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X级钻杆管体用无缝 钢管材料及其制备方法

阅读：672发布：2021-10-16

专利汇可以提供X级钻杆管体用无缝钢管材料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种X级钻杆管体用无缝钢管材料，所述X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为：C0.24～0.29、Si0.20～0.35、Mn0.70～1.00、P≤0.015、S≤0.010、Cr1.00～1.20、Mo0.15～0.30和Al≤0.040；其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100%。本发明还公开了一种X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法。通过本发明的技术方案可以得到满足美国石油学会钻杆规范API Spec5DP中对X级钻杆管体的性能要求的X级钻杆管体用无缝钢管。，下面是X级钻杆管体用无缝钢管材料及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种X级钻杆管体用无缝钢管材料，其特征在于，所述X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.24〜0.29,Si0.20〜0.35,Mn0.70〜1.00,P ( 0.015、S彡0.010、Crl.00〜1.20、Mo0.15〜0.30和Al ( 0.040 ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100%。
2.如权利要求1所述的X级钻杆管体用无缝钢管材料，其特征在于，所述X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.27,Si0.24,Mn0.83,P0.013,S0.008、Crl.07、Mo0.23和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.25、Si0.22、Mn0.85、P0.014、S0.005、Crl.04、Mo0.20 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.24、Si0.24、Mn0.80、P0.012、S0.007、Crl.05、Mo0.22和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.29、Si0.20、Mnl.00、P0.010、S0.003、Crl.00、Mo0.15 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.26、Si0.35、Mn0.70、P0.015、S0.010、Crl.20、Mo0.30和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100%。
3.—种X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，包括:炼钢生产过程、钢的轧制过程和轧态钢热处理过程；得到的X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.24 〜0.29,Si0.20 〜0.35,Mn0.70 〜1.00,P ( 0.015,S ( 0.0lOXrl.00 〜1.20、Mo0.15〜0.30和Al ( 0.040 ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100% ο
4.如权利要求3所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述炼钢生产过程包括:铁水预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF炉外精炼、VD 真空脱气和圆坯连铸。
5.如权利要求4所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述顶底复吹转炉冶炼包括顶吹氧气和底吹気气，终点控制目标为C的质量百分含量> 0.06%, P的质量百分含量< 0.010%，终脱氧采用有铝脱氧；所述LF炉外精炼全程底吹氩气；所述VD真空脱气的真空度< 0.06KPa，深真空时间> 13分钟，全程底吹氩气搅拌，所述VD真空脱气后喂入硅钙线I〜2米/吨钢，喂丝后，软吹时间彡15分钟；所述圆坯连铸采用结晶器电磁搅拌，过热度< 30°C。
6.如权利要求3所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述钢的轧制过程包括:圆坯加热、穿孔、轧管、张减径或定径、冷床冷却、锯切、矫直、探伤、人工检查、测长、称重、喷标和入库。
7.如权利要求6所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于:所述圆坯加热的温度为1250°C〜1300°C，所述轧管的轧制温度为1050°C〜1100°C。
8.如权利要求3所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述轧态钢热处理过程包括:淬火和回火；所述淬火的温度为880°C〜920°C，保温时间> 40分钟，淬火介质为水，所述回火的温度为680°C〜720°C，保温时间彡70分钟。
9.如权利要求3〜8任一所述的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，其特征在于，所述含X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.27、Si0.24、Mn0.83、P0.013、S0.008、Crl.07、Mo0.23 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计 100% ;或者，C0.25、Si0.22、Mn0.85、P0.014、S0.005、Crl.04、Mo0.20 和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.24、Si0.24、Mn0.80、P0.012、S0.007、Crl.05、Mo0.22 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计 100% ;或者，C0.29、Si0.20、Mnl.00、P0.010、S0.003、Crl.00、Mo0.15 和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.26、Si0.35、Mn0.70,P0.015,S0.0lOXrl.20,Mo0.30 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100%。

