[发明专利]无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢材料技术领域，特别是涉及一种无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

无磁钻铤是当今国内外高精度、高深度陆地和海洋油气钻采的重要部件。一般而言，钻铤是钻采部件中钻柱的主要组成部分之一，具有向钻头提供钻进的压力以及提高钻柱刚性的作用。目前无磁钻铤则是由相对磁导率很低(＜0.01)的不锈钢材料制造的中空厚壁管材，为随钻测量(Measure while drilling，MWD)仪器设备的正常工作提供磁屏蔽的环境，保证对钻探方向进行实时修正。同时与旋转导向系统(Rotary steering system，RSS)联动，实现全井段定向钻进，并可以实时、精确调整井眼轨迹。除极低的磁导率要求外，无磁钻铤材料的主要性能指标是强度和耐蚀性能，以及兼顾经济性。

从上世纪30年代至今，无磁钻铤用材料经历了300系不锈钢、蒙乃尔合金、含氮奥氏体不锈钢等几代的发展，其取舍的原则一直围绕着产品力学性能、耐蚀性能和原材料以及生产成本的控制。最早使用的无磁钻铤材料中，300系不锈钢的原材料成本较低，但其力学性能如室温和高温强度、硬度、耐磨性等较差，产品寿命较短。后来为了保证足够的耐蚀性能并延长单支钻铤的服役寿命，在工况条件较为苛刻的环境下采用了成本极高的蒙乃尔合金(Ni-Cu合金)材料。由于该材料原材料成本和制造成本都非常高，因此并未获得大规模发展。

从上世纪60年代以来，随着奥氏体不锈钢中N合金化科学和技术的不断发展，以及含N不锈钢的冶炼和制备技术水平的提高，Cr-Mn-N系奥氏体无磁不锈钢因其相对极低的原材料成本和优良的力学性能、耐蚀性能很快替代了传统的300系不锈钢和蒙乃尔合金材料，成为世界上用于制造高性能无磁钻铤产品的主流材料。多年来，随着陆地和海洋油气资源钻采对材料性能要求的不断提高，该类型不锈钢的成分体系设计理念不断进步，其耐腐蚀性能、力学性能显著提高。其主要的合金元素为Cr、Mn、N，另外某些体系还含有少量的Mo和Ni，主要经历了以下几代合金体系的发展：

1)Mn、N部分代Ni的Cr-Mn-Ni-N不锈钢

第一代无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢中以Mn和N元素部分取代了Ni元素作为奥氏体稳定元素，用来降低原材料成本。同时N元素作为固溶强化元素可以有效提高不锈钢的强度，同时不显著损害其塑性和韧性，每加入0.1％的N元素可提高奥氏体不锈钢约60-100MPa的室温强度。N元素的加入也可以提高不锈钢的抗高温蠕变、疲劳和耐磨损性能。由于受到当时材料设计手段、N合金化手段和工业化冶炼制备技术的限制，为了保证足够的奥氏体热加工窗口和成品材料的奥氏体稳定性，保留了一定含量的Ni元素。这一代的无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢材料具备了良好的力学性能和耐蚀性能，同时也具有极低的相对磁导率，满足了当时油气钻采领域的需求。

2)无Ni的Cr-Mn-N不锈钢

随着N合金化技术的发展以及对原材料成本的严格控制，无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢体系中的Ni元素全部被Mn元素和N元素取代，形成了无Ni的Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢材料，其具有更高的室温和高温力学性能以及极低的相对磁导率。由于成本更低，该材料生产的无磁钻铤产品具有更强的市场竞争力。然而Mn元素的升高导致材料耐局部腐蚀性能降低，同时导致材料冶炼纯净度的下降。N含量的过度增加会导致奥氏体不锈钢低温韧性的恶化，在低温下即可出现韧性-脆性的转变，对较低温度下材料的服役性能不利。同时由于Mn、N元素全部代Ni元素后奥氏体稳定性的下降，体系中的Cr元素含量被限制在较低的水平，这进一步导致了材料耐局部腐蚀性能的下降。

3)含Mo、Ni的Cr-Mn-Ni-Mo-N不锈钢

随着含硫化氢、二氧化碳等酸性介质的油气钻采服役环境日趋苛刻，为了解决材料耐局部腐蚀性能的下降的问题，在上一代无Ni高N奥氏体不锈钢的成分基础上，形成了含Mo元素、Ni元素的新型高氮奥氏体不锈钢材料。Mo元素提高不锈钢耐局部腐蚀性能的能力是Cr元素的三倍以上。Mo元素的加入显著提高该型不锈钢在还原性介质如硫酸、磷酸以及一些有机酸或尿素环境中的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，对强度的影响作用不显著。相反，Mo元素的加入会导致某些脆性析出物如sigma相或chi相的形成，严重恶化不锈钢的塑性和韧性，因此Mo元素的含量被控制在合理水平。同时为了平衡Mo元素带来的强烈的铁素体稳定化倾向，在该合金体系中还加入了适量的Ni元素。这些合金元素的成分调整使材料具备了良好的力学性能和耐蚀性能。

发明内容