高強(qiáng)度鉆桿用鋼的研發(fā)

李惠娟

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司產(chǎn)品質(zhì)量部，天津300301）

0 引言

隨著我國(guó)能源工業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)深層油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)急劇增加，難度相應(yīng)加大，對(duì)鉆具的質(zhì)量和性能的要求也隨之提高。鉆桿是鉆柱的主要組成部分，是必不可少的鉆具之一。它的主要作用是輸送鉆井液，并在鉆井過(guò)程中逐漸加長(zhǎng)，使井眼加深[1-2]。鉆桿在正常工作時(shí)承受拉力、彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)以及沖擊等各種復(fù)雜的交變應(yīng)力，工況復(fù)雜，條件惡劣。隨著使用時(shí)間的累積，鉆桿失效時(shí)有發(fā)生，造成嚴(yán)重?fù)p失，而鉆桿強(qiáng)度和韌性不足是導(dǎo)致鉆桿失效的原因之一，因此，對(duì)制造鉆桿的材質(zhì)、性能、加工尺寸都有要求嚴(yán)格，高強(qiáng)度鉆桿的研發(fā)勢(shì)在必行[3-4]。

API規(guī)范中的鉆桿用鋼級(jí)分為E75、X95、G105和S135四個(gè)級(jí)別，分別用代號(hào)E、X、G、S表示，其中S級(jí)為最高強(qiáng)度級(jí)別。天鋼從優(yōu)化化學(xué)成分和提高鋼的潔凈度兩個(gè)方面改進(jìn)設(shè)計(jì)，成功試制了S135級(jí)鉆桿用鋼27CrMo44s。該產(chǎn)品經(jīng)用戶使用，實(shí)物質(zhì)量及綜合性能完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)及使用要求。

1 S級(jí)高強(qiáng)度鉆桿用鋼的質(zhì)量要求

API規(guī)范規(guī)定，S級(jí)鉆桿用鋼的化學(xué)成分只對(duì)P和S提出要求，即S含量不超過(guò)0.015%，P含量不超過(guò)0.020%，力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。

表1 API規(guī)范S級(jí)鉆桿力學(xué)性能要求

成品無(wú)縫鋼管規(guī)格為127 mm×9.19 mm，所以試樣尺寸取10 mm×7.5 mm，鉆桿管體要求的沖擊性能為（PSL-1：試驗(yàn)溫度：（21±3）℃：3 個(gè)試樣平均吸收沖擊功最小值為43J，單個(gè)試樣吸收沖擊功最小值為38J。

2 技術(shù)難點(diǎn)分析

該S135級(jí)鉆桿鋼管在要求高強(qiáng)度的同時(shí)，還要求保證有良好的綜合力學(xué)性能，這就要求作為原材料的連鑄圓管坯要有合理的化學(xué)成分和較高的潔凈度。

2.1 化學(xué)成分的優(yōu)化

無(wú)縫鋼管廠家一般會(huì)對(duì)熱軋鋼管進(jìn)行調(diào)制處理，化學(xué)成分的優(yōu)化既要考慮高強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能，又要考慮淬透性。

C作為合金元素，能有效提高鋼材強(qiáng)度，且成本低廉[5]。合理設(shè)計(jì)鋼中C含量尤其重要，但是碳含量過(guò)高會(huì)對(duì)細(xì)化晶粒不利，降低鋼材塑韌性。此外，鋼中碳含量過(guò)高時(shí)，淬火時(shí)易變形及開(kāi)裂[6]。鉆桿生產(chǎn)廠家一般采用水淬調(diào)制熱處理，管體要求有良好的淬透性，因此，鉆桿用鋼中碳含量不宜過(guò)高。

Mn元素在鋼中可起到強(qiáng)化作用。在碳素鋼中加入0.70%以上時(shí)就算“錳鋼”，Mn含量的增加可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)提高鋼的淬透性。但是，隨著錳含量的增加，易與S元素形成MnS夾雜或Mn偏析，降低鋼的韌性。因此根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)成分時(shí)Mn含量在0.70%～1.10%為宜。

鋼中加入適量的Cr元素不僅能夠提高鋼的淬火性能，還能改善材料組織的均勻性。但當(dāng)鋼中鉻含量過(guò)高時(shí)，材料的力學(xué)性能會(huì)因?yàn)闅堄鄪W氏體的增多和不均勻碳化物的存在而降低。因此，為提高鋼的淬透性和力學(xué)性能的均勻性，成分設(shè)計(jì)中鉻元素的含量范圍一般為0.30%～1.25%。

Mo元素可以通過(guò)固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等多重強(qiáng)化機(jī)制很好地提高材料的強(qiáng)韌性。一般S135鋼級(jí)中PSL-1類鋼的Mo含量在0.45%左右。

