一種高強(qiáng)韌160鋼級(jí)鉆桿材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鉆桿材料領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)韌160鋼級(jí)鉆桿材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆柱是石油工業(yè)中不可替代的高科技含量的工具，被廣泛用于石油開(kāi)采、地質(zhì)勘 探和深井開(kāi)挖等地下深層作業(yè)。鉆柱通常包括：鉆頭、鉆鋌、鉆桿、穩(wěn)定器、專用接頭及方鉆 桿。其中，鉆桿是鉆柱的基本組成部分，主要用于傳遞扭矩、輸送鉆井液以及在鉆井過(guò)程中 通過(guò)鉆桿的不斷連接來(lái)達(dá)到不斷加深井眼的目的。因此，在油井開(kāi)發(fā)中，要求鉆桿必須能夠 承受巨大的內(nèi)外壓、扭曲力和彎曲力等。目前，在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了提高鉆桿材料 的強(qiáng)度，高強(qiáng)度的160鋼級(jí)鉆桿材料正在被逐步開(kāi)發(fā)使用。
[0003] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題：
[0004] 鉆桿在使用過(guò)程中，由于受到各種外力的反復(fù)作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞，從而帶來(lái)鉆桿甚 至鉆柱的疲勞破壞，即鉆桿或鉆柱失效。目前在日益嚴(yán)酷的石油開(kāi)發(fā)環(huán)境中，石油鉆桿材料 的疲勞壽命低，鉆桿失效事故發(fā)生率高，嚴(yán)重影響了材料在石油鉆桿生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中160鋼級(jí)鉆桿材料疲勞壽命低的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種高強(qiáng)韌160鋼級(jí)鉆桿材料及其制備方法。所述技術(shù)方案如下 ：
[0006] -方面，本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌160鋼級(jí)鉆桿材料，所述材料的化學(xué)成分及質(zhì) 量百分比含量為：C(碳）：0? 25% ~0? 30%，Cr(鉻）：1. 2% ~1. 5%，Ni(鎳）：0? 5% ~1. 0%，Mn (錳）：0? 5% ~1. 0%，Mo(鑰）：1. 0% ~1. 4%，Si(硅）：0? 2% ~0? 3%，Ce(鈰）：0? 5% ~0? 7%， Nb(鈮）：0? 03%~0? 06%，V(釩）:0? 01%~0? 08%，余量為Fe(鐵）和不可避免的雜質(zhì)，所述 不可避免的雜質(zhì)中，S(硫)、P(磷)、A1 (鋁）的質(zhì)量百分比為：S:彡0? 006%，P:彡0? 008%， AK0? 06%。
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案是：所述材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比含量為：C : 0? 25% ~0? 28%，Cr: 1. 3% ~1. 4%，Ni:0? 9% ~1. 0%，Mn:0? 8% ~1. 0%，Mo: 1. 2% ~1. 4%，Si: 0? 25% ~0? 3%，Ce:0? 5% ~0? 7%，Nb:0? 04% ~0? 05%，V:0? 03% ~0? 06%，余量為Fe和不可 避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S:彡0.006%，P:彡0.008%， A1 :彡 0? 06%。
[0008] 更優(yōu)選的一個(gè)技術(shù)方案是：所述材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比含量為：C:0. 25%， Cr:1. 35%，Ni:0? 9%，Mn:1. 0%，Mo:1. 3%，Si:0? 25%，Ce:0? 5%，Nb:0? 05%，V:0? 06%，余量為 Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S0.003%，P: 彡 0. 008%A1 :彡 0. 06%。
[0009] 另一個(gè)更優(yōu)選的技術(shù)方案是：所述材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比含量為：C: 0. 28%,Cr：1. 3%,Ni：1. 0%,Mn：0. 9%,Mo：1. 3%,Si：0. 30%,Ce：0. 7%,Nb：0. 04%,V：0. 04%, 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S: 彡 0? 005%，P:彡 0? 008%，A1 :彡 0? 03%。
[0010] 還有一個(gè)更優(yōu)選的技術(shù)方案是：所述材料的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比含量為：C: 0. 27%,Cr：1. 4%,Ni：0. 9%,Mn：0. 8%,Mo：1. 4%,Si：0. 3%,Ce：0. 65%,Nb：0. 045%,V：0. 05%, 余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，所述不可避免的雜質(zhì)中，S、P、A1的質(zhì)量百分比為：S: 彡 0? 003%，P:彡 0? 008%，A1 :彡 0? 02%。
[0011] 本發(fā)明中所述材料的化學(xué)成分及其質(zhì)量百分比的設(shè)計(jì)原理如下。
