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CN114959439B - 一种高强韧贝氏体地质钻探管及其制造方法 - Google Patents

一种高强韧贝氏体地质钻探管及其制造方法 Download PDF

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CN114959439B CN202110213765.3A CN202110213765A CN114959439B CN 114959439 B CN114959439 B CN 114959439B CN 202110213765 A CN202110213765 A CN 202110213765A CN 114959439 B CN114959439 B CN 114959439B
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Abstract

本发明公开了一种高强韧贝氏体地质钻探管，其除了Fe和不可避免的杂质以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.14‑0.22％，Si：0.2‑0.55％，Mn：2.1‑2.9％，Nb：0.01‑0.04％，Al：0.015‑0.04％，B：0.001‑0.005％，0＜N≤0.006％，并且Al/N≥3；所述高强韧贝氏体地质钻探管不含有Cr、Mo和W元素。此外，本发明还公开了上述高强韧贝氏体地质钻探管的制造方法，其包括步骤：(1)冶炼和铸造，制得管坯；(2)加热、穿孔、连轧和定径；(3)两段式空气冷却：其中第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5‑15℃/s，冷却到Bs‑100℃至Bs‑50℃的范围；第二段进行自然空气冷却，控制冷速为0.5‑4℃/s。

Description

一种高强韧贝氏体地质钻探管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种无缝钢管及其制造方法，尤其涉及一种地质钻探管及其制造方法。
背景技术
近年来，随浅层矿产资源开采殆尽，我国提出“三深一土”及“深海钻探，海洋强国”战略，地质钻探开始逐渐向大孔径、大深度方向发展。这一发展趋势会导致钻探管在服役过程中承受愈加恶劣的拉、压、弯曲、扭转、冲击、摩擦等复杂应力，其很容易出现由过载导致的变形、断裂及磨损失效问题，从而导致事故处理成本较高，钻探效率低下。因此，亟需开发出更高性能的钻探管产品，以满足行业发展需求。
目前，传统的地质管产品已无法满足地质行业向深度方向发展需求，而更高级别地质钻探管产品则需要采用Cr-Mo钢种调质热处理实现，现有技术中的这种方式不仅合金成本、工艺成本高，而且因环保要求受限热处理工序，很多用户并不具备生产条件，且存在调质后易变形开裂、墩粗端性能不均匀等问题。
基于此，针对现有技术中的不足和缺陷，本发明期望获得一种高强韧贝氏体地质钻探管，该高强韧贝氏体地质钻探管生产成本较低，且具备良好的强韧性匹配，其无需调质热处理即可得到Cr-Mo钢种调质热处理后的水平，其抗实体拉伸及扭矩性能良好，能够有效应用于地质钻探行业中，并促进地质钻探行业的绿色高效发展，具有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强韧贝氏体地质钻探管，该高强韧贝氏体地质钻探管成本较低，且具备良好的强韧性匹配，其无需调质热处理即可得到Cr-Mo钢种调质热处理后的水平，该高强韧贝氏体地质钻探管的抗实体拉伸及扭矩性能良好，能够有效应用于地质钻探行业中，并促进地质钻探行业的绿色高效发展，具有十分广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提出了一种高强韧贝氏体地质钻探管，其除了Fe和不可避免的杂质以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.14-0.22％，Si：0.2-0.55％，Mn：2.1-2.9％，Nb：0.01-0.04％，Al：0.015-0.04％，B：0.001-0.005％，0＜N≤0.006％，并且Al/N≥3；所述高强韧贝氏体地质钻探管不含有Cr、Mo和W元素。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.14-0.22％，Si：0.2-0.55％，Mn：2.1-2.9％，Nb：0.01-0.04％，Al：0.015-0.04％，B：0.001-0.005％，0＜N≤0.006％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中Al/N≥3。
