化学成分：低碳、低磷硫含量，添加Cr、Mo、V、Nb等增加淬透性合金元素，添加了稀土镧，用于球化和弥散有害杂质，而APISpec 5D标准中仅限于硫、磷元素的控制；(2)分级淬火工艺及复相组织：采用中温及室温双级淬火，形成由回火索氏体和下贝氏体(S回+B下)及残余奥氏体构成的复相组织，突破了APISpec 5D标准中钻杆为单一回火索氏体的组织特征；(3)常规力学性能：可以满足API Spec 5D标准要求；(4)高抗疲劳性能：疲劳寿命比普通S135钻杆提高2-3倍，疲劳极限提高40-50％。
附图说明
图1复相组织钻杆热处理工艺。
图2不同钻杆材料疲劳性能对比图。
应用本发明材料制造的钻杆主要效果就是在满足API Spec 5D钻杆常规力学性能基础上，显著提高钻杆的疲劳极限和疲劳寿命，从而显著抑制油气田现场钻井作业中钻杆失效事故。例如，西部某油田由于井深、地层复杂等恶劣工况，采用常规S135钢级钻杆钻井时，平均7天发生一起疲劳引起的钻杆断裂掉井的事故，严重影响了钻进效率，后采用本发明材料技术条件定制了一批同规格钻杆产品，在同一区块钻井作业中，未发生频繁的疲劳失效事故，极大地促进了钻井效率。西部油田是国内油气开发的重点区域，钻井环境恶劣，因此，本发明材料在石油钻杆产品中推广后，对提高钻井效率，保障钻井安全具有极大的推动作用。
具体实时方式
实施例1-3
采用本发明材料制备的石油钻杆与国内市场上两种典型的S135钻杆性能进行了全面的技术对比，实施例效果如表1所示：
表1实施例效果数据对比
图2不同钻杆材料疲劳性能对比图。
应用本发明材料制造的钻杆主要效果就是在满足API Spec 5D钻杆常规力学性能基础上，显著提高钻杆的疲劳极限和疲劳寿命，从而显著抑制油气田现场钻井作业中钻杆失效事故。例如，西部某油田由于井深、地层复杂等恶劣工况，采用常规S135钢级钻杆钻井时，平均7天发生一起疲劳引起的钻杆断裂掉井的事故，严重影响了钻进效率，后采用本发明材料技术条件定制了一批同规格钻杆产品，在同一区块钻井作业中，未发生频繁的疲劳失效事故，极大地促进了钻井效率。西部油田是国内油气开发的重点区域，钻井环境恶劣，因此，本发明材料在石油钻杆产品中推广后，对提高钻井效率，保障钻井安全具有极大的推动作用。
具体实时方式
实施例1-3
采用本发明材料制备的石油钻杆与国内市场上两种典型的S135钻杆性能进行了全面的技术对比，实施例效果如表1所示：
表1实施例效果数据对比