钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管 【技术领域】
本发明涉及一种钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管。背景技术 本发明之前， 在石油钻井行业， 国内外普通钻杆钢级最高达到 S135， 其屈服强度达 到最小 931MPa， 最大 1138MPa， 纵向冲击吸收功仅仅要求室温全尺寸单个最小 47J， 平均最 小 54J。钻进作业过程中， 钻柱在承受钻压过程中需要旋转钻进， 管体和连接部分均承受扭 转载荷。近年来有相关报道及技术论文分析论及， 此种普通 API 5D 标准钻杆冲击韧性技术 指标偏低， 导致钻井过程中钻杆发生刺漏等事故。
发明内容
针对现有技术中结构上的不足， 本发明的目的是提供一种钢级 135ksi 高韧性 钻杆用无缝钢管， 以利于达到保证屈服强度满足上述指标的同时， 改善管体冲击韧性的 目的， 使其达到的冲击韧性指标 ： 平均夏比冲击功≥ 100J， 单个夏比冲击功≥ 95J 均为 21℃ ±2.8℃， 10×10×55mm， 纵向试样， 增进钻井作业安全。
为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是提供一种钢级 135ksi 高韧性钻杆 用无缝钢管， 其成份的重量％为 C ： 0.18 ％～ 0.22％、 Si ： 0.15 ％～ 0.35 ％、 Mn ： 0.60％～ 1.00％、 P ≤ 0.015％、 S ≤ 0.005％， Cr ： 0.80％～ 0.90％， Mo ： 0.40％～ 0.50％， V： 0.06％～ 0.10％， 余量为 Fe 和不可去除的痕量元素 ；
其力学性能达到 ： 其屈服强度在 931MPa ～ 1138MPa 之间， 抗拉强度≥ 1000MPa， 冲击韧性指标 ： 平 均 夏 比 冲 击 功 ≥ 100J， 单 个 夏 比 冲 击 功 ≥ 95J( 均 21 ℃ ±2.8 ℃， 10×10×55mm， 纵向试样 ) ； 钢管结构为无缝光管。
本发明的效果是该钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管提高了高钢级钻杆的管体 冲击韧性， 达到的效果是大大改善了钻杆的使用安全性。 具体实施方式
结合实施例对本发明的钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管结构加以说明。
本发明的钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管， 其成份的重量％为 C ： 0.18 ％～ 0.22 ％、 Si ： 0.15 ％ ～ 0.35 ％、 Mn ： 0.60 ％ ～ 1.00 ％、 P ≤ 0.015 ％、 S ≤ 0.005 ％， Cr ： 0.80％～ 0.90％， Mo ： 0.40％～ 0.50％， V： 0.06％～ 0.10％， 余量为 Fe 和不可去除的痕量 元素 ；
钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管的力学性能达到 ： 其屈服强度在 931MPa ～ 1138MPa 之间， 抗拉强度≥ 1000MPa， 冲击韧性指标 ： 平均夏比冲击功≥ 100J， 单个夏比冲击 功≥ 95J 均为 21℃ ±2.8℃， 10×10×55mm， 纵向试样， 钢管结构为无缝光管。
上述化学成分中， C、 Mn、 Cr 和 Mo 元素是为了保证管体达到设计的屈服强度。其 中： 1)C、 Mn 和 Mo 的含量分别控制在 0.18％～ 0.22％、 0.60％～ 0.70％和 0.40％～ 0.50％的范围内是为了保证管体在热处理时具有足够的淬透性， 在常规钻杆壁厚范围内， 一般为 6.88 ～ 12.7mm， 保证热处理时管体内外壁效果均匀， 尤其是 Mo 元素， 同时考虑到其经济 性因素 ； 2)C 元素含量不宜太高， 由于其提高管体的强度的同时， 对管体的冲击韧性是有害 的， 所以本设计中综合考虑到 1) 后， 根据实际经验， 其含范围以不超过 0.22％为宜 ； 3) 本设 计中 V 含量为 0.06％～ 0.10％， 一则为其能提高管体热处理时回火温度， 二则由于 V 在晶 界的析出， 改善热处理后的韧性 ； 4) 本设计中 S 元素的控制是重中之重， 由于 S 元素在炼钢 时难以去除， 提高冶炼生产成本， 且高 S 含量影响管体的冲击韧性已经是不争的事实， 根据 生产实际， S 的控制范围为不超过 0.005％， 目标期望值达到 0.003％以下。
制作钢级 135ksi 高韧性钻杆用无缝钢管的生产方法， 该方法包括以下步骤 ：
①炼钢