在本发明的上述技术方案中，本发明采用了合理的化学成分设计，其采用中高Mn设计，且化学成分中不含Cr、Mo、W等贵金属元素，不仅降低了合金成本，而且通过Mn元素对相变界面元素扩散的拖拽作用，可以明显降低贝氏体相变点，从而实现组织细化，提升产品强韧性。此外，在本发明的化学成分中还添加了B元素，B与Mn元素复合提加进一步提高了空冷淬透性，保证了形成稳定粒状贝氏体组织，同时B元素还可以强化晶界，防止过多马奥岛析出，提高材料的韧性。
在本发明所述高强韧贝氏体地质钻探管中，各化学元素的设计原理具体如下所述：
C：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，C元素是保证管材强度的重要元素，其添加后可以稳定贝氏体组织，有效提高材料的空冷淬透，钢中C元素含量过低时会导致贝氏体组织不稳定，使材料的强度和韧性变差。同时，需要注意的是，钢中C元素含量不宜过高，当钢中C元素含量过高时，会导致钢材的韧塑性下降。因此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将C元素的质量百分含量控制在0.14-0.22％之间。
Si：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，Si元素是铁素体形成元素，也是脱氧元素，其可以在提高钢水纯净度的同时，促进组织中铁素体形成，并抑制碳化物的析出。但需要注意的是，钢中Si元素含量过低时起不到上述相应的作用，且钢中Si元素含量超过0.55％以后对组织无改善。因此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将Si元素的质量百分含量控制在0.2-0.55％之间。
Mn：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，Mn是提高材料空冷淬透性的重要元素，相较于Mo、Cr、W等元素，Mn元素非常廉价易得，与其他元素相比，Mn元素可以明显降低贝氏体组织转变点，从而细化组织，提高强韧性。当钢中Mn元素含量低于2.1％时，由于淬透性下降形成上贝氏体组织，会导致材料的韧性较差；而当钢中Mn元素含量高于2.9％时，会导致Mn偏析严重，使得材料的韧性变差，同时导致焊接性能变差。基于此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将Mn的质量百分含量控制在2.1-2.9％之间。
Nb：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，Nb元素可以与C元素结合形成Nb的碳化物，抑制晶粒长大，从而细化粒状贝氏体组织，提高材料的强度。同时，Nb还可以抑制先共析铁素体和上贝氏体的析出，从而在更低冷速下获得粒状组织稳定，细化马奥岛尺寸，提高材料的韧性。因此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将Nb元素的质量百分含量控制在0.01-0.04％之间。
Al：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，Al元素是较好的脱氧元素，但需要注意的是，钢中Al元素含量不宜过高，加入过多的Al元素容易造成氧化铝夹杂，因此需要尽量提高酸溶铝占全铝的比重，在真空脱气后再适量喂Al丝。因此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将Al元素的质量百分含量控制在0.015-0.04％之间。
B：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，B元素可以有效增加材料的淬透性。在本发明中，B元素与Mn元素复合添加可以进一步提高空冷淬透性，保证钢材形成稳定粒状贝氏体组织。此外，B元素还可以强化晶界，抑制马奥岛的形成，提高材料强韧性匹配。当钢中B元素含量小于0.001％时，其所起到的作用不明显；当钢中B元素含量太高，高于0.005％时，则炼钢难以精确控制。因此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将B元素的质量百分含量控制在0.001-0.005％之间。
N：在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，N元素可以与钢中的Al元素配合形成碳氮化物。在本发明中，在控制单一化学元素质量百分含量的同时，还需要控制Al元素和N元素的质量百分含量实现Al/N≥3，以保证钢中酸溶铝含量，使得钢中的Al元素可以充分与N元素结合，从而防止N元素与B元素结合形成脆性低熔点相，以保证B元素对钢材淬透性提升效果，防止晶界脆化。基于此，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，将N元素的质量百分含量控制为0＜N≤0.006％。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，在不可避免的杂质中，S≤0.01％，P≤0.005％。