P和S是殘存在鋼中的雜質(zhì)元素，它們與鋼中的合金元素如硅、錳、鋁等形成非金屬化合物，這些未能從鋼液排除的化合物就呈獨(dú)立相存在于鋼水中，稱之為非金屬夾雜物。它們嚴(yán)重影響鋼的綜合力學(xué)性能，所以應(yīng)盡量降低鋼中P、S元素的含量。

2.2 鋼的潔凈度

2.2.1 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物的化學(xué)成分、力學(xué)性能、組織形態(tài)和加工性能等與鋼截然不同，其作為異相存在于鋼中，破壞了金屬基體的連續(xù)性，尤其類似裂紋源的條狀?yuàn)A雜，導(dǎo)致應(yīng)力集中，易引起疲勞失效。夾雜物的形態(tài)和分布也影響材料的延展性，數(shù)量少但顆粒大的夾雜往往比數(shù)量較多的細(xì)小夾雜物危害更大；形狀不規(guī)則的夾雜物比球形夾雜物危害更大；過(guò)分集中分布的夾雜物會(huì)顯著降低材料的塑韌性和耐蝕性，對(duì)鉆具的疲勞壽命造成極其不利的影響，尤其是對(duì)高鋼級(jí)鉆具影響更大[7]。有案例研究分析發(fā)現(xiàn)，大尺寸條狀硫化物夾雜可引起鉆桿早期疲勞失效，發(fā)生疲勞斷裂；鋼中的大量集中分布的夾雜物降低了材料的韌性，導(dǎo)致鉆桿發(fā)生刺穿甚至斷裂事故。因此，生產(chǎn)鉆桿用鋼時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)，提高鋼的潔凈度。外來(lái)夾雜物的控制可以通過(guò)對(duì)原材輔料的嚴(yán)格管控實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)是對(duì)內(nèi)生夾雜物的控制。所以生產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡量降低磷、硫元素的含量；采用鈣處理工藝減少固體三氧化二鋁脫氧產(chǎn)物，改變夾雜物形態(tài)；采取合理的底吹氬時(shí)間、吹氬攪拌強(qiáng)度和鎮(zhèn)靜時(shí)間，使夾雜物充分上浮去除。

2.2.2 鋼中的氣體

N、O元素是生成非金屬夾雜物的主要元素，嚴(yán)重降低鋼的潔凈度。[H]含量較高時(shí)會(huì)使鋼中產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷，使鋼的韌性顯著降低，因此應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中氣體含量。為減少鋼中氣體含量，一般會(huì)采用烘烤鋼包、中間包和原輔材料、及時(shí)造渣、采用合理的攪拌強(qiáng)度、全程保護(hù)澆注等方法來(lái)減少水分和空氣中的氫氣、氧氣進(jìn)入鋼中[8]；在冶煉末期充分吹氬，使氧充分參與化學(xué)反應(yīng)，形成FeO，減少鋼液中氧含量；另外VD真空脫氣法可有效脫除鋼中的氣體。

3 產(chǎn)品研發(fā)

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

該鋼種要求鋼質(zhì)均勻，因此對(duì)鋼的潔凈度要求很高，鋼的夾雜物控制是關(guān)鍵。對(duì)此，出鋼時(shí)采用擋渣器控制渣層厚度，防止出鋼下渣；LF精煉除雜并控制夾雜物形態(tài)；VD真空脫氣精煉；全程保護(hù)連鑄，防止鋼水二次氧化。該產(chǎn)品采用轉(zhuǎn)爐冶煉，經(jīng)LF精煉和VD精煉，連鑄坯堆冷。

3.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

從性能和成本考慮，該產(chǎn)品最終確定為的Cr-Mo合金鋼。與同類產(chǎn)品比較，嚴(yán)格控制P、S含量。氣體要求 O≤30×10-6、H≤2×10-6、N≤80×10-6。具體成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

管坯橫截面酸浸低倍組織應(yīng)符合國(guó)標(biāo)要求，允許出現(xiàn)的缺陷級(jí)別應(yīng)不大于1.0級(jí)。

表2 27CrMo44s化學(xué)成分設(shè)計(jì) /%

成品無(wú)縫鋼管檢驗(yàn)，各類夾雜物級(jí)別應(yīng)分別不大于1.5級(jí)，總和不大于8級(jí)。

3.3 關(guān)鍵工序控制

3.3.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，控制入爐鐵水的P、S含量并去除廢鋼的鐵銹，盡量降低鋼中外來(lái)雜質(zhì)和其他有害元素的含量，要求入爐鐵水中P≤0.100%、S≤0.030%、Si≤0.85%。轉(zhuǎn)爐冶煉采用雙渣法操作，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化脫磷；出鋼擋渣，防止鋼渣進(jìn)入鋼包引起回磷；使用鋁鐵作為脫氧劑，其用量為2.5～3.5 kg/t。

