一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用
阅读：137发布：2022-01-13
专利汇可以提供一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 钢 材、包括其的抽油杆、及钢材的应用。其中，该钢材含有如下原料组分： 碳 元素、 硅 元素，锰元素，磷元素，硫元素，铬元素、镍元素、钼元素、 铜 元素， 铝 元素、 钛 元素、 钒 元素、铌元素、钨元素、钴元素、锑元素、以及 铁 元素。本发明所提供的钢材不但具有优良的 力 学性能，而且抗 腐蚀 性非常优异，经试验证明，其 耐腐蚀性 能是20CrMo的140～150倍，特别能适于在沿海油井作业中使用。，下面是一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用专利的具体信息内容。
1.一种钢材，其特征在于，按重量百分比计含有如下原料组分：0.03%～0.05%的碳元素、0.035%～0.05%的硅元素，5%～6%的锰元素，0.25%～0.35%的磷元素，0.015%～
0.017%的硫元素，9.50%～10.5%的铬元素、0.25%～0.50%的镍元素、0.15%～0.20%的钼元素、0.50%～0.60%的铜元素，0.15%～0.17%的铝元素、0.15%～0.16%的钛元素、
0.04%～0.05%的钒元素、0.01%～0.015%的铌元素、0.050%～0.060%的钨元素、0.018%～
0.020%的钴元素、0～0.001%的锑元素、以及81.201%～83.81%的铁元素。
2.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，还包括0.018%～0.020%的锌元素。
3.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，还包括0.004%～0.006%的锡元素。
4.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，还包括0.02%～0.03%的铅元素。
5.根据权利要求1所述的钢材，其特征在于，按重量百分比计含有如下原料组分：
0.031%的碳元素、0.05%的硅元素，5.776%的锰元素，0.326%的磷元素，0.017%的硫元素，
10.33%的铬元素、0.22%的镍元素、0.173%的钼元素、0.65%的铜元素，0.007%的铝元素、
0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、0.0185%的锌元素、
0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
6.一种抽油杆，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的钢材制作而成。
7.根据权利要求6所述的抽油杆，其特征在于，在所述抽油杆的制作过程中还包括了对所述抽油杆的杆件及两端的去应力处理。
8.根据权利要求7所述的抽油杆，其特征在于，所述去应力处理包括：将所述抽油杆的杆件及两端的心部组织和热影响区形成为索氏体或屈氏体的处理。
9.一种如权利要求1至5任一项所述的钢材在沿海油井作业中的应用。
一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用
技术领域
[0001] 本发明涉及钢材料领域，具体而言，涉及一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用。
背景技术
[0002] 众所周知，钢铁材料被工作介质腐蚀主要是电化学腐蚀，腐蚀形式主要有：晶间腐蚀，点蚀，和应力腐蚀。据统计这三种类形的腐蚀事故，占各类电化学腐蚀事故的83％以上。这种腐蚀属于局部腐蚀，材料的破坏速度很快，是最危险的腐蚀形式。
[0003] 特别要指出的是：钢铁材料处在富含Cl-离子的介质中所发生的腐蚀，主要是晶间腐蚀。晶间腐蚀是钢铁材料在介质中沿着晶界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种现- 2- 3-象。其腐蚀介质条件是含Cl、SO4 、PO3 离子的溶液或盐类，温度条件在200℃以下。腐蚀机理为：由于C在钢中的固溶度随温度的降低而急剧减少，在一般冷却条件下，可以从1000℃时的0.15％下降为室温时的0.02％，多余出来的C将以Cr23C6的碳化物形式沿着晶界析出。
