高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管的开发

来源：至德钢业　日期：2020-05-31 09:00:03　人气：1334

介绍了天津钢管集团股份有限公司（TPCO）开发的高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管。通过合金化技术、纯净钢冶炼、控制轧制、热处理技术等手段，材料屈服强度达到1000MPa钢级水平，同时具有良好的低温冲击韧性和优良的高温力学性能，保证了其可以满足苛刻条件下的使用安全性。

随着世界经济的快速发展，对能源的需求数量急剧增加，石油探测和开采力度日益加大。钻杆是油、气井钻探的主要工具之一，在钻具用管中，钻杆的使用量最大。钻杆在钻井时要承受拉伸、压缩、扭转、弯曲以及冲击等各种交变应力的作用，在有硫化氢的油气田里，还要求能抗硫化氢腐蚀。

天津钢管集团股份有限公司（TPCO）立足于新的技术要求，从钢种设计出发，对产品的炼钢、轧制、热处理等工艺进行了严格控制，研究了一种既有高温强度，又有低温冲击韧性的S135钢级钻杆用无缝钢管。本文将对该产品的开发做详细介绍。

1高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管的研制与开发

1.1成分设计

国内外厂家钻杆成分设计一般采用Cr-Mn钢或Cr-Mn-Mo钢，碳含量多控制在0.24～0.35之间，通过适当添加合金元素提高强度和淬透性。本设计参照国内外厂家钻杆的优缺点，在可行性研究的基础上，采用低碳Cr-Mn-Mo-V钢，并适当添加其他合金元素来提高钻杆的强度和淬透性。

碳元素是一种能有效提高强度且成本低廉的合金元素。提高钢中碳含量是提高材料强度高效和经济的手段，成为传统高强钢的设计方案，但是以牺牲塑韧性为代价的。研究表明钢中碳含量对马氏体形态有显著影响，0.3%C以下以板条马氏体为主兼有部分片状马氏体（孪晶马氏体），0.26%C以下基本为板条马氏体即位错型马氏体，在强度相同的情况下位错型马氏体和孪晶型马氏体相比具有良好的韧性，脆性转变温度低，缺口敏感性低等优点，即使经过回火也有同样的表现。为此将碳含量设计在0.20～0.26%。

硅和锰元素都是良好的脱氧剂和脱硫剂，一方面作为脱氧元素加入，一方面又作为合金元素加入，起强化作用，锰含量增加，钢的淬透性增加。但锰含量的增加，也增加钢的回火敏感性，降低钢的韧性。另外锰含量过高对钢的焊接性能不利。设计时以锰含量0.80～1.20%最宜。硅是强烈促进石墨化的元素，极易在退火和回火过程中发生石墨化现象，因此硅含量取0.20～0.35%。硫和磷元素是残存在钢中的有害元素，一般情况下其含量越低越好。

铬是一种在适当的添加范围内能同时提高钢的强度、韧性和耐蚀性的元素。当铬含量低于0.30%时，对于一定规格的无缝钢管，淬透性偏低，从而使强度偏低。但铬会显著提高钢的脆性转变温度，增加钢的回火脆性。适宜的铬含量范围是0.30～1.25%，最佳范围应该在0.95～1.10%。

钼元素是碳化物形成元素，在合金钢中能形成多种碳化物，提高钢的硬度，产生二次硬化。利用钼元素的二次硬化可以抑制低合金钢常见的随回火温度升高强度降低现象，实现提高回火温度解决高强度和高韧性匹配的问题；钼元素在原奥氏体晶粒的富集偏聚提高了晶界的结合强度，从而明显改善了高强度钢的耐延迟断裂能力，保证了钢在高强度下具有好的抗氢致断裂能力；钼元素具有抑制回火脆性的性能，能够阻碍P等杂质在晶界的偏析，降低钢的回火脆性。但Mo合金元素价格较高，故钼含量应控制在0.50～0.60%。

钒元素能够细化晶粒度，提高钢铁材料的强度和韧性。在轧管过程中，随着控轧控冷的进行，钒合金分阶段析出，细化轧制的奥氏体晶粒度和微观组织；在奥氏体高温过程中，由于钒的碳化物是逐步固溶而非一次性全部瞬间固溶，因此钒的碳化物可以起到钉轧晶界，细化奥氏体的作用，避免奥氏体晶粒的过度长大；在回火过程中，钒与碳一起析出细小弥散的沉淀粒子，起到弥散强化的作用；此外钒还具有提高回火稳定性、提高回火温度的作用，可以保证出回火炉后钢管在较高温度下矫直，降低矫直产生的残余应力。但钒元素过多，根据固溶度积公式在钢种无法溶解，故在设计中选择钒含量在0.60～0.80%。

1.2炼钢工艺

24CrMo45V采用100t电炉+LF精炼+VD真空处理+圆坯连铸工艺生产。

考虑到类似钢种的冶炼经验，对脱氧剂的加入量进行了调整：加大了出钢时铝球的用量，根据终点碳控制铝含量不小于0.020%，同时控制出钢温度在1620～1640℃，防止温度过高。LF钢包精炼炉对钢水化学成分进行微调，采取多批次少量加入并即时加热的方式配入合金，在合金全部加入后减少钢液温降。根据全Al含量的高低适当补喂Al线，使LF炉出钢时的ω（Al）为0.02%～0.04%。出钢喂Ca-Si线进行钙处理，使非金属夹杂物得到球化处理。经过VD处理，保证钢水纯净度。