说明书全文

X级钻杆管体用无缝 钢管材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及冶金技术领域，具体地说，涉及一种X级钻杆管体用无缝钢管材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 石油、天然气是交通、航空、冶金、化工等工业的重要原料和燃料，是人民生活息息相关的能源物质之一，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。而钻杆是油气田勘探开发中必不可少的重要工件，据统计，我国每年消耗钻杆约7〜10万吨。

[0003] 钻杆连接在方钻杆的下端，起到传递动力输送泥浆的作用。随着钻井不断加深，钻杆一根接一根地不断加长钻柱，同时高压的洗井液通过钻杆内孔流向井底。在钻井时钻杆承受着拉伸、压缩、扭转、弯曲以及冲击等各种交变应力的作用，其内孔还受到高压泥浆的冲刷和腐蚀，工况极为复杂，工作条件极为恶劣。美国石油学会钻杆规范API Spec5DP中，将钻杆分为E、X、G、S四个钢级，其中X、G、S级钻杆属于高强度级钻杆。随着油气田勘探技术的不断发展，在满足不同的钻探工况条件下，以降低开发成本为原则，选择使用材质优良、性能优越、生产技术工艺合理的经济型钻杆是油气田开采经济效益最大化的关键，将具有广阔的市场发展前景。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种X级钻杆管体用无缝钢管材料，满足石油钻井行业对X级钻杆管体的需求。

[0005] 本发明的技术方案如下:

[0006] 一种X级钻杆管体用无缝钢管材料，所述X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.24〜0.29、Si0.20〜0.35、Mn0.70〜1.00、P彡0.015、S彡0.010、Crl.00〜1.20、Mo0.15〜0.30和Al ( 0.040 ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100%。

[0007] 进一步，所述X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.27、Si0.24、Mn0.83、P0.013、S0.008、Crl.07、Mo0.23 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.25、Si0.22、Mn0.85、P0.014、S0.005、Crl.04、Mo0.20和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.24、Si0.24、Mn0.80、P0.012、S0.007、Crl.05、Mo0.22 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.29、Si0.20、Mnl.00、P0.010、S0.003、Crl.00、Mo0.15和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.26、Si0.35、Mn0.70、P0.015、S0.010、Crl.20、Mo0.30 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100%。

[0008] 本发明解决的另一技术问题是提供一种X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，可以生产满足石油钻井行业对X级钻杆管体的需求的无缝钢管。[0009] 本发明的技术方案如下:

[0010] 一种X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法，包括:炼钢生产过程、钢的轧制过程和轧态钢热处理过程；得到的X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.24 〜0.29、Si0.20 〜0.35、Mn0.70 〜1.00、P≤ 0.015、S ≤ 0.010、Crl.00 〜1.20、Mo0.15〜0.30和Al≤0.040 ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100%。

[0011] 进一步，所述炼钢生产过程包括:铁水预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF炉外精炼、VD 真空脱气和圆坯连铸。

[0012] 进一步:所述顶底复吹转炉冶炼包括顶吹氧气和底吹氩气，终点控制目标为C的质量百分含量> 0.06%，P的质量百分含量< 0.010%，终脱氧采用有铝脱氧；所述LF炉外精炼全程底吹氩气；所述VD真空脱气的真空度< 0.06KPa，深真空时间> 13分钟，全程底吹氩气搅拌，所述VD真空脱气后喂入硅钙线I〜2米/吨钢，喂丝后，软吹时间彡15分钟；所述圆坯连铸采用结晶器电磁搅拌，过热度< 30°C。

[0013] 进一步，所述钢的轧制过程包括:圆坯加热、穿孔、轧管、张减径或定径、冷床冷却、锯切、矫直、探伤、人工检查、测长、称重、喷标和入库。

[0014] 进一步:所述圆坯加热的温度为1250°C〜1300°C，所述轧管的轧制温度为1050 〜1100°C。

[0015] 进一步，所述轧态钢热处理过程包括:淬火和回火；所述淬火的温度为880°C〜920 V，保温时间彡40分钟，淬火介质为水，所述回火的温度为680 V〜720 V，保温时间^ 70分钟。

