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石油机械

2012年第40卷第1期CHINAPETROLEUMMACHINERY

2012年第40卷第1期

《试验研究?

钻杆用微合金化钢的控制轧制和热处理工艺

马军1徐欣2赵文轸

(1.西安交通大学材料强度国家重点实验室2.中国石油集团石油管工程技术研究院)

摘要目前API标准规定的最高钢级钻杆S135级钻杆的强度和韧度均不能满足超深井钻采的需要。为此，在高强度钻杆钢中添加微合金元素V、Nb配合控轧控冷技术，并调整调质热处理工艺，对比研究传统调质工艺和控制轧制-调质工艺对该钢强度和韧度的影响。研究结果表明，经控制轧制后钢的晶粒度明显细化，使得强度和韧度得到明显的提高；Mo元素和Nb、V微合金元素的碳化物在500℃以上会出现回火二次强化现象；加入Nb元素可降低2#钢板条的宽度，同时Mo元素和Nb、V微合金元素在钢中形成了不同于针状渗碳体的颗粒状和球状碳化物，分别为NbC、VC和Mo?C,这种形状的碳化物有利于提高钢的韧度。

关键词钻杆微合金化钢晶粒细化强度韧度二次强化

中图分类号：TG115.5文献标识码：A文章编号：1001-4578(2012)01-0017-04

0引言

随着国内外对超深井和深海钻采研究的深入，对油井钻杆的强度和韧度提出了更高的要求，普通的API钢级已经不能满足要求1-2]。目前API标准规定的最高钢级钻杆S135级钻杆的屈服强度不小于931MPa,冲击功(夏比)不小于43J[3],不能满足超深井钻采的需要。如我国塔里木油田油井钻杆的订货补充技术条件就要求在强度满足要求的同时冲击功大于80J[4]。

提高钢的强韧度的方法有沉淀强化、细晶强化等，其中细晶强化方法是唯一可以同时提高强度和韧度的方法，而控轧控冷技术配合添加微合金元素可以同时发挥这2种强化作用，起到提高钢强韧度的作用[?-6]。目前国际上已经有UD-165级别的

钻杆钢，强度达到1137MPa,但据报道其采用的是改变热处理类型的方法提高强韧度[1,采用控轧控冷技术提高钻杆钢性能的研究还未见报道。为此，笔者采用添加微合金元素配合控轧控冷技术，并调整调质热处理工艺，研究其对于提高钢强韧度的影响和微观结构的影响。

1试验方法

1.1微合金化钢的配方设计和冶炼

设计了2种成分的钢，第1种为仅含微合金V元素的基础配方，第2种在第1种钢的基础上添加了Nb元素。第1种钢分别采用直接调质和先控轧

控冷再调质的方法，编号为1#(A)和1#(B),第2种钢采用先控轧控冷再调质的方法，编号为2#。2种钢的配方如表1所示。

表1试验钢化学成分质量分数%

种类

C

Si

Cr

Mn

Mo

V

Nb

S

P

第1种

0.300

0.200

0.300

1.100

0.400

0.080

0.000

0.005

0.015

第2种

0.300

0.200

0.300

1.100

0.400

0.080

0.040

0.005

0.015

采用真空度为0.1Pa的真空冶炼炉，每炉装

50kg钢，经1200℃冶炼并保温2h后，锻成厚

60mm、宽20mm、长25mm的长方形铁块。

1.2试验钢的控制轧制和冷却

在小型试验轧机上进行轧制试验，钢的轧制工

艺为：将钢坯加热到1200℃保温1h,开轧温度为1100℃,终轧温度830℃。

考虑轧制变形量对晶粒细化程度的影响和轧机的轧制能力，安排每道次轧制压下量，如表2所示。

18-石油机械2012年第40卷第1期

表2每道次轧制压下量

道次

绝对变形量△h/mm

相对变形量g/%

轧后厚度h/mm

2

15

25.0

45

15

33.3

30

6

20.0

24

4

5

20.8

19

4

21.0

15

根据试验钢的再结晶温度和相变温度，设计了各道次的轧制温度，如表3所示。

表3各道次的轧制温度℃

道次

2

3

4

5

温度1100

≥1050

930

≥880

840

冷却工艺为：830℃终轧→水冷到720℃→空冷到室温。

1.3试验钢的热处理工艺

将轧制出的板材沿轧制方向切割成为