鉆桿鋼的成分、熱處理工藝及其力學(xué)性能*

王新虎 張冠軍 李方坡 劉永剛

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

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·試驗(yàn)研究·

鉆桿鋼的成分、熱處理工藝及其力學(xué)性能*

王新虎 張冠軍 李方坡 劉永剛

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

文章綜述了近些年我國有關(guān)鋼廠鉆桿用鋼的成分及熱處理工藝的研究情況，統(tǒng)計(jì)分析了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的鉆桿的主流鋼種成分?？偨Y(jié)了主流鋼種的熱處理工藝與性能，以便我國鉆桿鋼種標(biāo)準(zhǔn)化。

鉆桿；鋼種；成分；熱處理

0 引 言

我國上世紀(jì)80年代引進(jìn)日本鉆桿生產(chǎn)技術(shù)開始生產(chǎn)鉆桿，最初進(jìn)口日本管材，后來逐步國產(chǎn)化。由于我國冶金裝備及工藝水平落后，我國生產(chǎn)的日本鋼種難以達(dá)到性能要求，所以在美國和德國鋼種基礎(chǔ)上逐步發(fā)展出我國特有的鉆桿鋼種，性能已經(jīng)基本滿足鉆桿要求。但我國目前鉆桿鋼種還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，質(zhì)量還需要進(jìn)一步提高，冶金及機(jī)械行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有鉆桿鋼種牌號，各大鋼廠的鉆桿鋼種成分都有差別。本文分析了我國近年大部分鉆桿鋼管成分，總結(jié)了主流鋼種的熱處理工藝與性能，以便我國鉆桿鋼種標(biāo)準(zhǔn)化。

1 鉆桿接頭用鋼

鉆桿接頭用鋼有很多種，德國鋼種36CrNiMo4是其中一種，類似我國的40CrNiMo以及美國的ASTM/AISI4340。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10083/1-1991規(guī)定36CrNiMo4中各元素質(zhì)量百分比含量為：C=0.32～0.40、Si≤0.40、Mn=0.50～0.80、Cr=0.90～1.20、Ni=0.90～1.20、Mo=0.15～0.30、Cu≤0.025、S≤0.035、P≤0.035。該標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱處理工藝為：淬火溫度820-850℃，淬火介質(zhì)是油或水，回火溫度540℃～680℃。該標(biāo)準(zhǔn)推薦的熱處理工藝不一定適合鉆桿接頭，所以必須制定專門的鉆桿接頭熱處理工藝。我國早就實(shí)現(xiàn)了36CrNiMo4鋼的國產(chǎn)化，寶鋼的劉麒麟[1]等為了提高36CrNiMo4鋼的沖擊韌性，降低了鋼中P、S含量，S降到了0.005%，P降到了0.008%。對鋼水脫氧、脫硫、去氣，并進(jìn)行夾雜物變性處理。這些工藝使成品鋼管在-10℃的橫向沖擊功由50J提高到了100J。可能是由于降低了雜質(zhì)含量，提高了純凈度，所以寶鋼毛信孚[2]等命名該鋼種為36CrNiMo4A，制定的熱處理工藝為在860℃加熱后在油中淬火，隨后在650℃高溫回火。大慶鉆井技術(shù)服務(wù)公司工具分公司劉建群等[3]試驗(yàn)了用36CrNiMo4鋼生產(chǎn)的鉆桿接頭的熱處理工藝，試驗(yàn)材料的成分為C=0.38、Si=0.24、Mn=0.69、Cr=1.08、Ni=1.03、Mo=0.25、S≤0.005、P≤0.008。顯然材料成分與寶鋼36CrNiMo4A鋼成分基本相同，大慶鉆井技術(shù)服務(wù)公司工具分公司試驗(yàn)得到最佳熱處理工藝參數(shù)為：淬火溫度860℃、回火溫度610℃、回火保溫時間100 min。德州聯(lián)合石油機(jī)械有限公司與勝利油田渤海鉆井管具公司的魏開龍、唐建平、苗同勇等也研究了36CrNiMo4鋼在鉆桿接頭的應(yīng)用技術(shù)[4]，該論文作者將36CrNiMo4鋼鍛造后在880℃退火，保溫3 h～4 h，爐冷到550℃空冷，退火后硬度小于HB 240，滿足切削加工要求。隨后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，在860℃～880℃加熱后油冷，淬火介質(zhì)為柴油，然后在540℃～560℃回火，回火后水冷。36CrNiMo4鋼的鉻、鎳含量較高,回火脆性十分敏感，因此回火后一定要快冷，盡可能迅速避開回火脆性溫度區(qū)。熱處理后。硬度為HB292-335；σb=967 MPa～1 102 MPa；σ0.2=829 MPa～965 MPa；δ4=19-23%；AKV=94-135 J。36CrNiMo4鋼在硬度較高的情況下，沖擊功無明顯的下降，但過高的硬度增大車螺紋難度,所以盡量將鉆桿接頭的硬度控制在HB300～330。根據(jù)以上研究，可以用我國鋼種命名法，將鉆桿接頭用德國鋼種36CrNiMo4命名為36CrNiMo，其成分范圍見表1。該鋼鑄錠鍛造后在880℃退火，保溫3 h～4 h，爐冷到550℃空冷，可以進(jìn)行粗加工。然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，合適的熱處理工藝是：淬火加熱溫度860℃～880℃，淬火介質(zhì)是油，回火溫度540℃～650℃，出回火爐后水冷。熱處理后材料的力學(xué)性能滿足API SPEC 5DP要求，在-10℃的沖擊功可以達(dá)到100 J。

