钻杆钢的成分、热处理工艺及其力学性能.pdf

2015年第1卷第2期 石油管材与仪器 PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS ·33· ·试验研究· 钻杆钢的成分、热处理工艺及其力学性能术 王新虎 张冠军 李方坡 刘永刚 (中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710077) 摘 要：文章综述了近些年我国有关钢厂钻杆用钢的成分及热处理工艺的研究情况，统计分析了已经实现大规模产业化的钻杆 的主流钢种成分。总结了主流钢种的热处理工艺与性能，以便我国钻杆钢种标准化。 关键词：钻杆；钢种；成分；热处理 中图法分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：2096—0077(2015)02—0033—04 Chemical Composition，Heat Treatment and Mechanical Properties of Drill Pipe Steel WANG Xinhu ZHANG Guanjun LI Fangpo LIU Yonggang (CNPC Tubular Goods Research Institute，OCTG Key Laboratory，Xi’an，Shaanxi 710077，China) Abstract：This paper reviews the current research of drill pipe steel chemical composition and heat treatment process in recent years，statis— tically analyzes drill pipe steel composition which has been achieved main stream large—scale industrialization，summarizes the heat treatment process and properties of drill pipe steel，provides technical supports for drill pipe steel standard． Key word：drill pipe，steel，chemical composition，heat treatment 0 引 言 我国上世纪8O年代引进日本钻杆生产技术开始生 产钻杆，最初进口日本管材，后来逐步国产化。由于我 国冶金装备及工艺水平落后，我国生产的日本钢种难以 达到性能要求，所以在美国和德国钢种基础上逐步发展 出我国特有的钻杆钢种，性能已经基本满足钻杆要求。 但我国目前钻杆钢种还没有标准化，质量还需要进一步 提高，冶金及机械行业有关标准中没有钻杆钢种牌号， 各大钢厂的钻杆钢种成分都有差别。本文分析了我国 近年大部分钻杆钢管成分，总结了主流钢种的热处理工 艺与性能，以便我国钻杆钢种标准化。 1钻杆接头用钢 钻杆接头用钢有很多种，德国钢种36CrNiMo4是其 中一种，类似我国的40CrNiMo以及美国的ASTM／AI． SI4340。欧洲标准EN 10083／1—1991规定36CrNiMo4 中各元素质量百分比含量为：C=0．32～0．40、Si≤0．40、 Mn=0．50—0．80、Cr=0．90～1．20、Ni=0．90～1．20、Mo =0．15～0．30、Cu≤0．025、S≤0．035、P≤0．035。该标准 推荐的热处理工艺为：淬火温度820—850cc，淬火介质 是油或水，回火温度540℃～680℃。该标准推荐的热处 理工艺不一定适合钻杆接头，所以必须制定专门的钻杆 接头热处理工艺。我国早就实现了36CrNiMo4钢的国产 化，宝钢的刘麒麟…等为了提高36CrNiMo4钢的冲击韧 性，降低了钢中P、S含量，s降到了0．005％，P降到了 0．008％。对钢水脱氧、脱硫、去气，并进行夹杂物变性处 理。这些工艺使成品钢管在一lO~C的横向冲击功由50J 提高到了lOOJ。可能是由于降低了杂质含量，提高了纯 净度，所以宝钢毛信孚 等命名该钢种为36CrNiMo4A， 制定的热处理工艺为在860~C加热后在油中淬火，随后 在650℃高温回火。大庆钻井技术服务公司工具分公司 刘建群等 试验了用36CrNiMo4钢生产的钻杆接头的 热处理工艺，试验材料的成分为C：0．38、Si=0．24、Mn 基金资助：中国石油天然气集团公司科技项目2013D一5004—07资助。 第一作者简介：王新虎，男，1962年生，教授级高级工程师，毕业于西北工业大学，先主要从事石油管失效分析研究工作。