连铸采用氩气保护+密封垫保护浇铸，减少二次氧化；合理控制二冷水冷却强度及出二冷室铸坯矫直前温度，可以有效防止铸坯表面裂纹的产生，采用弱冷工艺控制柱状晶生长。

1.3轧制工艺

热轧生产工艺流程为：连铸圆管坯→环形炉加热→穿孔机穿孔→PQF连轧管机轧制→张力减径机定减径→冷床冷却→精整→检查、修磨→定尺切断、包装、入库。

热轧工艺优化方面主要进行以下工作：

（1）选择最佳温度制度。将该钢种在Gleeble热模拟试验机上进行不同温度下变形抗力和面缩率测定，结果显示其变形抗力较低而面缩率较高，合适的塑性加工温度区间约为1100～1150℃。控制环形炉的均热温度和生产节奏，保证钢管在此温度范围内进行穿孔和连轧。

（2）分配穿孔连轧的变形量。在分配穿孔、连轧变形量时，应尽可能将变形量前移至穿孔，并合理分配PQF连轧管机各机架间的变形比，这样可以减少连轧管机延伸系数，降低轧制负荷，减轻连轧不均匀变形程度，从而减少轧制缺陷的产生。

1.4管端镦粗和调质热处理工艺

管端镦粗主要控制的指标包括加热温度、保温时间、以及镦粗时各道次变形量的分配。

（1）控制加热温度：感应加热温度控制在1050～1150℃之间，温度过高易造成钢铁过烧，表面脱碳，奥氏体晶粒度长大等，加热温度过低则会降低材料变形塑性，增加镦粗变形抗力，以及降低镦粗变形的尺寸精度。

（2）控制加热保温时间：感应加热完全奥氏体化后保温30～50s，使得奥氏体充分均匀，又不造成晶粒的过度长大。

（3）控制镦粗变形量分配：一次镦粗和二次镦粗采用大压下量变形，三次镦粗采用小压下量变形控制，提高尺寸精度。同时在感应加热温度控制上，一次镦粗和二次镦粗在1050～1150℃温度之间尽量走上限（偏高温控制），三次镦粗时温度尽量走下限（偏低温控制）。

热处理是建立在合理的温度区间内进行的，这个温度区间由钢的CCT曲线（连续冷却转变曲线）确定。24CrMo45V钢种的CCT曲线如图1所示，不同冷却速度下的金相组织如图2所示。

根据钢的CCT曲线和设备条件，24CrMo45V管材最好使用调质热处理工艺，通过调质热处理可以得到均匀细小的回火索氏体组织，并将各种合金元素形成均匀细小弥散的碳化物，起到弥散强化的作用，调质处理还是细化晶粒度的非常有效的方式。

1.5高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管的实际性能

1.5.1强度

强度是保证钻杆服役的前提，特别是钻杆在地下受到钻机和地下岩层的交变应力，钻杆产品在深井超深井下作业时，承受高温高压复杂应力载荷，钻杆材料的高温力学性能直接影响钻杆的服役安全和使用寿命。因此，在满足API SPEC 5DP上PSL-3 S135的标准前提下，还要保持较高的高温强度。钢管的室温强度分布如图3所示，钢管在温度200℃，250℃，300℃，350℃条件下的强度数值见表2所示。

1.5.2冲击韧性

API SPEC 5DP上规定，PSL-3 S135钻杆管体全尺寸最低平均冲击功不小于100J，单个值不小于80J，3/4尺寸最低平均冲击功不小于80J，单个值不小于64J。通过检测，生产的高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管的冲击值高于标准的要求，保证了其在服役状态下的安全性。钢管的冲击值如图4所示，测定钢管的韧脆转变温度如图5所示。

1.5.3钢管的组织和晶粒度

钻杆管体的组织和晶粒度直接影响钻杆的性能。经试验，管体金相为回火索氏体，组织细小而均匀；平均晶粒度直径在10微米左右，晶粒度等级≥9级。组织和晶粒度如图6所示。

2结果与讨论

2.1产品设计与实际性能

高强度高低温韧性钻杆的主要性能指标是-20℃的韧性和室温以及高温的拉伸性能。通过成分设计，冶炼时控制夹杂物产生，合理的热处理方式和制度来达到高强度和高低温韧性的效果，实际性能完全可以满足客户和标准的要求。

2.2控制夹杂物

夹杂物对钢材性能的影响一直是个热门研究的话题，尤其当钢材的屈服强度等级越来越高的时候，钢材的低温冲击韧性对夹杂物越来越敏感。有研究表明，不同类型的夹杂物形成于钢铁冶炼过程，但在轧制过成发生不同的变形，类型不同导致变形后分布方向差异很大，对冲击韧性的方向性影响各异。另外在材料受到冲击载荷的过程中，韧性断裂过程是由夹杂物处在应力作用下引起的空隙开始的，由于夹杂物和析出物同金属的弹性、塑性有相当大的差别，所以在金属的变形过程中，夹杂物和析出物不能随基体变形，在它周围产生愈来愈大的应力，使夹杂物与基体的界面脱开而产生微裂纹。

开发高强度高低温韧性钻杆用无缝钢管过程中，充分考虑到了P、S以及Al、O等元素对冲击韧性的影响，S含量都要控制的非常低，基本要达到0.003%以下，以0.001%为目标。在炼钢阶段采用Ca处理的夹杂物变性技术将条状硫化物夹杂物球化处理，最大限度降低该类夹杂物对管体冲击韧性的影响。如图7所示。