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CN115354234B - 一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法 Download PDF

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CN115354234B CN202211141631.6A CN202211141631A CN115354234B CN 115354234 B CN115354234 B CN 115354234B CN 202211141631 A CN202211141631 A CN 202211141631A CN 115354234 B CN115354234 B CN 115354234B
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Abstract

本发明公开了一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；管坯加热：管坯加热温度1180℃~1290℃；穿孔：穿孔温度为1170~1280℃，获得毛管；冷却：将毛管冷却至350℃~500℃；再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为860℃~960℃；张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度≥820℃，张减终轧温度为850℃~900℃；轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.1℃/s~3℃/s之间，钢管冷却到600‑500℃后，冷却速率控制在0.2‑2℃/s，后热轧管进行回火，回火温度250℃~500℃。通过该方法提高了钢管的力学性能，耐磨性也比较好，能够保证其用于非调质非开挖钻杆上，并且简化了工艺方法，降低了生产成本。

Description

一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法。
背景技术
目前，钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用；现有技术的钻杆用钢管的生产大体分为成型焊接法、挤压法和锻造法，其中，成型焊接法是将铸坯经多道吃工序轧成带材，纵剪分条处理，然后在成型焊管机上进行成型焊接，这种方法生产成本低，但是成品有焊缝，使用范围有限；锻造法如公开号为CN106269981A中披露的一种适用于钻杆料的钛合金无缝管的生产方法中就披露了一种锻造法得到钻杆料的钛合金无缝管的方式，工艺过程比较繁琐；挤压法是将铸坯送入轧机进行轧制得到成品，过程中需要调质热处理工序、淬火工序、退火工序等，淬火工序中会带来管件的变形、氧化和脱碳等热处理缺陷，力学性能也不够，譬如公开号为CN105018836A的中国专利披露的一种旋挖钻机钻杆用精密无缝钢管的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，通过该方法提高了钢管的力学性能，能够保证其用于非调质非开挖钻杆上，并且简化了工艺方法，降低了生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.08％～0.30％，Si：0.35％～0.80％，Mn：2.50％～3.0％，Cr：0.05％～1.2％，Ni：0.1％～0.5％，Mo：0.01％～1.0％，Cu：0.05％～0.6％，Al：0.01％～0.10％，Nb：0.01％～1.0％，V：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.005％,其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1180℃～1290℃；
穿孔：穿孔温度为1170～1280℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至350℃～500℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为860℃～960℃；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度≥820℃，张减终轧温度为770℃～900℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.1℃/s～3℃/s之间，钢管冷却到600-500℃后，冷却速率控制在0.2-2℃/s；
回火:空冷后的钢管进行回火，回火温度250℃～500℃。
进一步，管坯加热中，加热时间为1～4小时。
进一步，再加热中，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.2-1h。
进一步，制成的无缝钢管的力学性能如下：屈服强度≥900MPa，屈强比≥0.85，室温全尺寸冲击功KV8≥50J。
进一步，在管坯加热中，管坯加热温度为1265℃～1285℃。
进一步，张减步骤中，张减开轧温度为860℃～940℃。
进一步，回火步骤中，回火时间90min～120min。
本发明还提供了一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管，钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.08％～0.30％，Si：0.35％～0.80％，Mn：2.50％～3.0％，Cr：0.05％～1.2％，Ni：0.1％～0.5％，Mo：0.01％～1.0％，Cu：0.05％～0.6％，Al：0.01％～0.10％，Nb：0.01％～1.0％，V：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.005％,其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，钢管由以上方法制备得到。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、对比调质态钻杆产品，本发明制备的非调质非开挖钻杆用无缝钢管通过成分以及方法中具体的控轧控冷工艺，在保证产品力学性能满足要求的前提下，省去了调质热处理工序，而且也避免了淬火工艺中的变形、氧化和脱碳等热处理缺陷，降低了生产成本，满足很大一部分无热处理的客户；