在上述技术方案中，P和S均为钢中不可避免的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的高强韧贝氏体地质钻探管，应尽可能降低钢材中杂质元素的含量。
在本发明中，钢中P元素含量过高会偏聚晶界，脆化晶界，从而严重恶化材料的韧性；相应地，钢中S元素含量过高时会导致钢中夹杂物含量增多，对材料的低温韧性不利。因此，在技术条件允许的情况下，应尽可能地降低钢中的P、S元素含量。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，其微观组织的主体为粒状贝氏体，其尺寸为4-10μm。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，其微观组织还含有相比例为3-5％的奥氏体。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，其壁厚为12～30mm。
进一步地，在本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管中，其无需调质处理达到：屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥1100MPa，硬度≥35HRC，韧性≥60J，残余应力≤40MPa。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种高强韧贝氏体地质钻探管的制造方法，该制造方法生产简单，所获得的高强韧贝氏体地质钻探管具备良好的强韧性匹配，且无需调质即可得到Cr-Mo钢种调质水平，其屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥1100MPa，硬度≥35HRC，韧性≥60J，残余应力≤40MPa，并具备良好的抗实体拉伸及扭矩性能，其可以有效应用于地质钻探行业中，并促进地质钻探行业绿色高效发展，具有十分广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明提出了上述的高强韧贝氏体地质钻探管的制造方法，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造，制得管坯；
(2)加热、穿孔、连轧和定径；
(3)两段式空气冷却：其中第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5-15℃/s，冷却到Bs-100℃至Bs-50℃的范围；第二段进行自然空气冷却，控制冷速为0.5-4℃/s，其中Ar3表示冷却过程中铁素体析出温度，Bs表示贝氏体相变开始温度；
在本发明的上述技术方案中，本发明所述制造方法的生产工艺流程短，其生产成本较低，可以大幅度提升了经济性，无需用户进行后续热处理，同时可以有效提升成品加工效率及产品质量稳定性。
需要说明的是，在步骤(3)中，控制第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5-15℃/s，冷却到Bs-100℃至Bs-50℃的范围，可以有效避免先共析铁素体和上贝氏体相变，增大粒状贝氏体形成过冷度，细化粒状贝氏体组织。
在本发明所述制造方法的步骤(3)中，采用了两段式空气冷却对定径后的管体进行处理，其采用空冷高淬透性成分设计，并配合在较宽冷速范围内冷却可使材料获得稳定粒状贝氏体组织，有利于厚壁钢管组织性能稳定性，以使管材获得较低的残余应力。通过两段式空气喷吹冷却，可以有效控制冷却相变过程中热应力和相变应力的相互抵消，从而降低最终残余应力，提高产品抗变形能力。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，控制钢水过热度低于30℃，并且/或者连铸拉速为1.8-2.2m/min。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，管坯冷却后在环形加热炉内加热，加热温度为1240-1300℃，加热时间3-6h；然后进行穿孔，穿孔温度为1180-1240℃；穿孔后进行连轧，连轧温度为1000℃-1100℃；然后进行定径，定径温度为Ac3+100℃至Ac3+200℃，其中Ac3表示奥氏体化温度。
本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管的制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
在本发明中，本发明通过合理优化设计化学成分并配合制造工艺可以获得具有良好强韧性能的高强韧贝氏体地质钻探管，该高强韧贝氏体地质钻探管不仅具有较好的室温力学性能，其还具有较低的残余应力。