E-mail：wangxin— haO02@cnpc．corn．en 石油管材与仪器 PETROLEUM TUBULAR Go0DS& STRUM匮NTS 2015年4月 =0．69、Cr=1．08、Ni=1．03、Mo=0．25、S≤0．005、P≤ 0．008。显然材料成分与宝钢36CrNiMo4A钢成分基本 相同，大庆钻井技术服务公司工具分公司试验得到最佳 热处理工艺参数为：淬火温度860~C、回火温度610~C、回 火保温时间100 min。德州联合石油机械有限公司与胜 利油田渤海钻井管具公司的魏开龙、唐建平、苗同勇等 也研究了36CrNiMo4钢在钻杆接头的应用技术 j，该论 文作者将36CrNiMo4钢锻造后在880℃退火，保温3 h一 4 h，炉冷到550~C空冷，退火后硬度小于lib 240，满足切 削加工要求。随后进行调质处理，在860~C～880℃加热 后油冷，淬火介质为柴油，然后在540oC～560oC回火，回 火后水冷。36CrNiMo4钢的铬、镍含量较高，回火脆性十 脆性温度区。热处理后。硬度为HB292—335；o- =967 MPa～1 102 MPa；o-n，=829 MPa～965 MPa：6 =19— 23％； Kv=94—135 J。36CrNiMo4钢在硬度较高的情况 下，冲击功无明显的下降，但过高的硬度增大车螺纹难 度，所以尽量将钻杆接头的硬度控制在HB300～330。根 据以上研究，可以用我国钢种命名法，将钻杆接头用德 国钢种36CrNiMo4命名为36CrNiMo，其成分范围见表1。 该钢铸锭锻造后在880℃退火，保温3 h～4 h，炉冷到 550 空冷，可以进行粗加工。然后进行调质处理，合适 的热处理工艺是：淬火加热温度860oC～880℃，淬火介 质是油，回火温度540oC～650oC，出回火炉后水冷。热 处理后材料的力学性能满足API SPEC 5DP要求，在 分敏感，因此回火后一定要快冷，尽可能迅速避开回火 一10℃的冲击功可以达到100 J。 表1 钻杆接头钢种36CrNiMo的成分 另一种广泛应用于钻杆接头的钢种是美国钢种AI— SI 4137H，类似于我国的35CrMo，主要区别是AISI 4137H 的C、Mn含量稍高些。AISI 4137H的成分是C=0．35～ 0．40、Si=0．15～0．35、Mn=0．70～0．90、Cr=0．80～ 1．10、Mo=0．15～0．25、S≤0．030、P≤0．030。大庆钻井 技术服务公司工具分公司刘建群等 研究了用AISI 4137钢生产的钻杆接头的热处理工艺，试验材料的成分 为：C：0．35、Si=0．21、Mn=0．91、Cr=1．08、Mo=0。28、 S=0．005、P=0．008。试验得到钻杆接头的热处理工艺 参数为淬火加热温度860~C，回火温度600％，回火保温 100 rain。力学性能达到了抗拉强度R =1 046，屈服强 度R =931，硬度HB：313。岳鹏 等研究了AISI 4137H制造的钻杆接头水基淬火工艺，试样内径 88．9 mm，外径168．3 mm，壁厚5O mm。试样常温进炉后 加热到910℃，保温时间为1h，使试样奥氏体均匀化。钻 杆接头水基淬火与油基淬火的表面硬度及均匀性基本 一致，水基淬火后的内部硬度略高于油基淬火的内部硬 度HRC2—5。为了进一步提高钻杆接头性能，人们对 AISI4137H钢进行了改良，宛农，周立新、朱瞬强 等试 验研究了大冶特殊钢股份有限公司改良型ASTM4137H 钢，适当增加了Cr、Mn和Mo含量，且钢液进行了钙处 理，具体成分为C=0．36、Si：0．25、Mn=1．04、Cr= 1．03、Mo=0．31、Cu=0．13，Ca：0．0045，S=0．008、P= 0．019。热处理毛坯外径195 mm，壁厚为25 ITlm的管材。 热处理工艺是870~C x20 rain加热后油淬，箱式炉回火 1 h，回火温度范围560℃一610％。可以达到现行标准中 力学性能要求。上述改良型ASTM 4137H钢实质上类似 于德国钢种37CrMnMo4H1，张备、李青 等介绍了宝钢 开发研制的适合水淬的钻杆接头用钢37CrMnMo4H1，其 化学成分中C=0．35—0．39、Si=0．15—0．35、Mn=0．85 ～1．00、Cr=0．90—1．20、Mo=0．25～0．35、S≤0．010、P ≤0．015。宝钢规定37CrMnMo4Hl钢坯的横向酸浸低倍 试片上不得有肉眼可见的残余缩孔、白点、分层、裂纹、 气泡、金属异物和夹杂。其酸浸低倍组织级别应符合下 列规定(严于国标高级合金钢要求的2级)：一般和中心 疏松≤1．5级，偏析≤1．5级。