2、通过本发明方法制备得到的非调质非开挖钻杆用无缝钢管力学性能：屈服强度≥900MPa，韧性较好，屈强比≥0.85，室温全尺寸KV8≥50J，产品耐磨性较优；
3、通过方法中的控轧控冷确保，非调质非开挖钻杆用无缝钢管主要为贝氏体组织，贝氏体相比例为90％以上，并且粒状贝氏体占比70％以上。
附图说明
图1为本发明的实施例一的非调质非开挖钻杆用无缝钢管的金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管，钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.08％～0.30％，Si：0.35％～0.80％，Mn：2.50％～3.0％，Cr：0.05％～1.2％，Ni：0.1％～0.5％，Mo：0.01％～1.0％，Cu：0.05％～0.6％，Al：0.01％～0.10％，Nb：0.01％～1.0％，V：0.01％～1.0％，B：0.001％～0.005％,其余为Fe和不可避免的杂质。
在本发明中，C：是间隙固溶强化，决定材料硬度和韧性的元素，也是稳定奥氏体的有效元素，碳含量的增加，钢的强度和硬度提高，但是韧性降低，且焊接性能降低，因此限定C的含量0.08％～0.30％。
Si：以固溶的形式存在于铁素体或奥氏体中，具有较强的固溶强化及冷加工变形硬化能力，还具有良好的脱氧能力，可提高钢的强度和耐磨性。Si能与钢中的Cr、Mn、C等合金元素配合增加钢的淬透性。但是Si过高，会使残余奥氏体增加，产品强度降低，因此Si含量限定在0.35～0.8％；
Mn：在一定范围内添加，可以起到很好的强化作用，提高材料的强度、硬度和耐磨性，也是强烈稳定奥氏体的合金元素之一，可以有效的降低奥氏体分解的速度，提高钢的淬透性，促使贝氏体转变发生在更低的温度，细化贝氏体组织，最终达到提高钢的强度和韧性的作用。当Mn含量在2.5～3.0％时，与B配合，可以突出贝氏体转变区，在较大冷速范围内空冷获得贝氏体钢。但是Mn元素过高会增加钢的过热敏感性，在稍有过热的情况下，晶粒度就发生粗化，增加回火脆性，因此本发明Mn含量限定在2.5～3.0％；
Cr：加铬元素有助于增加奥氏体稳定性，降低贝氏体转变温度，从而细化钢中的贝氏体组织，含量过高会增加钢的回火脆性，因此Cr含量限定在0.05％～1.2％；
V：通过形成碳和氮的钒化物来影响钢的组织和性能，V(C，N)在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在钢中起到了细化晶粒的作用，可提高钢的强度和韧性。同时，V含量过高使得以V的碳氧化物为形核质点的形变诱导铁素体含量增加，从而是钢的硬度明显降低，因此V的含量不超过1.0％；
Nb:铌是一种常用的第二相强化作用元素，能够通过析出有效提高钢材性能，同时形成的碳化物或氮化物析出相可以有效阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒，并起到阻碍位错运动作用，提高贝氏体钢的性能。本发明研究发现，Nb需添加0.01％以上，才能获得效果。
Ni：可降低Bs温度(贝氏体形成的上限温度)，转变温度越低，位错密度及碳化物的弥散度越大，碳的固溶强化也越大，则贝氏体的强度越高；
Mo：阻止奥氏体晶粒长大，提高材料的淬透性，提高钢的强度、硬度及耐磨性，同时Mo在钢中具有固溶强化作用，能防止或减轻钢的回火脆性倾向，细化组织，提高材料的韧性和均匀性。Mo限定在：0.01％～1.0％
B：微量的硼可使铁素体转变曲线大大右移，有利于空冷得到全贝氏体，同时硼在钢中增加钢的耐磨性。但是B在熔炼时不易控制，容易形成硼化物偏聚在晶界，降低钢的韧性。B含量超过0.005％时，易析出粗大的硼化物，引起硼脆，因此B成分含量限定在0.001～0.005％。
Al：Al是钢脱氧所必须的元素，因此无法完全避免带入，但是Al的质量百分比超过0.1％后，会使贝氏体钢组织粗化，导致强度和伸长率同时下降，因此Al含量限制在0.01～0.10％。
该非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；
管坯加热：管坯加热温度1180℃～1290℃；
穿孔：穿孔温度为1170～1280℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至350℃～500℃，此温度范围为贝氏体转变温区，实现贝氏体转变，后续进行再加热，可实现奥氏体再结晶，细化晶粒；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为860℃～960℃，可实现奥氏体再结晶，细化晶粒；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度≥820℃，张减终轧温度为770℃～900℃，使终轧组织为全奥氏体组织；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.1℃/s～3℃/s之间，钢管冷却到600～500℃后，在贝氏体转变温区，冷却速率控制在0.2-2℃/s，此冷速下冷却有利于使产品组织主要为粒状贝氏体，且组织中的残余奥氏体稳定性增加；
回火：空冷后的钢管进行低温回火，回火温度250℃～500℃，回火时间90min～120min；此步骤，使组织中的残余奥氏体中的少数低碳部分发生转变，向相邻较富碳的部分进行排碳，使其获得更多的碳原子，从而使机械性能的稳定性得到提高，屈强比提升。