本发明所述实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管其具备良好的强韧性匹配，无需调质即可得到Cr-Mo钢种调质水平，其屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥1100MPa，硬度≥35HRC，韧性≥60J，残余应力≤40MPa，并具备良好的抗实体拉伸及扭矩性能，且生产工艺流程短，大幅提升了经济性，无需用户进行后续热处理，同时提升成品加工效率及产品质量稳定性，促进了地质钻探行业绿色高效发展，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管在500倍显微镜下的典型金相组织图。
图2为实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管在2000倍扫面电镜下的微观组织照片。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的高强韧贝氏体地质钻探管及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6和对比例1-6
实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管和对比例1-6的对比钢管均采用以下步骤制得：
(1)按照下述表1所示的化学成分，利用电炉或转炉进行冶炼和铸造，制得管坯：采用废钢+高炉铁水的配料方案；铁水比例为50-60％，钢水经电炉冶炼，通过炉外精炼、真空脱气和氩气搅拌后，经过Ca处理进行夹杂物变性，降低O、H含量。合金浇铸成圆坯，浇铸过程中控制钢水过热度低于30℃，并且控制连铸拉速1.8-2.2m/min，以降低成分偏析。
(2)加热、穿孔、热轧和定径：管坯冷却后在环形加热炉内加热，控制加热温度为1240-1300℃，控制加热时间3-6h；然后进行穿孔，控制穿孔温度为1180-1240℃；穿孔后进行连轧，控制连轧温度为1000℃-1100℃；然后进行定径，控制定径温度为Ac3+100℃至Ac3+200℃，其中Ac3表示奥氏体化温度。
(3)两段式空气冷却：定径后分两段进行空气冷却，其中第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5-15℃/s，冷却到Bs-100℃至Bs-50℃的范围；第二段进行自然空气冷却，控制冷速为0.5-4℃/s，其中Ar3表示冷却过程中铁素体析出温度，Bs表示贝氏体相变开始温度。
在本发明中，实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管的化学成分设计以及相关工艺均满足本发明设计规范要求。而对比例1-6的对比钢管在化学成分设计或相关工艺中存在不满足本发明设计规范要求的参数。
需要说明的是，对比例1的对比钢管中C元素含量小于设计范围；对比例2的对比钢管中Mn元素含量小于设计规范；对比例3的对比钢管中Nb元素含量小于设计规范；对比例4的对比钢管中C元素含量大于设计规范；对比例5的对比钢管中Al/N的值不符合设计规范；对比例6的对比钢管的化学成分设计虽然满足本发明设计规范要求，但其在制造过程中，定径后并未采用两段式空气冷却，其仅进行自然空气冷却。
表1列出了实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管和对比例1-6的对比钢管的各化学元素的质量百分配比。
表1.(余量为Fe和除了P和S以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002952362970000071
表2-1和表2-2列出了实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管和对比例1-6的对比钢管在上述工艺步骤中的具体工艺参数。
表2-1.
Figure BDA0002952362970000081
表2-2.
Figure BDA0002952362970000082
将得到的实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管和对比例1-6的对比钢管分别取样，并对各实施例和对比例成品管材分别进行常温力学性能检测。各实施例和对比例的力学性能检测试验结果分别列于表3中。
相关性能测试手段，如下所述：
力学性能测试：检测条件温度：23℃，湿度：56％，控制拉伸速率:屈服前3mm/min，屈服后28mm/mi，按照GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验的条件测得。
表3列出了实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管和对比例1-6的对比钢管的力学性能检测试验结果。
表3.