[0012] 在深井施工過(guò)程中，鉆桿承受的應(yīng)力非常復(fù)雜，包括拉、壓、彎、扭、剪切及其復(fù)合 和受變載荷等，容易引起鉆桿的疲勞破壞；同時(shí)，深井施工中，對(duì)鉆柱的轉(zhuǎn)速要求很_，而鉆 速過(guò)快會(huì)增大應(yīng)力交變頻率，從而減少鉆桿的疲勞壽命；另外，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，當(dāng)轉(zhuǎn)速 與鉆柱固有頻率重合時(shí)，鉆柱便發(fā)生共振，當(dāng)共振發(fā)生時(shí)無(wú)論鉆桿新舊都會(huì)很快疲勞。因 此，目前在深井施工過(guò)程中，鉆桿失效的事故越來(lái)越多。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，每年鉆柱失效的事 故有1000例左右，其中由于鉆桿失效引起鉆柱失效的事故占鉆柱失效事故的50%~60%。
[0013] 現(xiàn)有的理論、實(shí)驗(yàn)以及生產(chǎn)實(shí)踐都表明，材料在交變載荷下疲勞破壞過(guò)程主要有 兩個(gè)步驟，一是疲勞裂紋的萌生，二是疲勞裂紋的擴(kuò)展。疲勞裂紋萌生過(guò)程的時(shí)間占了整個(gè) 疲勞破壞過(guò)程總時(shí)間的80%。如果能把疲勞裂紋的萌生時(shí)間變得足夠長(zhǎng)，就可以很大程度上 提_材料的抗疲勞破壞的能力。根據(jù)目如最新的關(guān)于材料疲勞壽命的理論，認(rèn)為材料的疲 勞裂紋源的萌生過(guò)程是損傷累積的過(guò)程。在此過(guò)程中，首先是形成疲勞短裂紋，短裂紋聚合 最終形成疲勞裂紋源。根據(jù)最新的研究成果，在一定的能量輸入的情況下，疲勞短裂紋的長(zhǎng) 度集中在材料的晶粒尺寸附近，疲勞短裂紋的長(zhǎng)度只有在增大輸入能量的情況下，才可能 繼續(xù)長(zhǎng)大至兩個(gè)晶粒尺寸大小。理由是在這個(gè)過(guò)程中，晶界使得裂紋擴(kuò)展受到阻礙。而這 些短裂紋的持續(xù)增加和聚合，最終形成大的裂紋，成為疲勞裂紋源，加速擴(kuò)展。所以，認(rèn)為晶 粒尺寸對(duì)材料的抗疲勞性能影響很大，晶粒尺寸越小，抗疲勞性能越好。另外，疲勞裂紋最 主要的萌生處是材料中的第二相和加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，因此，在材料的制造和熱 處理過(guò)程中，盡可能使材料中的第二相粒子小，并成球狀，以減少其表面能，并盡可能的避 免產(chǎn)生表面缺陷。
[0014] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)添加稀土元素Ce并控制其他化學(xué)成分的 含量，即調(diào)整160鋼級(jí)鉆桿材料的配方來(lái)細(xì)化晶粒，使第二相粒子成球狀，從而提高所述鉆 桿材料的強(qiáng)韌性匹配，提高材料的抗疲勞性能，延長(zhǎng)疲勞壽命。
[0015] 具體解釋如下：
[0016] 本發(fā)明實(shí)施例中C是奧氏體形成元素，含有C可以起到減少同樣是奧氏體形成元 素的Ni的用量的效果，但C含量太低時(shí)上述效果不明顯，也有損材料的強(qiáng)度，C也為碳化 物形成元素，含有C可以提高鋼的強(qiáng)度，但是高含量C容易形成含Cr顆粒粗大的M23C6型 碳化物，降低鋼的抗SSC性能和沖擊韌性。為兼顧強(qiáng)度與韌性，本發(fā)明C添加量為0. 25~ 0? 30%。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施例中Mn成本較低，具有提高淬透性及通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鐵素體強(qiáng)度 的作用。然而Mn含量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致錳合金滲碳體過(guò)多的分布在晶界，降低材料韌性。
[0018] 本發(fā)明實(shí)施例中添加了稀土元素Ce。稀土元素Ce可凈化鋼液，減少P在晶界上的 偏析，消除了Fe3P弱化晶界的有害作用，強(qiáng)化晶界狀態(tài)，同時(shí)形成球形硫氧化物。該化合物 硬度高于MnS，在軋制時(shí)不會(huì)沿軋制方向呈長(zhǎng)條狀分布，避免了應(yīng)力集中，提高強(qiáng)度、韌性和 疲勞強(qiáng)度。稀土元素Ce同時(shí)可促進(jìn)固溶于奧氏體區(qū)的微合金元素在鐵素體區(qū)析出，提高了 微合金元素的利用率。稀土元素Ce的微合金化機(jī)制對(duì)鉆桿材料的力學(xué)性能有一定的影響， 提高鉆桿用鋼的純凈度，把P、S、0、N等有害元素含量降至最低。此外，稀土元素Ce的加入 使夾雜物呈球形，進(jìn)一步彌散細(xì)小分部；多合金化合物彌散析出，有效的阻止了疲勞裂紋的 萌生及擴(kuò)展。
[0019] 本發(fā)明實(shí)施例中Nb在奧氏體區(qū)析出細(xì)小碳化物，通過(guò)晶界釘扎效應(yīng)限制晶粒長(zhǎng) 大，細(xì)化晶粒，同時(shí)在再結(jié)晶區(qū)固溶的Nb可提高再結(jié)晶溫度及晶粒粗化溫度，有利于通過(guò) 控軋使晶粒變形然后再結(jié)晶為細(xì)小的晶粒。同時(shí)細(xì)小碳化物的析出也有利于提高鋼的強(qiáng) 度。Nb通過(guò)微合金化提高強(qiáng)韌性的效果是最強(qiáng)的，同時(shí)有效提高強(qiáng)度160Mpa。同時(shí)稀土元 素Ce和Nb聯(lián)合慘雜可以明顯提商N(yùn)b碳化物的析出量，減小碳化物尺寸，有利于提商晶粒 細(xì)化和彌散強(qiáng)化的效果。
[0020] 另一方面，本發(fā)明提供了一種上述高強(qiáng)韌160鋼級(jí)鉆桿材料的制備方法，所述材 料的制備方法