这种碳化物中的Cr元素含量最高可达70％以上。由于C向晶界析出的速度很快，所以耗用的Cr元素只能从邻近晶界区域夺取，从而造成晶界高度贫Cr。在电化学反应中这类贫Cr区域优先作为阳级进行反应，即发生晶界腐蚀。
这种碳化物中的Cr元素含量最高可达70％以上。由于C向晶界析出的速度很快，所以耗用的Cr元素只能从邻近晶界区域夺取，从而造成晶界高度贫Cr。在电化学反应中这类贫Cr区域优先作为阳级进行反应，即发生晶界腐蚀。
[0004] 点蚀是在金属材料表面产生无规律的小坑状腐蚀，也叫孔蚀。产生点蚀的腐蚀介- - - - + + 2+ 2+质条件是Cl 离子、Br、I、ClO4 溶液中存在重金属离子或含有K、Na、Ca 、Mg 等碱土金属离子。发生的温度在50℃以下最多，80～90℃是最危险的温度段。
[0005] 材料在加工过程中残存一定的拉应力，在存富含K+、Na+、Ca2+、Mg2+等碱金属离子和-Cl 离子溶液中容易发生应力腐蚀。其温度条件为室温到300℃。奥氏体金相组织由于存
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在滑移与孪晶，故仅在30～50N/mm 的殘余拉应力条件下就会发生应力腐蚀。
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在滑移与孪晶，故仅在30～50N/mm 的殘余拉应力条件下就会发生应力腐蚀。
[0006] 现有技术中，通常采用20CrMo作为采油机抽油杆材料。20CrMo是一种经典的合金结构钢，由于其组份中含有一定量的Cr与Mo，因而具有良好的综合机械性能，其抗拉强度2 2
一般在885Mpa/mm 以上，屈服强度一般在685Mpa/mm 以上，延伸率大于12％，断面收缩率大于50％，冲击功大于78J。但由于其组份配伍的特点，基本不具备抗腐蚀性能，因而只能在无防腐要求的普通车辆、机床的零部件中作为一般的结构件使用，不适宜于在沿海油井+ + 2+ 2+ - 2-
中含有K、Na、Ca 、Mg 等碱土金属离子及Cl、SO4 离子液体的恶劣环境中使用。
一般在885Mpa/mm 以上，屈服强度一般在685Mpa/mm 以上，延伸率大于12％，断面收缩率大于50％，冲击功大于78J。但由于其组份配伍的特点，基本不具备抗腐蚀性能，因而只能在无防腐要求的普通车辆、机床的零部件中作为一般的结构件使用，不适宜于在沿海油井+ + 2+ 2+ - 2-
中含有K、Na、Ca 、Mg 等碱土金属离子及Cl、SO4 离子液体的恶劣环境中使用。
发明内容
[0007] 本发明旨在提供一种钢材、包括其的抽油杆、及钢材的应用，以解决现有技术中普通钢材在沿海油井中工作时易被腐蚀的技术问题。
[0008] 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钢材。该钢材按重量百分比计含有如下原料组分：0.03%～0.05%的碳元素、0.035%～0.05%的硅元素，5%～6%的锰元素，0.25%～0.35%的磷元素，0.015%～0.017%的硫元素，9.50%～10.5%的铬元素、0.25%～0.50%的镍元素、0.15%～0.20%的钼元素、0.50%～0.60%的铜元素，0.15%～0.17%的铝元素、0.15%～0.16%的钛元素、0.04%～0.05%的钒元素、0.01%～0.015%的铌元素、0.050%～0.060%的钨元素、0.018%～0.020%的钴元素、0～0.001%的锑元素、以及
81.201%～83.81%的铁元素。
81.201%～83.81%的铁元素。
[0009] 进一步地，还包括0.018%～0.020%的锌元素。
[0010] 进一步地，还包括0.004%～0.006%的锡元素。
[0011] 进一步地，还包括0.02%～0.03%的铅元素。
[0012] 进一步地，按重量百分比计含有如下原料组分：0.031%的碳元素、0.05%的硅元素，5.776%的锰元素，0.326%的磷元素，0.017%的硫元素，10.33%的铬元素、0.22%的镍元素、0.173%的钼元素、0.65%的铜元素，0.007%的铝元素、0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、0.0185%的锌元素、0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
[0013] 根据本发明的另一个方面，提供一种抽油杆。该抽油杆采用上述钢材制作而成。
[0014] 进一步地，在抽油杆的制作过程中还包括了对抽油杆的杆件及两端的去应力处理。
[0015] 进一步地，去应力处理包括：将抽油杆的杆件及两端的心部组织和热影响区形成为索氏体或屈氏体的处理。
[0016] 根据本发明的再一个方面，该钢材在沿海油井作业中的应用。
