[发明专利]一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢及其制备方法

说明书

本发明提供了一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢，钢的化学元素组成及各组分占有的重量百分比为：C0.30‑0.36，Mn0.23‑0.28，P≤0.015，S≤0.010，Si0.05‑0.10，Ni3.20‑3.30；Cr1.40‑1.50；Mo0.55‑0.60，V0.11‑0.15，H≤1.5ppm，O≤112ppm，N≤70‑120ppm，其他为Fe。同时还提供了上述结构钢的制备方法，通过制备方法获得的结构钢，用来制造压裂泵的液缸，在页岩气开采的恶劣工况下，可提升产品的使用寿命，降低使用成本，质量稳定可靠，避免作业过程中非预测的开裂失效和生产事故，适合油气田深井压裂和页岩气开采需求。

技术领域

本发明属于油气田增产作业及页岩气开采压裂作业用的机械制造装备领域，特别涉及一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢及其制备方法。

背景技术

目前，国内压裂泵液缸大都采用34CrNi₃MoE，34CrNi₃Mo是一种高强度合金结构钢，是普遍采用的大型汽轮机整锻低压转子钢，具有良好的综合机械性能和工艺性能，已被广泛应用于发动机转子和汽轮机叶轮的生产，但是该材料在压裂过程中，尤其是页岩气开采压裂作业，承受80-105MPa的高压，并承受每100-200次/分钟的反复作用，容易产生疲劳，导致液缸疲劳受损，内腔开裂、失效，用该材料制造的液缸，使用寿命低，可靠性差，在中低压(60-80MPa)工况下平均寿命约为100-200小时；在高压(80-105MPa)情况下，甚至不能完成一口井的作业(约10小时)，需停机更换，如果是作业过程中开裂失效，甚至会导致生产事故，严重影响页岩气开采作业。

发明内容

为了解决上述材料在压裂作业设备中存在的开裂失效、疲劳受损的技术难题，本发明提供了一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢材料，技术方案具体为：一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢，钢的化学元素组成及各组分占有的重量百分比为：C 0.30-0.36，Mn0.23-0.28，P≤0.015，S≤0.010，Si 0.05-0.10，Ni 3.20-3.30；Cr 1.40-1.50；Mo 0.55-0.60，V 0.11-0.15，H≤1.5ppm，O≤112ppm，N≤70-120ppm，其他为Fe。

作为改进，钢的抗拉强度为1100～1300Mpa，屈服强度为950～1200Mpa，伸长率为18～22％，硬度为341～388HBW，冲击试验：-30℃的AKV2为66-71ft-lb。

同时，还提供了上述压裂泵液缸用高强度合金结构钢的制备方法，按上述结构钢的化学成分配比计算和称取原材料，将该原料采用电弧炉冶炼，电渣重熔EF，经LF炉精炼，VD真空除气，采用氩气保护，EF+LF+VD，氢气≤1.5ppm下模铸成锭坯，通过锻造成液缸所需的坯料，锻后缓冷，探伤，正火880±15℃，保温10±1小时；退火，粗加工处理，二次探伤处理，调质处理，精加工处理，终检探伤，形成液缸。

作为改进，所述调制处理时依次设置包括淬火和两次回火，其中所述淬火温度850±15℃，保温10±2小时，一次回火温度595±30℃，保温20±5小时，二次回火温度550±30℃，保温15±4小时。

作为改进，锻造时，工件压裂泵液缸的锻造比≥5；锻造后进行依次进行正火，淬火温度880±15℃，保温10±1小时，一次回火温度595±20℃，保温20±5小时，二次回火，温度550±20℃，保温15±3小时处理，夹渣物按GB/T10561中要控制级别在i＝1.5级，奥氏体晶粒度细于等于7.0。

作为改进，调质处理前还包括正火处理，设置正火温度高于调质处理的淬火温度20～40℃，淬火时水冷过程采用水淬、油淬，工件入水水温≤30℃，水温≤40±15℃，浸水6-8分钟，入油，入油温度≤40±10℃，工件出油温度在70-80℃；其中水冷时采用水冷循环装置，循环补充冷水。