Figure BDA0002952362970000091
从表3中可以看出，相较于对比例1-6的对比钢管，本发明所述实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管具有十分优异的力学性能和良好的强韧性匹配，其屈服强度在780MPa～900MPa之间，抗拉强度Rm在1120～1200MPa之间，延伸率在12％～15％之间，硬度在35-40HRC之间，残余应力在0-35MPa之间，室温纵向冲击韧性在65-100J之间。
相应地，对比例1-5的对比钢管的综合性能均明显劣于实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探。其中，对比例1-2对比钢管的屈服强度和抗拉强度较差，其室温纵向冲击韧性和硬度不佳；对比例3对比钢管的屈服强度和抗拉强度较差，其硬度不佳；对比例4对比钢管的屈服强度、抗拉强度和硬度虽然较高，但其室温纵向冲击韧性较差，且残余应力较高；对比例5对比钢管的屈服强度和硬度较差，且其残余应力较高。
对比例6的对比钢管的化学成分设计虽然满足本发明设计规范要求，但其在工艺过程中，定径后并未采用两段式空气冷却，因此其残余应力相当之高。
综上所述可以看出，本发明所述实施例1-6的高强韧贝氏体地质钻探管其具备良好的强韧性匹配，无需调质即可得到Cr-Mo钢种调质水平，其屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥1100MPa，硬度≥35HRC，韧性≥60J，残余应力≤40MPa，并具备良好的抗实体拉伸及扭矩性能，且生产工艺流程短，大幅提升了经济性，无需用户进行后续热处理，同时提升成品加工效率及产品质量稳定性，促进了地质钻探行业绿色高效发展，具有十分广阔的应用前景。
图1为实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管在500倍显微镜下的典型金相组织图。
图2为实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管在2000倍扫面电镜下的微观组织照片。
如图1和图2所示，在本实施方式中，实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管的主体为粒状贝氏体，其组织为均匀粒状贝氏体组织，其尺寸为4-10μm，并含有少量的相比例为3-5％的奥氏体。
实施例1的高强韧贝氏体地质钻探管可以采用割缝法测试残余应力后的形貌，实施例1的残余应力较小，经割缝后的管体基本闭合，可以有效防止后续加工和使用中变形
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其除了Fe和不可避免的杂质以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.14-0.22％，Si：0.2-0.55％，Mn：2.1-2.9％，Nb：0.01-0.04％，
Al：0.015-0.04％，B：0.001-0.005％，0＜N≤0.006％，并且Al/N≥3；
所述高强韧贝氏体地质钻探管不含有Cr、Mo和W元素；
其中所述高强韧贝氏体地质钻探管在两段式空气冷却步骤：第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5-15℃/s，冷却到Bs-100℃至Bs-50℃的范围；第二段进行自然空气冷却，控制冷速为0.5-4℃/s，其中Ar3表示冷却过程中铁素体析出温度，Bs表示贝氏体相变开始温度。
2.如权利要求1所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.14-0.22％，Si：0.2-0.55％，Mn：2.1-2.9％，Nb：0.01-0.04％，Al：0.015-0.04％，B：0.001-0.005％，0＜N≤0.006％；余量为Fe和不可避免的杂质；其中Al/N≥3。
3.如权利要求1或2所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，在不可避免的杂质中，S≤0.01％，P≤0.005％。
4.如权利要求1或2所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其微观组织的主体为粒状贝氏体，其尺寸为4-10μm。
5.如权利要求1或2所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其微观组织还含有相比例为3-5％的奥氏体。
6.如权利要求1或2所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其壁厚为12～30mm。
7.如权利要求1或2所述的高强韧贝氏体地质钻探管，其特征在于，其无需调质处理达到：屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥1100MPa，硬度≥35HRC，韧性≥60J，残余应力≤40MPa。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的高强韧贝氏体地质钻探管的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造，制得管坯；
(2)加热、穿孔、连轧和定径；
(3)两段式空气冷却：其中第一段对管体外表进行空气环吹冷却，冷却前温度满足≥Ar3+50℃，控制冷速为5-15℃/s，冷却到Bs-100℃至Bs-50℃的范围；第二段进行自然空气冷却，控制冷速为0.5-4℃/s，其中Ar3表示冷却过程中铁素体析出温度，Bs表示贝氏体相变开始温度。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制钢水过热度低于30℃，并且/或者连铸拉速为1.8-2.2m/min。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，管坯冷却后在环形加热炉内加热，加热温度为1240-1300℃，加热时间3-6h；然后进行穿孔，穿孔温度为1180-1240℃；穿孔后进行连轧，连轧温度为1000℃-1100℃；然后进行定径，定径温度为Ac3+100℃至Ac3+200℃，其中Ac3表示奥氏体化温度。
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