进一步，管坯加热中，加热时间为1～4小时，只有经历长时间的保温或继续加热，让碳原子急性充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体，但加热时间也不宜过长，防止过烧，晶粒粗大等，控制在1～4小时为宜。
进一步，再加热中，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.2-1h。
进一步，制成的无缝钢管的力学性能如下：屈服强度≥900MPa，屈强比≥0.85，室温全尺寸冲击功KV8≥50J。
进一步，在管坯加热中，管坯加热温度为1265℃～1285℃。
进一步，张减步骤中，张减开轧温度为860℃～940℃。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.11％，Si：0.37％，Mn：2.75％，Cr：0.2％，Ni：0.15％，Mo：0.72％，Cu：0.25％，Al：0.01％，Nb：0.02％，V：0.08％，B：0.0043％，P：0.010％；S：0.006％；其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1260±10℃，加热时间为2.5小时；
穿孔：穿孔温度为1220±10℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至350℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为940±10℃，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.3h；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度920℃，张减终轧温度为880℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.8～1.2℃/s，钢管冷却到550℃后，冷却速率控制在0.65℃/s；
低温回火：热轧管进行低温回火，回火温度360℃，时间110min。
本实施例制备得到的非调质非开挖钻杆用无缝钢管的金相组织图如图1所示。
实施例二
一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.26％，Si：0.58％，Mn：2.51％，Cr：0.6％，Ni：0.1％，Mo：0.38％，Cu：0.54％，Al：0.05％，Nb：0.04％，V：0.2％，B：0.001％,P：0.015％；S：0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1240±10℃，加热时间为3.5小时；
穿孔：穿孔温度控制在1210～1215℃之间，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至400℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为950±5℃，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.4h；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度920℃，张减终轧温度为870℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在1.5℃/s～2.2℃/s之间，钢管冷却到530℃后，冷却速率控制在1.2℃/s；
低温回火：热轧管进行低温回火，回火温度300℃，时间120min。
实施例三
一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.16％，Si：0.65％，Mn：2.86％，Cr：0.05％，Ni：0.46％，Mo：0.15％，Cu：0.10％，Al：0.10％，Nb：0.06％，V：0.5％，B：0.0028％,P：0.015％；S：0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1265±10℃，加热时间为3小时；
穿孔：穿孔温度为1220～1230℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至380℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为870±5℃，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.5h；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度825℃，张减终轧温度为780℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.3℃/s～1.1℃/s之间，钢管冷却到520℃后，冷却速率控制在0.28℃/s；
低温回火：热轧管进行低温回火，回火温度250℃，时间100min。
实施例四
一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.28％，Si：0.40％，Mn：2.93％，Cr：0.13％，Ni：0.14％，Mo：0.05％，Cu：0.15％，Al：0.02％，Nb：0.05％，V：0.04％，B：0.005％,P：0.017％；S：0.007％，其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1220-1240℃，加热时间为3小时；