表1 鉆桿接頭鋼種36CrNiMo的成分

另一種廣泛應(yīng)用于鉆桿接頭的鋼種是美國鋼種AISI 4137H，類似于我國的35CrMo，主要區(qū)別是AISI 4137H的C、Mn含量稍高些。 AISI 4137H的成分是C=0.35～0.40、Si=0.15～0.35、Mn=0.70～0.90、Cr=0.80～1.10、Mo=0.15～0.25、S≤0.030、P≤0.030。大慶鉆井技術(shù)服務(wù)公司工具分公司劉建群等[3]研究了用AISI 4137鋼生產(chǎn)的鉆桿接頭的熱處理工藝，試驗(yàn)材料的成分為：C=0.35、Si=0.21、Mn=0.91、Cr=1.08、Mo=0.28、S=0.005、P=0.008。試驗(yàn)得到鉆桿接頭的熱處理工藝參數(shù)為淬火加熱溫度860℃，回火溫度600℃，回火保溫100 min。力學(xué)性能達(dá)到了抗拉強(qiáng)度Rm=1 046 ，屈服強(qiáng)度Rr0.2=931，硬度 HB=313。岳鵬[5]等研究了AISI 4137H制造的鉆桿接頭水基淬火工藝，試樣內(nèi)徑88.9 mm，外徑168.3 mm，壁厚50 mm。試樣常溫進(jìn)爐后加熱到910℃，保溫時間為1h，使試樣奧氏體均勻化。鉆桿接頭水基淬火與油基淬火的表面硬度及均勻性基本一致，水基淬火后的內(nèi)部硬度略高于油基淬火的內(nèi)部硬度HRC2-5。為了進(jìn)一步提高鉆桿接頭性能，人們對AISI4137H鋼進(jìn)行了改良，宛農(nóng)，周立新、朱瞬強(qiáng)[6]等試驗(yàn)研究了大冶特殊鋼股份有限公司改良型ASTM4137H鋼，適當(dāng)增加了Cr、Mn和Mo含量，且鋼液進(jìn)行了鈣處理，具體成分為C=0.36、Si=0.25、Mn=1.04、Cr=1.03、Mo=0.31、Cu=0.13，Ca=0.0045，S=0.008、P=0.019。熱處理毛坯外徑195 mm，壁厚為25 mm的管材。熱處理工藝是870℃×20 min加熱后油淬，箱式爐回火1 h，回火溫度范圍560℃～610℃?？梢赃_(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能要求。上述改良型ASTM 4137H鋼實(shí)質(zhì)上類似于德國鋼種37CrMnMo4H1，張備、李青[7]等介紹了寶鋼開發(fā)研制的適合水淬的鉆桿接頭用鋼37CrMnMo4H1，其化學(xué)成分中C=0.35～0.39、Si=0.15～0.35、Mn=0.85～1.00、Cr=0.90～1.20、Mo=0.25～0.35、S≤0.010、P≤0.015。寶鋼規(guī)定37CrMnMo4H1鋼坯的橫向酸浸低倍試片上不得有肉眼可見的殘余縮孔、白點(diǎn)、分層、裂紋、氣泡、金屬異物和夾雜。其酸浸低倍組織級別應(yīng)符合下列規(guī)定(嚴(yán)于國標(biāo)高級合金鋼要求的2級)：一般和中心疏松≤1.5級,偏析≤1.5級。非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005中的JK評級圖，使用A法進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果氧化物夾雜評級應(yīng)不大于1.5級和硫化物夾雜評級應(yīng)不大于2.0級。