采用 P、 S 元素含量低的优质废钢， 运用超高功率电弧炉进行冶炼， 通过向钢水中 加入高活性度的石灰造泡沫渣， 充分吸附钢水中的有害元素 P、 S等； 使用偏心炉底出钢， 再 采用纯净钢技术， 即钢包炉精炼、 真空脱气及夹杂物控制技术， 即包芯丝喂丝处理， 进行炉 外精炼。严格控制钢水化学成分， 通过造泡沫白渣工艺， 提纯钢水成分， 并通过向钢水中喂 入 Si-Ca 丝改变夹杂物形态， 采用 Ca 处理工艺， 使长条状的 MnS 夹杂转变成 Ca 的球形复合 夹杂物 ； 然后进行真空脱气， 确保高真空时间不小于 10 分钟， 使钢水中的气体充分去除， 最 大限度地降低钢中气泡夹杂。 最后进行连铸铸成钢坯， 严格控制钢水过热度、 拉坯速度和冷 却水量。具体为 ： a. 纯净钢技术
90/150 吨超高功率电弧炉 (EAF) 偏心炉底出钢， 减少温降和钢水二次氧化 ； 留钢 留渣， 氧化渣难流入钢包。
泡沫渣冶炼， 钢包炉 (LF)， 采用 CaO-Al2O3 高碱度渣， 加 CaC2 粒还原气氛强， 包底吹 氩气搅拌， 埋弧加热， 具有良好的脱氧、 脱硫效果， 减少夹杂物。
提高精炼炉初渣碱度， 调整渣料配比， 提高炉渣吸附夹杂物能力。 真空处理炉 (VD) 高真空度 70Pa 以下， 包底吹氩保持 10 分钟以上， 使钢中的氢含量脱到 2ppm 以下， 而且氧、 氮含量低， 硫含量低， 夹杂物上浮， 使钢水洁净度提高。
通过炼钢精炼工位精确控制钢水化学成分， 使其在连铸前得到如下表 1 所示化学 成分 ：
表 1 连铸前钢水化学成分实例
b. 夹杂物控制技术包芯丝喂丝处理 (FW) ： 通过向钢水喂入 Si-Ca 丝改变夹杂物形态， 使长条状的 MnS 夹杂转变成 Ca 的球形复合夹杂物， 从而改善钢的韧性、 降低各向异性， 从本质上提高钢的 韧性。
下表 2 是轧制后按 ASTM E45A 法夹杂物评级的结果实例 ：
表 2 夹杂物评级实例
管体冲击韧性直接影响了该成品管在承受高强度高速冲击载荷作用后管体的安 全性， 同时由于长条状硫化物夹杂物对冲击韧性存在明显的影响， 所以本产品对 S 的含量 控制要求很高， 这通过后期 Si-Ca 丝的喂入来解决， 同时通过喂入 Al 丝来控制脆性的 Al 2O3
夹杂物。 c. 连铸技术
连铸 (CCM) 采用带有 Ar 气密封的保护套管， 中包覆盖剂， 浸入式水口和结晶器保 护渣的保护浇铸先进技术， 使钢水和空气完全隔离， 防止钢水在浇铸过程中的二次氧化。
2 轧管
在环形炉中将管坯加热， 使用穿孔机穿孔， 采用先进的 PQF 轧制工艺的精轧技术， 严格控制轧制精度， 通过先进的限动芯棒连轧机轧制， 再通过定径机精确定径， 在冷床上冷 却后， 锯切、 冷矫直， 最后， 将制出的钢管经过无损探伤和精整。具体为 ：
a. 精轧技术
环型管坯加热炉的炉温采用计算机自动控制， 精确控制管坯温度， 确保轧制温度 不低于 1250℃， 保证管坯轧成管子后性能的稳定和尺寸精度。
为保证壁厚的均匀和内外表面的质量， 设有高压水除磷及石墨润滑的同时， 设有 荒管内表面喷硼砂。
精轧成品孔型设计并采用 PQF 轧机确保管子外径及壁厚精度。
b. 工艺控制
环形炉加热温度为 1260℃， 并且保证管坯温度均匀。
穿管机轧出的毛管壁厚偏差应在 ±10％以内， 为轧制荒管和成品管创造了良好的 前提条件。
限动芯棒连轧管机避免 “竹节” 现象， 除管端部， 整根钢管壁厚不均不超过 ±8％。
定径机组保证钢管的外径和壁厚精度， 钢管的外径偏差为 0 ～ 1.0％ D。矫直机组 保证热轧钢管弯曲度指标小于 1.5mm/m。
3 钢管热处理和加工
钢管在淬火加热炉中加热到 910℃， 使用水基淬火液淬火， 淬火时保证淬火液在钢 管内表面均匀旋转内喷 ； 然后在回火加热炉中加热到 660℃， 进行高温回火。采用独特的消 除残余应力技术， 即采用高温矫直技术， 矫直温度范围在 500 ～ 600℃ ； 通过无损探伤， 最后 进行喷标、 定尺、 涂漆， 制成成品钢管。
a. 热处理技术
热处理生产线通过精确控制淬火炉和回火炉温度对套管进行调质处理以保证钢 管的性能。同时， 产品管体上最终组织为回火索氏体， 保证其具有优良的力学性能。
热处理工艺参数 ： 900 ℃以上水淬火 +640 ℃高温回火， 淬火时保证淬火介质在钢 管内表面均匀旋转内喷， 外表面足量循环水外淋。
b. 消除残余应力技术
采用高温定径和高温矫直的工艺技术， 不但保证了钢管的外径及圆度的精度， 而 且是控制其低残余应力的关键。这一过程是靠高温回火后快速出炉的办法来实现， 管体的 高 V 含量促使其回火的温度可以较高， 这保证钢管出回火炉后进入矫直机的温度比较高。
尽量保证热矫直温度 500 ～ 550℃， 如热矫直低于 500℃则考虑去应力退火， 去应 力退火温度 500℃。 超声波探伤 ： 探伤前， 用样管离线校验三次， 在线校验三次。人工缺陷代号 N5。
上述制成的油气井井下作业用钢管力学性能为 ：
屈服强度 ： 总延伸 0.7％， 最小为 931MPa， 钢级 135ksi ； 抗拉强度≥ 1000MPa。
冲击韧性指标： 平 均 夏 比 冲 击 功 ≥ 100J， 单 个 夏 比 冲 击 功 ≥ 95J 均 为 21℃ ±2.8℃， 10×10×55mm， 纵向试样。
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