[發明專利]無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼及其制造方法

有效

• 申請號: 201611250188.0
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106702290B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 屈華鵬;郎宇平;陳海濤
• 申請（專利權）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號: C22C38/58
• 分類號: C22C38/58;C22C38/02;C22C38/44;C21D8/06;C21D6/00
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司11207
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于不銹鋼材料技術領域，特別是涉及一種無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼及其制造方法。

背景技術

無磁鉆鋌是當今國內外高精度、高深度陸地和海洋油氣鉆采的重要部件。一般而言，鉆鋌是鉆采部件中鉆柱的主要組成部分之一，具有向鉆頭提供鉆進的壓力以及提高鉆柱剛性的作用。目前無磁鉆鋌則是由相對磁導率很低(＜0.01)的不銹鋼材料制造的中空厚壁管材，為隨鉆測量(Measure while drilling，MWD)儀器設備的正常工作提供磁屏蔽的環境，保證對鉆探方向進行實時修正。同時與旋轉導向系統(Rotary steering system，RSS)聯動，實現全井段定向鉆進，并可以實時、精確調整井眼軌跡。除極低的磁導率要求外，無磁鉆鋌材料的主要性能指標是強度和耐蝕性能，以及兼顧經濟性。

從上世紀30年代至今，無磁鉆鋌用材料經歷了300系不銹鋼、蒙乃爾合金、含氮奧氏體不銹鋼等幾代的發展，其取舍的原則一直圍繞著產品力學性能、耐蝕性能和原材料以及生產成本的控制。最早使用的無磁鉆鋌材料中，300系不銹鋼的原材料成本較低，但其力學性能如室溫和高溫強度、硬度、耐磨性等較差，產品壽命較短。后來為了保證足夠的耐蝕性能并延長單支鉆鋌的服役壽命，在工況條件較為苛刻的環境下采用了成本極高的蒙乃爾合金(Ni-Cu合金)材料。由于該材料原材料成本和制造成本都非常高，因此并未獲得大規模發展。

從上世紀60年代以來，隨著奧氏體不銹鋼中N合金化科學和技術的不斷發展，以及含N不銹鋼的冶煉和制備技術水平的提高，Cr-Mn-N系奧氏體無磁不銹鋼因其相對極低的原材料成本和優良的力學性能、耐蝕性能很快替代了傳統的300系不銹鋼和蒙乃爾合金材料，成為世界上用于制造高性能無磁鉆鋌產品的主流材料。多年來，隨著陸地和海洋油氣資源鉆采對材料性能要求的不斷提高，該類型不銹鋼的成分體系設計理念不斷進步，其耐腐蝕性能、力學性能顯著提高。其主要的合金元素為Cr、Mn、N，另外某些體系還含有少量的Mo和Ni，主要經歷了以下幾代合金體系的發展：

1)Mn、N部分代Ni的Cr-Mn-Ni-N不銹鋼

第一代無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼中以Mn和N元素部分取代了Ni元素作為奧氏體穩定元素，用來降低原材料成本。同時N元素作為固溶強化元素可以有效提高不銹鋼的強度，同時不顯著損害其塑性和韌性，每加入0.1％的N元素可提高奧氏體不銹鋼約60-100MPa的室溫強度。N元素的加入也可以提高不銹鋼的抗高溫蠕變、疲勞和耐磨損性能。由于受到當時材料設計手段、N合金化手段和工業化冶煉制備技術的限制，為了保證足夠的奧氏體熱加工窗口和成品材料的奧氏體穩定性，保留了一定含量的Ni元素。這一代的無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼材料具備了良好的力學性能和耐蝕性能，同時也具有極低的相對磁導率，滿足了當時油氣鉆采領域的需求。

2)無Ni的Cr-Mn-N不銹鋼

隨著N合金化技術的發展以及對原材料成本的嚴格控制，無磁鉆鋌用高氮奧氏體不銹鋼體系中的Ni元素全部被Mn元素和N元素取代，形成了無Ni的Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼材料，其具有更高的室溫和高溫力學性能以及極低的相對磁導率。由于成本更低，該材料生產的無磁鉆鋌產品具有更強的市場競爭力。然而Mn元素的升高導致材料耐局部腐蝕性能降低，同時導致材料冶煉純凈度的下降。N含量的過度增加會導致奧氏體不銹鋼低溫韌性的惡化，在低溫下即可出現韌性-脆性的轉變，對較低溫度下材料的服役性能不利。同時由于Mn、N元素全部代Ni元素后奧氏體穩定性的下降，體系中的Cr元素含量被限制在較低的水平，這進一步導致了材料耐局部腐蝕性能的下降。

3)含Mo、Ni的Cr-Mn-Ni-Mo-N不銹鋼

隨著含硫化氫、二氧化碳等酸性介質的油氣鉆采服役環境日趨苛刻，為了解決材料耐局部腐蝕性能的下降的問題，在上一代無Ni高N奧氏體不銹鋼的成分基礎上，形成了含Mo元素、Ni元素的新型高氮奧氏體不銹鋼材料。Mo元素提高不銹鋼耐局部腐蝕性能的能力是Cr元素的三倍以上。Mo元素的加入顯著提高該型不銹鋼在還原性介質如硫酸、磷酸以及一些有機酸或尿素環境中的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，對強度的影響作用不顯著。相反，Mo元素的加入會導致某些脆性析出物如sigma相或chi相的形成，嚴重惡化不銹鋼的塑性和韌性，因此Mo元素的含量被控制在合理水平。同時為了平衡Mo元素帶來的強烈的鐵素體穩定化傾向，在該合金體系中還加入了適量的Ni元素。這些合金元素的成分調整使材料具備了良好的力學性能和耐蝕性能。

發明內容