按照我國鋼號編制方法，可以將改良型ASTM4137H鋼、德國鋼種37CrMnMo4H1的國產(chǎn)化鋼種命名為37CrMnMo，實(shí)際上我國目前沒有37CrMnMo這個鋼號，與其近似的是40CrMnMo。本溪特殊鋼(集團(tuán))股份有限公司的王繼晨、王繼偉、楊廣前等開發(fā)研制了可以進(jìn)行水淬的鉆桿接頭用鋼37CrMnMo[8]，其夾雜物含量見表2。張楠研究了鉆桿接頭用鋼37CrMnMo的熱處理工藝[9]，其化學(xué)成分如表3。采用的是多用箱式爐生產(chǎn)線，箱內(nèi)采用氮?dú)獗Ｗo(hù),采用快速淬火油進(jìn)行冷卻?；鼗鸷罂焖偎洹４慊鸺訜釡囟?80℃，保溫時間2.5 h，油冷；回火溫度605℃～610℃，保溫4 h后水冷。熱處理后材料的拉伸強(qiáng)度970 MPa～1 088 MPa、屈服強(qiáng)度831 MPa～949 MPa、延伸率19%～20%、沖擊功102～134J、硬度HB298～324。

表2 本溪特鋼鉆桿接頭用鋼37CrMnMo夾雜物要求

表3 鉆桿接頭用鋼37CrMnMO成分

本文作者統(tǒng)計(jì)了2012至2014年經(jīng)手的14次鉆桿接頭失效分析案例，結(jié)果表明，初了碳含量外，這些鉆桿接頭的成分符合37CrMnMo鋼的要求，其中5只鉆桿接頭含碳量低于0.35%，最低到0.32%，14根鉆桿接頭的強(qiáng)度與韌性良好。按照我國鋼號編制方法，可以將該鋼種命名為35CrMnMo，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明目前大多數(shù)鉆桿接頭用35CrMnMo鋼制造，其化學(xué)成分見表4。其熱處理工藝與鋼種37CrMnMo差別不大，即在溫度870℃～880℃ 加熱后進(jìn)行水淬，然后在溫度600℃～610℃回火，可以達(dá)到性能要求。

表4 鉆桿接頭用鋼35CrMnMO成分

2 鉆桿管體用鋼

劉劍輝、朱榮、易操等介紹了衡陽華菱鋼管有限公司開發(fā)的S135 鉆桿管體鋼種26CrMoNbTiB[10]，純凈度很高，其化學(xué)成分中C=0.24～0.29、Si=0.15～0.35、Mn=0.40～0.65、Cr=0.95～1.15、Mo=0.38～0.52、Nb= 0.020～0.050、Ti=0.010～0.040、B =0.0 005～0.0 020、S≤0.010、P≤0.015。曹建軍、陳明等研究了衡陽華菱鋼管有限公司開發(fā)的S135鉆桿管體鋼種26CrMoNbTiB的熱處理工藝[11]，試樣化學(xué)成分質(zhì)量百分含量為C=0.26、Si= 0.26、Mn=0.49、Cr=1.00、Mo=0.40、S=0.007、P=0.007、Nb= 0.030、Ti= 0.022、B =0.002、Cu= 0.10、Ni =0.06。連鑄坯直徑Ф140 mm，成品管材規(guī)格為Ф127×9.19 mm,研究表明隨著回火溫度的升高,試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度值顯著降低,延伸率和沖擊功值顯著升高。相對而言,淬火溫度和淬火保溫時間對性能沒有明顯的影響; 用這種鋼制造的S135 鉆桿的最佳熱處理工藝為淬火溫度 900 ℃,保溫 30 min,回火溫度 590 ℃,保溫 60 min。力學(xué)性能達(dá)到拉伸強(qiáng)度Rm為1111 MPa，屈服強(qiáng)度為Rel為1 037 MPa，延伸率20.5%，沖擊功Akv為81.8 J，硬度HB338。