穿孔：穿孔温度为1210-1220℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至435℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为945±5℃，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.25h；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度为910℃，张减终轧温度为875℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在1.3℃/s～2.5℃/s之间，钢管冷却到550℃后，冷却速率控制在1.5℃/s；
低温回火：热轧管进行低温回火，回火温度450℃，时间90min。
对比例一
本对比例制备无缝钢管的方法与实施例一中的方法基本相同，不同的是：
钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.11％，Si：0.35％，Mn：3.5％，Cr：0.02％，Ni：0.02％，Cu：0.25％，Al：0.01％，Nb：0.01％，B：0.0043％,P：0.010％；S：0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。
对比例二
本对比例制备无缝钢管的方法与实施例二中的方法基本相同，不同的是：
钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.25％，Si：0.58％，Mn：2.51％，Cr：0.01％，Al：0.05％，Nb：0.04％，P：0.015％；S：0.020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
对比例三
本对比例的无缝钢管的配方及配比与实施例一相同，本对比例制备无缝钢管的方法与实施例一中的方法基本相同，不同的是：
轧后空冷步骤中：钢管冷却到550℃后，冷却速率控制在2.5℃/s。
对比例四
本对比例的无缝钢管的配方及配比与实施例一相同，本对比例制备无缝钢管的方法与实施例一中的方法基本相同，不同的是：方法中没有冷却至350～550℃的过程，穿孔后直接再加热后进行张减，进再加热炉前温度为630℃；
对比例五
本对比例的无缝钢管的配方及配比与实施例一相同，本对比例制备无缝钢管的方法与实施例一中的方法基本相同，不同的是：冷却步骤中，将毛管冷却至550℃，进行再加热；再加热步骤中：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为830℃，张减开轧温度为785℃，终轧温度为740℃；
对比例六
本对比例的无缝钢管的配方及配比与实施例一相同，本对比例制备无缝钢管的方法与实施例一中的方法基本相同，不同的是：未进行低温回火热处理；
经过检测，以上实施例制备得到的非调质非开挖钻杆用无缝钢管以及对比例制备得到的无缝钢管的性能数据如下表所示：
Figure BDA0003853783700000081
通过上表可知，本实施例一至实施例四制备得到的非调质非开挖钻杆用无缝钢管，其屈服强度≥900MPa，屈强比≥0.85，21℃全尺寸冲击功KV8≥50J，符合使用要求。
对比例一、二未采用本发明的化学元素配比，其中对比例一中Mn含量过高，Cr、Ni、Mo、V含量添加量低，导致组织晶粒度粗大，屈服强度、屈强比、21℃全尺寸冲击功KV8小于目标值，不符合使用要求；对比例2中未添加Ni、Mo、V、Cu、B，均未获得足够的强韧性，力学性能指标也不符合要求。
对比例三虽然符合化学元素配比，但是在制管过程中，轧后空冷步骤中的冷却速度过快，导致组织中粒状贝氏体含量减少，板条贝氏体增多，降低了其韧性，屈强比和抗冲击性能达不到要求；
对比例四中，由于方法中不存在冷却+再加热的过程，导致组织晶粒度较大，材料韧性下降，屈强比和抗冲击性能达不到要求；
对比例五中，由于进再加热炉前钢管温度过高，未发生贝氏体转变，或者转变较少，再加热后，奥氏体晶粒持续长大，晶粒粗大，影响钢管强韧性，且再加热的温度低于900℃，导致钢管组织重新奥氏体化不完全，张减后冷床冷却，贝氏体组织比例降低，材料强韧性降低；
对比例六中，由于未进行回火导致钢管虽然强度、韧性达到要求，但是机械强度稳定性不够，屈强比未达要求；
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非调质非开挖钻杆用无缝钢管的制备方法，其特征在于，方法的步骤中含有：
管坯冶炼：按照钢管的组分及各组分质量百分比冶炼获得管坯；钢管含有的组分及各组分质量百分比如下：
C：0.08%~0.30%，Si：0.35%~0.80%，Mn：2.51%~3.0%，Cr：0.05%~1.2%，Ni：0.1%~0.5%，Mo：0.01%~1.0%，Cu：0.05%~0.6%，Al：0.01%~0.10%，Nb：0.01%~1.0%，V：0.01%~1.0%，B：0.001%~0.005%,其余为Fe和不可避免的杂质；
管坯加热：管坯加热温度1180℃~1240℃；
穿孔：穿孔温度为1170~1220℃，获得毛管；
冷却：将毛管冷却至350℃~500℃；
再加热：将冷却后的毛管再加热，再加热温度为860℃~960℃；
张减：将再加热的毛管进行张减，张减开轧温度≥820℃，张减终轧温度为770℃~900℃；
轧后空冷：控制钢管冷却速度，平均冷速在0.1℃/s ~ 3℃/s之间，钢管冷却到600-500℃后，冷却速率控制在0.2-2℃/s；
回火:空冷后的钢管进行回火，回火温度250℃~360℃；
管坯加热中，加热时间为1~4小时；
再加热中，根据毛管进炉温度及规格保温时间0.2-1h；
回火步骤中，回火时间100min~120min；
制成的无缝钢管的力学性能如下：屈服强度≥900MPa，屈强比≥0.85，室温全尺寸冲击功KV8≥50J。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
张减步骤中，张减开轧温度为860℃~940℃。
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