轉(zhuǎn)爐的目標(biāo)成分：C=0.23%、Si=0.15%、Mn=0.80%、Cr=0.96%、Mo=0.45%、P≤0.012%、S≤0.025%。

3.3.2 LF及VD精煉

LF精煉工序主要是為了進(jìn)一步脫氧、脫硫、去除鋼中夾雜物并微調(diào)鋼液成分。進(jìn)站后吹氬，根據(jù)鋼水情況喂鋁線進(jìn)行強(qiáng)化脫氧；分期分批加入高堿度精煉渣料和還原劑，快速化渣，盡快形成白渣，根據(jù)成分分析添加合金微調(diào)成分，保證白渣精煉時(shí)間不小于25 min。全程采用底部吹氬攪拌，加速鋼液溫度和成分均勻，促使夾雜物聚集上浮。

VD真空脫氣的作用主要是去除鋼中的 [H]和[N]，要求真空度≤67 Pa，保持時(shí)間≥15 min，并全程底吹氬。破空后根據(jù)需要補(bǔ)加Al線，若補(bǔ)加Al線，則間隔3 min以上，再喂Ca棒。要求軟吹氬時(shí)間不少于8 min，鎮(zhèn)靜時(shí)間不少于10 min。

3.3.3 全程保護(hù)連鑄

為保證鋼水的潔凈度，防止二次氧化，采取全程保護(hù)澆注，使用圓坯專用保護(hù)渣。為防止增加夾雜物并使鋼質(zhì)均勻，采用中間包恒重操作和結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)等技術(shù)。為了有效控制偏析現(xiàn)象，減少中心疏松和縮孔缺陷，結(jié)晶器采用電磁攪拌。

3.4 鑄坯質(zhì)量

鉆桿用27CrMo44s連鑄圓管坯經(jīng)檢測(cè)，27Cr-Mo44s連鑄圓管坯的化學(xué)成分參見(jiàn)表3。

從表3可以得知，碳元素含量偏下限，合金元素Mn、Mo和Cr成分均在中下限范圍內(nèi)，P、S含量較低，Ni和Cu元素含量較低，均為0.020%以下，鑄坯化學(xué)元素成分控制穩(wěn)定，波動(dòng)較小。

氣體氧、氫含量較低，氮含量最高為30ppm，符合設(shè)計(jì)要求。

鑄坯的低倍組織含有0.5級(jí)中心疏松和中心偏析缺陷，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。

4 客戶使用情況

成品鋼管的機(jī)械性能見(jiàn)表4。

夾雜物含量情況為：A類夾雜物粗系和細(xì)系分別為1.0級(jí)，D類夾雜物粗系為0.5級(jí)，其它夾雜物級(jí)別都為0，夾雜物總和為粗系1.5級(jí)，細(xì)系1.0級(jí)。

由此可見(jiàn)，成品鋼管的機(jī)械性能（見(jiàn)表4）能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但A類非金屬夾雜物級(jí)別稍有偏高。A類非金屬夾雜物為硫化物類夾雜，因此，今后此鋼種在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)增加LF精煉時(shí)間，進(jìn)一步調(diào)整底吹氬強(qiáng)度、吹氬時(shí)間和鎮(zhèn)靜時(shí)間，使脫硫產(chǎn)物充分上浮祛除。

表3 天鋼27CrMo44s化學(xué)成分情況 /%

表4 S級(jí)成品鋼管的機(jī)械性能

5 結(jié)論

天鋼采用轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐、VD真空脫氣、圓坯連鑄工藝生產(chǎn)的鉆桿用27CrMo44s連鑄圓管坯化學(xué)成分和內(nèi)部質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。采用熱軋后水淬調(diào)制熱處理生產(chǎn)的成品鋼管綜合性能符合美國(guó)石油協(xié)會(huì)API 5DP的S級(jí)鉆桿要求。但是，此產(chǎn)品存在A類非金屬夾雜物級(jí)別稍有偏高的問(wèn)題。在今后的生產(chǎn)中應(yīng)增加LF精煉時(shí)間。進(jìn)一步調(diào)整底吹氬強(qiáng)度、吹氬時(shí)間和鎮(zhèn)靜時(shí)間，使脫硫產(chǎn)物充分上浮祛除。27CrMo44s連鑄圓管坯的成功開(kāi)發(fā)為天鋼研發(fā)超高強(qiáng)度、抗腐蝕鉆桿用鋼等更高級(jí)別產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。