陳亞平、李義河等介紹了新余新鋼特殊鋼有限公司開發(fā)了鉆桿用鋼26CrMo20[12]，按照我國鋼種編號方法，其化學(xué)成分中C=0.24～0.28、Si=0.20～0.35、Mn=1.00～1.20、Cr=1.95～1.20、Mo=0.18～0.22、Nb= 0.020～0.050、B ≤0.005、S≤0.007、P≤0.015、As≤0.02、 Sn≤0.01。該鋼采用 EBT 電弧爐冶煉-LF 爐精煉-VD 爐真空處理-連鑄生產(chǎn)Ф150 mm 圓坯。圓坯一般疏松0.5 級、中心疏松1.0-1.5 級、偏析0.5級。龔源研究了渤海石油裝備(天津)中成機(jī)械制造公司的鉆桿用鋼28CrMo47[13]，這是德國鋼種，作者曾冶煉并水平連鑄了規(guī)格為Φ130 mm的管坯，然后軋出Φ88.9×9.35 mm的鉆桿鋼管，其化學(xué)成分中C=0.25～0.31、Si=0.20～0.35、Mn=0.70～1.10、Cr=0.95～1.45、Mo=0.60～0.75、S≤0.010、P≤0.010、Cu≤0.02。淬火溫度為900℃，淬火保溫時間30 min，進(jìn)行水淬，如果回火溫度為650℃、回火保溫時間40 min時，強(qiáng)度可以達(dá)到G105鉆桿要求；如果回火溫度為590℃、回火保溫時間40 min時，強(qiáng)度可以達(dá)到S135鉆桿要求。渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠的錢 強(qiáng)、曹貴貞、劉 聰試驗(yàn)了天津某公司制造的G105鉆桿用鋼26CrMo4s/2的熱處理工藝[14]，這種德國鋼材化學(xué)成分中C=0.24～0.30、Si=0.20～0.35、Mn=1.05～1.20、Cr=0.80～1.00、Mo=0.15～0.20、S≤0.008、P≤0.015、Cu≤0.02。。試樣為Φ127×9.19 mm的鉆桿管體，在管端加厚成形完成后進(jìn)行熱處理,采用熱膨脹法測量的相變點(diǎn)Ac1為695℃,Ac3為820℃，采用蓄熱式步進(jìn)連續(xù)熱處理爐,淬火機(jī)采用內(nèi)噴外淋形式的臺架式淬火機(jī),淬火溫度905℃±10℃，加熱60 min，回火加熱86 min，試驗(yàn)表明當(dāng)回火溫度低于600℃ 屈服強(qiáng)度均處于較高水平,且變化較穩(wěn)定， 當(dāng)回火溫度超過620時屈服強(qiáng)度有明顯的下降趨勢，回火溫度超過600℃時管體夏比沖擊吸收功大于100 J。解德剛、王長順等研究了鞍鋼股份有限公司熱軋中碳Mn-Cr-Mo合金系G105SS105Φ127 mm×9.19 mm鉆桿鋼管熱處理參數(shù)[15]，鋼的化學(xué)成分和鋼中有害元素的量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),% )為: C =0.27、Si= 0.22、=Mn 1.15、Cr= 0.84、Mo =0.16、P =0.01、S =0.003、Sn<0.0005、As =0.00079、Sb<0.0005、Pb<0.000 5、Bi<0.000 5、O= 0.0018、H= 0.000089、N= 0.0034。各類夾雜物均未超過0.5級。采用3元2次回歸正交試驗(yàn)方案，將鋼的淬火保溫時間固定為30 min、淬火介質(zhì)均采用相同條件的自來水，所選試驗(yàn)鋼對強(qiáng)韌性能影響最顯著的熱處理參數(shù)為回火溫度,回火溫度對強(qiáng)韌性影響的規(guī)律符合中碳低合金鋼調(diào)質(zhì)處理對性能影響的一般規(guī)律。試驗(yàn)鋼在淬火溫度870℃～940℃、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與回火溫度均呈線性關(guān)系,即隨回火溫度由580℃升高到680℃，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度遞減；而沖擊韌性與回火溫度的關(guān)系模型為開口向上的拋物線，經(jīng)計(jì)算585℃為拋物線的理論最低點(diǎn)，隨回火溫度從580℃升高到670℃，沖擊功值逐漸提高,且提高的速率在逐漸增大?；鼗饻囟?80℃～600℃時，試驗(yàn)鋼具有較高的強(qiáng)度和較好韌性匹配。

