[发明专利]一种适用于低温环境的钻杆接头用钢及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种能在低温环境下使用的钻杆接头用钢，属于石油天然气技术领域。

背景技术

随着全球经济的发展，对以石油及天然气为代表的能源的需求及依赖越来越大，能源对国家的发展、人民的生活起着举足轻重的作用。为获取更多能源，石油钻探已经由常规钻井转向更为苛刻的环境，比如超深井、深海、超低温环境等。考察报告表明，北极圈蕴含着丰富的油气资源，一些国家相继允许在这种高寒环境下开采油气资源，但其温度低至-60℃，如果要在这些高寒地区作业，钻杆必须具有良好的低温韧性（包括冲击功和韧脆转变温度两个指标），以免发生低温脆性断裂事故。而钻杆通常由接头及接头摩擦焊接而成，这也就要求接头、接头及焊缝均具有良好的低温韧性。

根据金属学的基本原理可知，不同材料在低温环境使用，具有不同的冷脆倾向，目前常用的钻杆接头材料属于体心立方晶格，具有明显的冷脆倾向，而且强度越高，冷脆倾向越明显。试验结果表明，常用接头材料如37CrMnMo，当其屈服强度为900MPa时，随着冲击试验温度由常温下降到-60℃，冲击功由100J下降到40J左右，韧脆转变温度为-50℃左右，无法满足在-60℃环境使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于于低温环境的钻杆接头用钢及其热处理工艺，能克服现有钻杆接头材料所述不足之处，还提高了低温韧性储备。当其屈服强度为905MPa时，-60℃，纵向，全尺寸，夏比冲击功平均值为110J，比普通钻杆接头提高了将近2倍，韧脆转变温度为-85℃。比普通钻杆接头降低了约35℃。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种适用于低温环境的钻杆接头用钢，由下述重量百分比的成分组成： C 0.25-0.35%，Mn 0.50-1.00%，P≤0.015%，S≤0.008%，Mo 0.15-1.00%，Ni 0.75-1.50%，Cr 0.80-1.50%，此外，还含有Si≤0.30%，Al≤0.03%，V≤0.10%，Ti≤0.03%，RE≤0.03%中的两种或两种以上，余量为Fe和不可去除的痕量元素。

优先地，所述钻杆接头用钢由下述重量百分比的成分组成：C 0.25-0.28%，Mn 0.50-0.70%，P 0.008%，S 0.004%，Mo 0.6-0.8%，Ni 1.20-1.50%，Cr 0.80-1.00%，Si 0.25-0.30%，Al 0.02%，V 0.04-0.10%；余量为Fe和不可去除的痕量元素。

另一优选方式如下，所述钻杆接头用钢由下述重量百分比的成分组成：C 0.28-0.34%，Mn 0.75-1.0%，P≤0.015%，S≤0.005%，Mo 0.10-0.30%，Ni 0.90-1.10%，Cr 0.95-1.40%，Si 0.23%，Ti 0.02%，Re 0.02%；余量为Fe和不可去除的痕量元素。

所述低温环境是指-20℃至-60℃。

所述钻杆接头用钢的热处理工艺为：将上述成分均匀混合后在炉内加热到900～960℃，保温1.0～1.5小时后，放入淬火介质中并充分冷却，然后在660～690℃下回火，保温约2.0～2.5小时后出炉。热处理后，晶粒度≥8.0级。全截面马氏体转变率达到90%以上。

以下叙述本发明中C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、V、Ca等元素限定的理由：

C是钢中主要的强化元素，它能显著提高钢的强度和淬透性，为使接头强度达到API中规定的强度，其下限为0.25%。但是，随着C含量的增加，其低温冲击功将降低，韧-脆转变温度将提高，同时，考虑到还要和管体焊接，其C含量不宜超过0.35%。

Mn在低温钢中是有益的合金元素，它不仅能提高钢的强度，降低钢的韧脆转变温度，提高钢的淬透性，还能与硫结合能降低硫的有害作用。但Mn含量过高，晶粒容易粗大，还增加了回火脆性，因此，其含量为0.5～1.0%。

P、S是低温钢中的有害元素，含量越低越好，考虑到生产成本及批量生产的稳定性， P≤0.015，S≤0.008。

添加Cr是为了提高淬透性及提高钢的强度，含量在0.80～1.50%，使得本发明的接头用钢能获得良好的淬透性，强度和韧性。Cr含量太高，会降低钢的韧性。