[0016] 进一步，所述含X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.27、Si0.24、Mn0.83、P0.013、S0.008、Crl.07、Mo0.23 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.25、Si0.22、Mn0.85、P0.014、S0.005、Crl.04、Mo0.20和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.24、Si0.24、Mn0.80、P0.012、S0.007、Crl.05、Mo0.22 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.29、Si0.20、Mnl.00、P0.010、S0.003、Crl.00、Mo0.15和Al ( 0.040，其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量分数共计100% ;或者，C0.26、Si0.35、Mn0.70、P0.015、S0.010、Crl.20、Mo0.30 和 Al ( 0.040，其余为 Fe 和不可避免的痕量元素，质量分数共计100%。

[0017] 本发明的技术效果如下:

[0018] 1、本发明的X级钻杆管体用无缝钢管材料满足美国石油学会钻杆规范APISpec5DP中对X级钻杆管体的性能要求。

[0019] 2、本发明的X级钻杆管体用无缝钢管的制备方法降低了开发成本，以经济的优越方式提供一种X级钻杆管体用无缝钢管，为油气田开采取得经济效益最大化提供一种材质优良、性能优越、生产技术工艺合理的钻杆管体用无缝钢管。

具体实施方式

[0020] 本发明的化学成分中主要元素含量范围的设计依据是:

[0021] C是钢的主要强化元素，可溶解在钢中形成间隙固溶体起固溶强化作用，与强碳化物元素形成碳化物析出，起沉淀强化作用。当C含量在一定范围内时，可提高钢的强度、硬度、淬透性和耐磨性，但C含量过高，会降低钢的塑性、韧性。综合考虑钻杆管体的强度和冲击功要求，本发明中C的含量为0.24%〜0.29%。

[0022] Mn可提高钢的回火稳定性有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，可与钢中的S形成较高熔点的MnS，避免FeS在结晶时在初生晶界上析出，形成包围铁素体晶粒的连续的或不连续的网状组织，消除钢的热脆性，改善钢的热加工性能。Mn含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的过热敏感性和回火脆性。因此，本发明中Mn的含量为0.70%〜1.00%。

[0023] Cr具有提高钢的强度、硬度、高温机械性能、淬透性、使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性等作用，但由于Cr是促进回火脆性的元素，可显著提高钢的脆性转变温度，促进钢的回火脆性，对钢的性能产生不利的影响。因此，本发明中Cr的含量为1.00%〜1.20%。

[0024] Mo对铁素体有固溶强化的作用，可提高钢的淬透性和热强性，提高钢在某些介质中的抗蚀性、防止点蚀倾向，和其它导致回火脆性的元素并存时，Mo能降低或抑制这些元素导致的回火脆性。但由于Mo的价格较高，且有使钢产生石墨化倾向的不良作用。因此，本发明中Mo的含量为0.15%〜0.30%ο

[0025] 本发明中P、S是钢中的有害元素，钢中P含量高会引起钢的“冷脆”，S含量高会造成钢的“热脆”，从而降低钢的塑性、韧性和焊接性能，但降低钢中的P、S含量会增加生产成本。因此，要求钢中的P彡0.015%、S彡0.010%O

[0026] Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的铝，可起到细化晶粒、提高钢的冲击韧性、降低钢的脆性转变温度、改善钢的低温冲击韧性等作用。但当铝含量较高时，将促进钢的石墨化倾向，降低钢的高温强度和韧性。因此其含量控制在彡0.040%为宜。

[0027] 本发明采用铁水和废钢做原料，具体生产过程如下:

