[发明专利]抽油杆用钢及工艺方法

说明书

本发明属于油田采油机的重要结构件-D级抽油杆用钢的化学成分设计和该钢的冶炼及热处理方法。

国内外现有抽油杆产品，按强度性能分为C级杆、D级杆、K级杆三种。随着采油工业迅速发展和许多油田不断处于后期开采，采油层逐渐降低和油井加深，要求抽油杆不仅具有足够的强度，而且还要有较高的韧性和耐疲劳性能。目前国内外广泛采用和推广的是D级抽油杆产品和少量的K级抽油杆产品，C级杆因综合力学性能低已不采用。近年来国内制造D级抽油杆产品采用的定型钢号有35Mn₂、35CrMo、42CrMo。制造K级抽油杆产品定型钢号有20CrMo钢。美国石油协会推荐的D级抽油杆用钢的钢号有：1536和4142（注：1536钢相当于我国35Mn₂钢;4142钢相当于我国的42CrMo钢）。日本特许公报，昭59-23850公开用于油井的D级抽油杆产品，其中该产品的化学成分（重量百分比）C：0.34～0.44%，Mn：1.35～1.65%，P：0.04%，S：0.05%，Si：0.15～0.30%，V：0.07～0.15%。

依据用户反映;目前我国所采用的D级抽油杆用钢尚存在不足之处如下：（1）耐疲劳性能指标不理想。（2）冲击、延伸率、断面收缩率指标不理想。（3）所采用的D级抽油杆用钢由于高温塑性较差，在较大锻造比情况下，抽油杆端部棱角处易产生裂纹缺陷而报废，因此，高温锻造成品率较低（成品率为92～97%）。为了弥补现有钢种这些不足，为了满足用户要求的抽油杆用钢的这种钢，特研制出40Mn₂Nb抽油杆用钢。

本发明40Mn₂Nb钢的化学成分为（重量百分比）C：0.36～0.44%，Si：0.31～0.40%，Mn：1.2～1.8%，Nb：0.02～0.05%，S≤0.030%，P≤0.030%。该钢在冶炼时，钢水出钢温度要比一般中碳锰钢高20～30℃，即应控制在1640～1660℃。达到该温度后，将钢水由炉内倒入盛钢罐里，当倒入罐里的钢水量达到1/3时，及时加入粒度为30～70mm的Nb-Fe合金。当钢水装满罐后，及时吊到注锭台处，采用吹氩气精炼新工艺，底吹氩气时间为8～10分钟，然后浇注钢锭，经镇静脱模后，送到初轧厂轧成90×90mm方坯，经大于8小时缓冷后，按用户要求轧成φ19mm或φ22mm或φ25mm小型圆钢产品。热轧圆钢进入冷却台时采用冷水小喷雾快冷方法，有利该钢性能提高。交货状态为热轧装态。要求长度定尺：L＝8500mm，△L＝+50～60mm。采用该钢制造的抽油杆产品进行热处理制度：淬火温度为820～850℃，保温是间为40～50分钟，然后进行水淬。回火温度为520～620℃，保温时间为60～70分钟，然后空冷。

本发明采用这种化学成分经冶炼、轧制及热处理后，该钢的综合力学性能不紧满足用户要求和达到GB7229-87D级抽油杆国家标准，同时还达到了美国API-11B规范要求的D级抽油杆的国际先进水平。其综合力学性能比较情况，详见表1和表2。

该钢不仅是制造D级抽油杆的优质钢，而且还是制造轴、曲轴、汽车半轴、蜗杆、拉杆、连杆、螺栓、螺钉、弹簧等一切动载荷或变载荷部件及结构件的优质钢。另外，采用该钢制造抽油杆及其它产品与采用Cr-Mo系列钢相比较，还具有价格低廉的优点等方面。

40Mn₂Nb抽油杆用钢曾在地质部张家口探矿机械厂等单位试用。其中张探试验检验的力学性能结果见表3。

其各项指标均达到或超过协议规定指标和达到GB7229-87D级杆国家标准及美国API-11B规范中要求D级抽油杆的国际先进水平。

另外，由于该钢高温锻造塑性好，锻造抽油杆成品率高达99%，比其它抽油杆用钢锻造成品率提高2%以上。已为抽油杆制造厂减少废品1200根（节约钢材30万吨），为用户所创造的直接经济效益12万元。

表2  疲劳性能

注：（1）其它抽油杆钢摘录最高疲劳性能钢数据（含美钢API-11B规范中D级抽油杆用钢）

（2）缺口疲劳试样理论应力集中系数K₁＝2

（3）表2中40Mn₂Nb钢的疲劳性能值尚未来得及检测最高疲劳极限值。

表3  力学性能