本文作者統(tǒng)計(jì)分析了近幾年經(jīng)手的近30次鉆桿失效分析案例，15根G105鋼級鉆桿管體中12根的成分在表5范圍內(nèi)，按照我國鋼號編制方法，這種鋼可以命名為26MnCrMo，由于與德國鋼種26CrMo4s/2成分基本相同，所以26MnCrMo的熱處理工藝可以與前文所述德國鋼種26CrMo4s/2相同。15根G105鋼級鉆桿管體中，只有個別G105鋼級鉆桿管體成分范圍為C=0.24～0.28、Si0.20～0.35、Mn=0.60～0.90、Cr=1.00～1.20、Mo=0.13～0.20、S≤0.005、P≤0.02，按照我國鋼號編制方法，可以命名為 26CrMo。

14根S135鋼級鉆桿管體中，7根成分在表6范圍內(nèi)，按照我國鋼號編制方法，這種鋼可以命名為26CrMnMo，由于成分與德國鋼種28CrMo47相似，所以26CrMnMo熱處理工藝可以參考前文所述的德國鋼種28CrMo47。另外7根S135鋼級鉆桿管體成分在表7范圍內(nèi)，按照我國鋼號編制方法，可以命名為26MnMoV。

表5 G105鋼級鉆桿管體鋼種26MnCrMo成分

表6 S135鋼級鉆桿管體鋼種26CrMnMo成分

表7 S135鋼級鉆桿管體鋼種26MnMoV成分

3 結(jié) 論

當(dāng)前鉆桿接頭用鋼除了少量的36CrNiMo鋼外，大多數(shù)采用35CrMnMo鋼，該鋼在溫度870℃～880℃加熱后進(jìn)行水淬，然后在溫度600℃～610℃回火，可以達(dá)到性能要求。36CrNiMo鋼淬火加熱溫度為860℃～880℃，淬火介質(zhì)是油，回火溫度540℃～650℃，出回火爐后水冷。

當(dāng)前G105鋼級鉆桿管體用鋼大多數(shù)是26MnCrMo鋼。該鋼相變點(diǎn)Ac1為695℃,Ac3為820℃，淬火加熱溫度為905℃±10℃，在溫度580℃～600℃回火時，具有較高的強(qiáng)度和較好韌性匹配。

當(dāng)前S135鋼級鉆桿管體用鋼基本有兩種，主要是26CrMnMo，少量是26MnMoV，預(yù)計(jì)26CrMnMo鋼在溫度900℃加熱進(jìn)行水淬，然后在溫度590℃回火，性能可以達(dá)到S135鋼級要求。

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Chemical Composition, Heat Treatment and Mechanical Properties of Drill Pipe Steel

WANG Xinhu ZHANG Guanjun LI Fangpo LIU Yonggang

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,OCTGKeyLaboratory,Xi’an,Shaanxi710077,China)

This paper reviews the current research of drill pipe steel chemical composition and heat treatment process in recent years, statistically analyzes drill pipe steel composition which has been achieved main stream large-scale industrialization, summarizes the heat treatment process and properties of drill pipe steel, provides technical supports for drill pipe steel standard.

drill pipe, steel, chemical composition, heat treatment

中國石油天然氣集團(tuán)公司科技項(xiàng)目2013D-5004-07資助。

王新虎，男，1962年生，教授級高級工程師，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，先主要從事石油管失效分析研究工作。E-mail: wangxinhu002@cnpc.com.cn

TG13

A

2096-0077(2015)02-0033-04

2015-03-13 編輯：馬小芳)