非金属夹杂物按GB／T 10561—2005中的JK评级图，使用A法进行检验，其检 验结果氧化物夹杂评级应不大于1．5级和硫化物夹杂评 级应不大于2．0级。 按照我国钢号编制方法，可以将改良型ASTM4137H 钢、德国钢种37CrMnMo4H1的国产化钢种命名为 37CrMnMo。实际上我国目前没有37CrMnMo这个钢号， 与其近似的是40CrMnMo。本溪特殊钢(集团)股份有限 公司的王继晨、王继伟、杨广前等开发研制了可以进行 水淬的钻杆接头用钢37CrMnMol8 ，其夹杂物含量见表 2。张楠研究了钻杆接头用钢37CrMnMo的热处理工 艺 ]，其化学成分如表3。采用的是多用箱式炉生产线， 箱内采用氮气保护，采用快速淬火油进行冷却。回火后 快速水冷。淬火加热温度880~C，保温时间2．5 h，油冷； 回火温度605~C一610~C，保温4 h后水冷。热处理后材 料的拉伸强度970 MPa～1 088 MPa、屈服强度831 MPa ～949 MPa、延伸率19％～20％、冲击功102～134J、硬度 HB298～324。 本文作者统计了2012至2014年经手的l4次钻杆 接头失效分析案例，结果表明，初了碳含量外，这些钻杆 接头的成分符合37CrMnMo钢的要求，其中5只钻杆接 头含碳量低于0．35％，最低到0．32％，14根钻杆接头的 种命名为35CrMnMo，这些统计数据说明目前大多数钻 杆接头用35 CrMnMo钢制造，其化学成分见表4。其热处 理工艺与钢种37CrMnMo差别不大，即在温度870~C～ 880~C加热后进行水淬，然后在温度600％一610％回火， 强度与韧性良好。按照我国钢号编制方法，可以将该钢 可以达到性能要求。 表4钻杆接头用钢35CrMnMO成分 2钻杆管体用钢 刘剑辉、朱荣、易操等介绍了衡阳华菱钢管有限公 司开发的S135钻杆管体钢种26CrMoNbTiBlLl ，纯净度 很高，其化学成分中C：0．24～0．29、Si=0．15—0．35、 Mn=0．40～0．65、Cr=0．95—1．15、Mo：0．38～0．52、Nb =0．020—0．050、Ti=0．010～0．040、B=0。0 005— 0．0 020、S≤0．010、P≤0．015。曹建军、陈明等研究了衡 阳华菱钢管有限公司开发的S135钻杆管体钢种 26CrMoNbTiB的热处理工艺¨ ，试样化学成分质量百分 含量为C=0．26、Si=0．26、Mn=0．49、Cr=1．00、Mo= 0，40、S=0．007、P=0．007、Nb=0．030、Ti=0．022、B= 0．002、Cu=0．10、Ni=0．06。连铸坯直径O140 mill，成 品管材规格为 127×9．19 mm，研究表明随着回火温度 的升高，试样的屈服强度、抗拉强度和硬度值显著降低， 延伸率和冲击功值显著升高。相对而言，淬火温度和淬 火保温时间对性能没有明显的影响；用这种钢制造的 S135钻杆的最佳热处理工艺为淬火温度900℃，保温 30 min，回火温度590℃，保温60 min。力学性能达到拉 伸强度 为1111 MPa，屈服强度为 。为1 037 MPa，延 伸率20．5％，冲击功 为81．8 J，硬度HB338。 陈亚平、李义河等介绍了新余新钢特殊钢有限公司 开发了钻杆用钢26CrMo20[12]，按照我国钢种编号方 法，其化学成分中C：0．24—0．28、Si=0．20～0．35、Mn =1．00～1．20、Cr=1．95～1．20、Mo=0．18～0．22、Nb= 0 020—0．050、B≤0．005、S≤0．007、P≤0．015、As≤ 0，02、Sn≤0．01。该钢采用EBT电弧炉冶炼一LF炉精 炼一VD炉真空处理一连铸生产(I)150 mm圆坯。圆坯一 般疏松0．5级、中心疏松1．0—1．5级、偏析0．5级。龚 源研究了渤海石油装备(天津)中成机械制造公司的钻 杆用钢28CrMo47_1 ，这是德国钢种，作者曾冶炼并水平 连铸了规格为西130 mm的管坯，然后轧出 88．9×9．35 Inm的钻杆钢管，其化学成分中C=0．25～0．31、Si= 0．20～0．35、Mn=0．70～1．10、Cr=0．95—1．45、Mo= 0．60～0．75、S≤0．010、P≤0．010、Cu≤0．02。淬火温度 为900~C，淬火保温时间30 rain，进行水淬，如果回火温 度为650℃、回火保温时间40 rain时，强度可以达到 G105钻杆要求；如果回火温度为590℃、回火保温时问 40 rain时，强度可以达到$135钻杆要求。渤海石油装备 制造有限公司第一机械厂的钱强、曹贵贞、刘聪试验了 天津某公司制造的G105钻杆用钢26CrMo4s／2的热处理 工艺¨ ，这种德国钢材化学成分中C=0．24～0．30、Si= 0．