[0028] 炼钢生产过程为:铁水预处理一顶底复吹转炉冶炼一LF炉外精炼一VD真空脱气—圆坯连铸，得到圆管坯。将杂质元素含量低的优质废钢和脱硫处理后的铁水兑入转炉中，采用顶吹氧气和底吹氩气的复合吹炼技术进行转炉冶炼。转炉终点控制目标为:C的质量百分含量> 0.06% ；P的质量百分含量< 0.010%。出钢时进行脱氧合金化操作，终脱氧采用有铝脱氧工艺，出钢过程中进行挡渣。然后根据转炉出钢后钢水的化学成分和温度，在LF(Ladle Furnace)即钢包炉中进行造渣脱硫、成分调整及升温操作，底吹氩气搅拌贯穿于整个精炼过程。随后将钢包移至VD (Vacuum Degassing)即真空吹氩脱气法处理工位，在真空度< 0.06KPa，深真空时间> 13分钟，VD真空脱气全程底吹氩气搅拌的条件下，达到脱气、去夹杂、均匀成分和温度的目的。真空脱气后喂入硅钙线I〜2米/吨钢，喂丝后，软吹时间>15分钟。需要注意弱搅拌效果，不能裸露钢水。将化学成分和温度满足要求的钢水吊至圆坯连铸机进行浇铸，得到所需规格的连铸圆管坯。连铸过程中采用结晶器电磁搅拌；全程保护浇铸，即在中间包和结晶器钢水液面上采用固体保护渣保护、钢包到中间包采用长水口保护、中间包到结晶器采用浸入式水口保护，控制过热度< 30°C，以保证铸坯具有良好的内外部质量。

[0029] 经检测，各实施例的化学成分如表I所示。

[0030] 表I各实施例成分(质量百分数/ %)

[0031]

[0032] 注:表中各实例Al ( 0.040% ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为 100%。

[0033] 钢的轧制过程包括:圆还加热一穿孔一轧管一张减径或定径一冷床冷却一锯切一矫直一探伤一人工检查一测长、称重、喷标一入库，将圆坯热轧成无缝钢管。将锯切成所需长度的连铸圆管坯编制批号后，逐根装入环形加热炉中进行加热，使管坯加热透彻均匀而不过烧，当管坯加热至1250°C〜1300°C时，经过穿孔机穿孔将实心管坯穿制成空心荒管。再送入轧管机中进行轧制，轧制温度为1050°C〜1100°C。轧制时要严格控制轧机冷却水的使用，严禁浇黑管体，然后经张力减径机(或定径机)轧制成外径和壁厚满足要求的无缝钢管，终轧温度大于800°C。将热轧管送至冷床，采用密排布料，缓慢冷却至室温后，锯切成定尺长度。经矫直机矫直后，进行无损探伤检测和人工检查，再经测长、称重和喷标后，将成品管打包入库。

[0034] 轧态钢热处理过程包括:淬火和回火。根据钢的化学成分、组织和力学性能的要求，淬火的温度为880°C〜920°C，保温时间> 40分钟，淬火介质为水。回火的温度为680 V〜720 V，保温时间彡70分钟。经`热处理后钢的金相组织为回火索氏体。

[0035] 轧制和热处理工艺对该材料化学成分影响不太明显，因此经上述过程制备的X级钻杆管体用无缝钢管材料的化学成分的质量百分含量为:C0.24〜0.29、Si0.20〜0.35、Mn0.70 〜1.00,P ( 0.015,S ( 0.0lOXrl.00 〜1.20,Mo0.15 〜0.30 和 Al ( 0.040 ;其余为Fe和不可避免的痕量元素，质量百分数总计为100%。

[0036] 各实施例的力学性能测试结果和钢管的非金属夹杂物级别分别如表2和表3所/Jn ο

[0037] 表2各实施例的力学性能测试结果

[0038]

[0039] 表3各实施例钢管的非金属夹杂物级别

[0040]

[0041] 从表2和表3可以看出，屈服强度彡682MPa ;抗拉强度彡775MPa ;伸长率彡21% ；在试样尺寸为IOmmX5mmX55mm的条件下，试验温度为21 °C ±3°C时的夏比V型缺口纵向平均吸收冲击功> 60J、试验温度为-10°C ±3°C时的夏比V型缺口纵向平均吸收冲击功彡61J、试验温度为_20°C ±3°C时的夏比V型缺口纵向平均吸收冲击功彡60J，满足美国石油学会钻杆规范APISpec5DP中对X级钻杆管体的性能要求。

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