[0017] 本发明产生的有益效果如下：本发明所提供的钢材不但具有优良的力学性能，而且抗腐蚀性非常优异，经试验证明，其耐腐蚀性能是20CrMo的140～150倍，特别能适于在沿海油井作业中使用。
具体实施方式
[0018] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0019] 根据本发明一种典型的实施方式，提供一种钢材。该钢材按重量百分比计含有如下原料组分：0.03%～0.05%的碳元素、0.035%～0.05%的硅元素，5%～6%的锰元素，0.25%～0.35%的磷元素，0.015%～0.017%的硫元素，9.50%～10.5%的铬元素、0.25%～
0.50%的镍元素、0.15%～0.20%的钼元素、0.50%～0.60%的铜元素，0.15%～0.17%的铝元素、0.15%～0.16%的钛元素、0.04%～0.05%的钒元素、0.01%～0.015%的铌元素、
0.050%～0.060%的钨元素、0.018%～0.020%的钴元素、0～0.001%的锑元素、以及
81.201%～83.81%的铁元素。本发明所提供的钢材不但具有优良的力学性能，而且抗腐蚀性非常优异，经试验证明，其耐腐蚀性能是20CrMo的140～150倍，特别能适于在沿海油井作业中使用。
0.50%的镍元素、0.15%～0.20%的钼元素、0.50%～0.60%的铜元素，0.15%～0.17%的铝元素、0.15%～0.16%的钛元素、0.04%～0.05%的钒元素、0.01%～0.015%的铌元素、
0.050%～0.060%的钨元素、0.018%～0.020%的钴元素、0～0.001%的锑元素、以及
81.201%～83.81%的铁元素。本发明所提供的钢材不但具有优良的力学性能，而且抗腐蚀性非常优异，经试验证明，其耐腐蚀性能是20CrMo的140～150倍，特别能适于在沿海油井作业中使用。
[0020] 根据本发明一种典型的实施方式，钢材还可以包括0.018%～0.020%的锌元素，0.004%～0.006%的锡元素，和/或0.02%～0.03%的铅元素。
[0021] 根据本发明一种优选的实施方式，该钢材按重量百分比计含有如下原料组分：0.031%的碳元素、0.05%的硅元素，5.776%的锰元素，0.326%的磷元素，0.017%的硫元素，
10.33%的铬元素、0.22%的镍元素、0.173%的钼元素、0.65%的铜元素，0.007%的铝元素、
0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、0.0185%的锌元素、
0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
10.33%的铬元素、0.22%的镍元素、0.173%的钼元素、0.65%的铜元素，0.007%的铝元素、
0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、0.0185%的锌元素、
0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
[0022] 本发明钢材的良好抗腐蚀性能，来源于其特殊的化学成份构成和金相组织结构。众所周知，钢铁材料被工作介质腐蚀主要是电化学腐蚀，腐蚀形式主要有：晶间腐蚀，点蚀，和应力腐蚀。据统计这三种类形的腐蚀事故，占各类电化学腐蚀事故的83％以上。这种腐蚀属于局部腐蚀，材料的破坏速度很快，是最危险的腐蚀形式。特别要指出的是：钢铁材料-
处在富含Cl 离子的介质中所发生的腐蚀，主要是晶间腐蚀。本发明钢材的成份与组织设计主要也是针对这种腐蚀特点进行设防的。
处在富含Cl 离子的介质中所发生的腐蚀，主要是晶间腐蚀。本发明钢材的成份与组织设计主要也是针对这种腐蚀特点进行设防的。
[0023] 本发明钢材中的C基本控制在0.03%～0.05%，在一般冷却速度下只有少量Cr23C6的碳化物生成，在晶界不会出现连续的碳化物，从而具有较强的抗晶界腐蚀能力。这是它与20CrMo相比具有良好抗晶界腐蚀能力的重要原因之一。
[0024] 需要指出的是：Cr元素能提高C在钢中的固溶度，Cr含量高对增强抗晶界腐蚀能力是有正作用的。而Ni元素会降低C在钢中的固溶度，从而降低抗晶界腐蚀能力。尤其在- 2-富含Cl、SO4 离子的腐蚀介质溶液中，这种反向作用更强烈。通常行业内都把Ni元素含量临界值控制在0.8％～1.0％，而本发明钢材中含Ni元素远低于此值，仅含0.25%～0.50%。
同时，本发明钢材中含Al较高，可以细化钢的晶粒，细小的晶粒组织可以增加晶界总长度，从而相对降低了Cr23C6的碳化物的分布密度，这也是一种有利因素。