20～0．35、Mn=1．05～1．20、Cr=0．80～1．00、Mo= 0．15～0．20、S≤0．008、P≤0．015、Cu≤0．02。。试样为 127×9．19 mm的钻杆管体，在管端加厚成形完成后进 行热处理，采用热膨胀法测量的相变点Ac 为695％，Ac 为820oC，采用蓄热式步进连续热处理炉，淬火机采用内 喷外淋形式的台架式淬火机，淬火温度905~C±10℃。加 热60 min，回火加热86 rain，试验表明当回火温度低于 600℃屈服强度均处于较高水平，且变化较稳定，当回 火温度超过620时屈服强度有明显的下降趋势，回火温 度超过600“C时管体夏比冲击吸收功大于100 J。解德 刚、王长顺等研究了鞍钢股份有限公司热轧中碳Mn—Cr —Mo合金系G105＼SS105 127 mIi1×9．19 mm钻杆钢管 热处理参数¨ ，钢的化学成分和钢中有害元素的量(质 ·36· 石油管材与仪器 PETROLEUM TUBULAR GooDS&INSTRUMENTS 2015年4月 量分数，％)为：C=0．27、Si=0．22、=Mn 1．15、Cr= 0．84、Mo=0．16、P=0．01、S=0．003、Sn<0．0005、As =0．00079、Sb<0．0005、Pb<0．000 5、Bi<0．000 5、0= 0．0018、H=0．000089、N=0．0034。各类夹杂物均未超 过0．5级。采用3元2次回归正交试验方案，将钢的淬 火保温时间固定为30 min、淬火介质均采用相同条件的 自来水，所选试验钢对强韧性能影响最显著的热处理参 数为回火温度，回火温度对强韧性影响的规律符合中碳 低合金钢调质处理对性能影响的一般规律。试验钢在 淬火温度870℃一940℃、抗拉强度、屈服强度与回火温 度均呈线性关系，即随回火温度由580~C升高到680℃， 抗拉强度、屈服强度递减；而冲击韧性与回火温度的关 系模型为开口向上的抛物线，经计算585~C为抛物线的 理论最低点，随回火温度从580~C升高到670~C，冲击功 值逐渐提高，且提高的速率在逐渐增大。回火温度 580~C～600℃时，试验钢具有较高的强度和较好韧性 匹配。 本文作者统计分析了近几年经手的近30次钻杆失 效分析案例，15根G105钢级钻杆管体中l2根的成分在 表5范围内，按照我国钢号编制方法，这种钢可以命名为 26MnCrMo，由于与德国钢种26CrMo4s／2成分基本相同， 所以26MnCrMo的热处理工艺可以与前文所述德国钢种 26CrMo4s／2相同。15根G105钢级钻杆管体中，只有个 别G105钢级钻杆管体成分范围为C=0．24～0．28、 Si0．20—0．35、Mn=0．60～0．90、Cr=1．00～1．20、Mo= 0．13～0．20、S≤0．005、P≤0．02，按照我国钢号编制方 法，可以命名为26CrMo。 14根S135钢级钻杆管体中，7根成分在表6范围 内，按照我国钢号编制方法，这种钢可以命名为 26CrMnMo，由于成分与德国钢种28CrMo47相似，所以 26CrMnMo热处理工艺可以参考前文所述的德国钢种 28CrMo47。另外7根S135钢级钻杆管体成分在表7范 围内，按照我国钢号编制方法，可以命名为26MnMoV。 表5 G105钢级钻杆管体钢种26MnCrMo成分 3 结 论 参考文献 当前钻杆接头用钢除了少量的36CrNiMo钢外，大多 数采用35CrMnMo钢，该钢在温度870~C一880~C加热后 进行水淬，然后在温度600~C一610~C回火，可以达到性 能要求。36CrNiMo钢淬火加热温度为860℃～880~C，淬 火介质是油，回火温度540％～650~C，出回火炉后水冷。 当前G105钢级钻杆管体用钢大多数是26MnCrMo 钢。该钢相变点Ael为695~C，At3为820~C，淬火加热 温度为905％4-10％，在温度580~t2～600oC回火时，具有 较高的强度和较好韧性匹配。 当前S135钢级钻杆管体用钢基本有两种，主要是 26CrMnMo，少量是26MnMoV，预计26CrMnMo钢在温度 900~C加热进行水淬，然后在温度590~C回火，性能可以 达到S135钢级要求。 [1]刘麒麟．冶炼工艺对36CrNiMo4钻杆用钢冲击功影响[J]． 宝钢技术，2004，(1)．29—32。 [2]毛信孚，傅莉，尚高锋．S135钻杆的摩擦焊接、热处理对 其组织与性能的影响【】]．航空材料学报，2004，24(1)： 57—59． [3]刘建群．石油钻杆接头热处理工艺技术探索[J]．大庆师范 学院学报，2006，26(2)：30—33． 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