[發明專利]一種超高強度超高韌性鉆桿接頭及其制造方法

有效

• 申請號: 201610367820.3
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN105861932B
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 趙鵬;于杰;劉麒麟
• 申請（專利權）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: C22C38/04
• 分類號: C22C38/04;C22C38/18;C22C38/12;C22C38/02;C21D1/18;C21C7/04;C21C7/10;E21B17/02
• 代理公司: 上海東信專利商標事務所(普通合伙)31228
• 代理人: 楊丹莉,李丹

技術領域

本發明涉及一種鉆桿接頭及其制造方法，尤其涉及一種超高強度超高韌性鉆桿接頭及其制造方法。

背景技術

用于石油天然氣鉆探的鉆桿是按API標準生產制造的。根據API SPEC 5DP標準，鉆桿有E、X、G、S四種鋼級，分別對應75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四種強度。與上述四種鋼級摩擦對焊的鉆桿接頭僅有120ksi一種鋼級。此外，為了保證鉆桿接頭的沖擊性能，API SPEC 5DP規定了鉆桿接頭室溫縱向全尺寸沖擊功≥54J。

隨著石油工業的發展，鉆桿的服役條件日趨惡劣，API標準鉆桿已不能滿足日益苛刻的鉆井作業要求。近年來，隨著深井超深井的不斷開發，對鉆桿的性能提出了更高要求。特別是隨著超深井技術的不斷發展，即使是S級鉆桿也不能滿足井深的要求，因此能滿足8000米超深井要求的150ksi、165ksi鋼級超高強度鉆桿應運而生。但是，API標準的120ksi鋼級鉆桿接頭在強度上無法與150ksi、165ksi鋼級管體相匹配，必須采用135ksi鋼級的超高強度鉆桿接頭。

超深井的鉆井實踐表明，不僅要求鉆桿接頭材料有較高的強度水平，而且要有充足的韌性儲備。只有這樣才能抵御過載操作中的強拉、強扭、沖擊振動以及各種交變載荷作用，并能適應各種特殊工作條件對鉆桿的使用要求。因此，API SPEC 5DP標準中規定的室溫縱向全尺寸沖擊功≥54J的要求已無法滿足日益苛刻的鉆井作業要求。

然而現有技術的現狀是，用于鉆桿接頭的鋼種為4137H，采用該鋼種可生產出135ksi鋼級鉆桿接頭，沖擊韌性滿足室溫縱向全尺寸沖擊功≥54J的要求，但在達到135ksi鋼級的超高強度條件下，還無法滿足-20℃縱向全尺寸沖擊功≥100J的性能要求。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種超高強度超高韌性鉆桿接頭，該鉆桿接頭不僅強度達到135ksi鋼級的超高強度條件，同時還滿足-20℃縱向全尺寸沖擊功≥100J的性能要求，從而具有超高韌性，以滿足深井超深井、水平井、大位移井等高難度苛刻井的鉆探要求。

為了實現上述目的，本發明提出了一種超高強度超高韌性鉆桿接頭，其化學元素質量含量為：

C：0.33～0.40％；

Si：0.1～0.5％；

Mn：0.7～1.5％；

Cr：0.7～1.5％；

Mo：0.82～0.98％；

V：0.01～0.10％；

Nb：0.01～0.05％；

P≤0.015％；

S≤0.005％；

其余為Fe和不可避免的雜質；

其中，所述超高強度超高韌性鉆桿接頭的微觀組織中含有碳化物顆粒，且碳化物顆粒的尺寸≤0.5μm，所述碳化物顆粒的單位面積百分數量為5～20％。

本發明所述的超高強度超高韌性鉆桿接頭中的各化學元素的設計原理為：

C：C為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度，太低時效果不明顯，太高時會大大降低鋼的韌性，并有可能產生淬火裂紋，因此，所述鉆桿接頭中C含量控制為0.33～0.40％。

Si：Si為提高澆鑄性能必須加入的元素，含量過高會增加鋼的脆性，因此，所述鉆桿接頭中Si含量控制為0.1～0.5％。

Mn：Mn為奧氏體形成元素，通過穩定奧氏體組織，推遲高溫冷卻過程中奧氏體向鐵素體和貝氏體的轉變，從而得到更多的淬火馬氏體，提高鋼的淬透性。Mn含量小于0.7％時提高淬透性的作用不明顯，若Mn含量過高，則奧氏體過于穩定，會增加淬火后的殘余奧氏體量。因此，所述鉆桿接頭中Mn含量控制為0.7～1.5％。

Cr：Cr為碳化物形成元素，可以提高鋼的強度和淬透性，太低時效果不明顯，太高時會大大提高鋼的硬度。因此，所述鉆桿接頭中Cr含量控制為0.7～1.5％。

Mo：Mo的碳化物顆粒細小，不會造成微觀組織結構的應力集中，有利于提高沖擊韌性。鋼的強度和回火穩定性主要通過碳化物析出強化及固溶強化形式來提高。較高的Mo含量在形成Mo的碳化物同時，還會有一部分多余的Mo固溶在基體中，以固溶強化的形式提高鋼的回火穩定性。回火穩定性的提高有利于提高回火溫度，從而降低熱處理后的殘余應力，提高沖擊韌性。因此，所述鉆桿接頭中Mo含量控制為0.82～0.98％。

V：V能夠細化晶粒，形成碳化物，提高鋼的強度和韌性。但含量達到一定量時，其效果增加便不明顯，同時因為價格很高，因此，所述鉆桿接頭中V含量控制為0.01～0.10％。