同时，本发明钢材中含Al较高，可以细化钢的晶粒，细小的晶粒组织可以增加晶界总长度，从而相对降低了Cr23C6的碳化物的分布密度，这也是一种有利因素。
[0025] 通常材料中的Cr、Mo、Si、Ni都是抗点蚀的有利元素，其能力前高后低。晶界容易发生贫Cr的材料，贫Cr的晶界也会优先成为点蚀的敏感区。由于本发明提供的钢材中碳比较低，Cr比较高，因此抗点蚀的能力比较强。
[0026] 本发明所提供的钢材其制备方法与现有技术中的方法相同，其中，钢的熔炼温度为1580～1680℃，在钢的冶炼过程中要严格控制氧化物系夹杂物对材料性能的影响。钢的轧制温度为1180～960℃，堆冷。冶炼采用电弧炉初炼提供钢水，用AOD或VOD炉对初炼钢水进行吹氧脱碳脱硫，进一步合金化调整成分和温度、脱气等精炼后浇锭。轧机开胚探伤，控温控冷轧制成型材，热处理后整理切定尺成材。
[0027] 根据本发明一种典型的实施方式，提供一种抽油杆。该抽油杆采用本发明的钢材制作而成。优选地，在抽油杆的制作过程中还包括了对抽油杆的杆件及两端的去应力处理。
[0028] 本发明的钢材在热轧状态下是马氏体加少量铁素体，经处理后金相组织回火索氏体。索氏体本质上是一种超细小的珠光体，具有良好力学性能，殘余应力小，强度与韧性匹配较好。超细小的晶体，低的殘余应力这两者对抵抗晶界腐蚀、点蚀和应力腐蚀都是有利因2
素。铁素体和马氏体组织由于屈服强度高，发生应力腐蚀的临界应力值在300N/mm 左右，因此相对不易发生应力腐蚀。
素。铁素体和马氏体组织由于屈服强度高，发生应力腐蚀的临界应力值在300N/mm 左右，因此相对不易发生应力腐蚀。
[0029] 本发明的钢材不是奥氏体组织，它的抗应力腐蚀的能力接近马氏体。同时材料在制作过程中杆件与两瑞头部，都经过去应力处理，残余拉应力消除的比较彻底，从而抑制了使用中应力腐蚀的发生。从金相组织合理角度考虑，本发明的钢材在制作抽油杆的过程中，当杆件锻造成形后，采取合适的措施将两端心部组织和热影响区恢复成为索氏体或屈氏体，是需要予以高度重视的工艺环节。此外，由于Cr原子在铁素体材料与马氏体材料中扩散速度要比在奥氏体材料中快几十倍，在同样条件下，本发明的钢材金相组织中晶内和晶界的Cr元素含量容易达到平衡，可以防止晶界腐蚀。而20CrMo材料难于达到晶内和晶界的Cr元素含量的平衡，无法有效防止晶间腐蚀。
[0030] 综上所述，本发明的钢材是一种节Ni、节Mo新型材料，因为本发明的钢材的耐腐蚀性能非常优异，所以适合在沿海油井中作业中的应用。
[0031] 下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
[0032] 实施例1
[0033] 原料组份：0.031%的碳元素、0.05%的硅元素，5.776%的锰元素，0.326%的磷元素，0.017%的硫元素，10.33%的铬元素、0.22%的镍元素、0.173%的钼元素、0.65%的铜元素，
0.007%的铝元素、0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、
0.0185%的锌元素、0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
0.007%的铝元素、0.158%的钛元素、0.047%的钒元素、0.019%的铌元素、0.058%的钨元素、
0.0185%的锌元素、0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.022%的铅元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
[0034] 制备方法与现有技术相同，钢的熔炼温度为1580～1680℃，在钢的冶炼过程中要严格控制氧化物系夹杂物对材料性能的影响。钢的轧制温度为1180～960℃，堆冷。冶炼采用电弧炉初炼提供钢水，用AOD或VOD炉对初炼钢水进行吹氧脱碳脱硫，进一步合金化调整成分和温度、脱气等精炼后浇锭。轧机开胚探伤，控温控冷轧制成型材，热处理后整理切定尺成材。
[0035] 实施例2
[0036] 原料组份：0.03%的碳元素、0.05%的硅元素，5%的锰元素，0.35%的磷元素，0.017%的硫元素，9.50%的铬元素、0.25%的镍元素、0.20%的钼元素、0.50%的铜元素，0.15%的铝元素、0.16%的钛元素、0.05%的钒元素、0.015%的铌元素、0.060%的钨元素、0.018%的钴元素、以及余量的铁元素。
[0037] 制备方法同实施例1。
[0038] 实施例3
[0039] 原料组份：0.05%的碳元素、0.05%的硅元素，6%的锰元素，0.25%的磷元素，0.015%的硫元素，10.5%的铬元素、0.50%的镍元素、0.15%的钼元素、0.60%的铜元素，0.17%的铝元素、0.15%的钛元素、0.04%的钒元素、0.01%的铌元素、0.050%的钨元素、0.020%的钴元素、0.001%的锑元素、以及余量的铁元素。
[0040] 制备方法同实施例1。
[0041] 实施例4
[0042] 原料组份：0.04%的碳元素、0.038%的硅元素，5.66%的锰元素，0.31%的磷元素，0.015%的硫元素，9.59%的铬元素、0.46%的镍元素、0.19%的钼元素、0.57%的铜元素，0.17%的铝元素、0.156%的钛元素、0.041%的钒元素、0.011%的铌元素、0.051%的钨元素、0.020%的钴元素、0.001%的锑元素、0.019%的锌元素，0.005%的锡元素、0.021%的铅元素以及余量的铁元素。
[0043] 制备方法同实施例1。
[0044] 实施例5
[0045] 原料组份：0.037%的碳元素、0.039%的硅元素，5.9%的锰元素，0.31%的磷元素，0.016%的硫元素，9.55%的铬元素、0.43%的镍元素、0.17%的钼元素、0.53%的铜元素，
0.157%的铝元素、0.156%的钛元素、0.045%的钒元素、0.01%的铌元素、0.056%的钨元素、
0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.02%的铅元素以及余量的铁元素。
0.157%的铝元素、0.156%的钛元素、0.045%的钒元素、0.01%的铌元素、0.056%的钨元素、
0.018%的钴元素、0.004%的锡元素、0.02%的铅元素以及余量的铁元素。
[0046] 制备方法同实施例1。
[0047] 实施例6
[0048] 原料组份：0.05%的碳元素、0.05%的硅元素，6%的锰元素，0.33%的磷元素，0.015%的硫元素，10.1%的铬元素、0.27%的镍元素、0.20%的钼元素、0.60%的铜元素，0.17%的铝元素、0.15%的钛元素、0.05%的钒元素、0.015%的铌元素、0.060%的钨元素、0.020%的钴元素、0.001%的锑元素、0.020%的锌元素，0.004%的锡元素、以及余量的铁元素。
[0049] 制备方法同实施例1。
[0050] 将根据实施例1~6所制备的钢材进行测试，并根据测试结果进一步对本发明所提供的钢材进行分析。
[0051] 一、拉伸性能测试
[0052] 根据SY/T5029-2006《抽油杆》石油行业标准和GB/T229-2002《金属材料室温拉伸试验方法》国家标准，对实施例1~6及对比例的钢材试样进行了抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率进行了标准测试。(见表1)
[0053] 表1.
[0054]
[0055]
[0056] 由表1中数据可知，根据本发明实施例1~6所制备的钢材的机械性能能够符合SY/T5029-2006《抽油杆》石油行业标准和GB/T229-2002《金属材料室温拉伸试验方法》国家标准中关于钢材机械性能的要求。本发明实施例1~6所制备的钢材的机械性能比对比例20CrMo钢材的机械性能好或相近。
[0057] 二、疲劳试验
[0058] 根据中国石油大学(华东)机电工程学院采用PLG-300KN高频疲劳试验机按照SY/T5029-2006《抽油杆》石油行业标准规定的抽油杆疲劳寿命实验方法，对抽油杆寿命进行了测试。实验结果见表2。
[0059] 表2
[0060]
[0061] 试验结果表明：本发明的钢材疲劳寿命均达到标准规定值。
[0062] 三、高压釜腐蚀试验
[0063] 采用高温高压反应釜对常用抽油杆材料20CrMoA、（宝钢）10Cr2MoNi、（宝钢）10Cr3MoNi及本发明实施例1~6的钢材进行高温高压防腐性能实验。
[0064] （1）试验介质
[0065] 按照东辛采油厂辛106×119水样矿化度（见表3）配置，总矿化度达到137739mg/L。
[0066] 表3
[0067]
[0068] （2）实验条件
[0069] ①实验的温度、时间。
[0070] 温度：60℃、80℃、110℃。
[0071] 时间：240h。
[0072] ②试样的尺寸、数量。
[0073] 尺寸：内孔：Φ10.5mm、外径：Φ16mm；高度h＝20mm；
[0074] 数量：每种材料3个试样，本发明取实施例1~6，结果取平均值。
[0075] ③试验压力20MPa，CO2（二氧化碳）分压2.0MPa；
[0076] ④流速：1.0m/s(模拟井下流体流动速度)
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