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抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头及其热处理方法
技术领域
本发明涉及一种高性能抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头及其热处理方法。
背景技术
传统的生产抗硫钻杆的主要工艺过程是：将热轧无缝钢管两端按所需尺寸加厚，然后进行整体调质热处理，制成合格的钻杆管体。将管坯料经热冲孔后，制成工具接头毛坯，然后进行粗加工和整体热处理。将热处理过的工具接头与钻杆管体经摩擦对焊连接后，再进行焊逢热处理，最后经适当机械加工制成石油钻杆。
就抗硫钻杆的工具接头而言，其厚度一般要达到30～50mm，大大高于管体，另外也要具有比管体更高的强度和硬度，因此一般采用中碳合金钢制造。
表1列出了国外几个主要钻杆厂家生产的110ksi钢级抗硫钻杆工具接头成分。
表1
110ksi抗硫钻杆工具接头主要成分

  厂家  牌号  C  Mn  Cr  Mo  Nb  IRP  SS105  0.25/0.35  ≤1.0  0.7/1.3  0.4/0.7  Grant  DP105  0.37  0.88  0.96  0.26
国际上对110ksi钢级抗硫钻杆工具接头的力学性能标准有统一的要求，见表2。各生产厂家生产的110ksi钢级抗硫钻杆工具接头的力学性能必须满足这一要求。
表2
110ksi抗硫钻杆工具接头力学性能
  屈服强度  ksi  抗拉强度  ksi  Akv/L(室温，全尺寸)  J  δ  ％  HRC  (平均)  110～125  125～140  ≥46  ≥15  ≤30
由于不同厂家生产的抗硫钻杆工具接头的强度必须在表2规定的强度范围内，其内在质量的差异主要表现在韧性和抗硫性能方面的不同。为追求较高的韧性和优异的抗硫性能，各厂家采用不同的成分设计。为了提高抗硫钻杆工具接头的抗硫性能，需采用淬火加高温回火的调质热处理工艺，且需要尽量提高回火温度，以保证有尽量均匀的回火组织和较低的残余应力。
为保证在高温回火后，仍然具有较高的强度和韧性，需要加入较多的合金元素，比如Mo、V、Nb、Ti等微合金元素。
但是由于工具接头的合金含量较高，进行水淬热处理时极易产生淬火裂纹，目前国内外普遍采用在纯水中加入有机介质，进行钻杆工具接头的水淬热处理，目的是适当降低水淬时的冷却速度，避免出现淬火裂纹。
采用水淬介质淬火需调整介质的浓度。介质浓度过高，则淬火效果不好，浓度过低，会失去介质作用，出现淬火裂纹。同时在连续生产过程中，介质会有损耗，需随时监测介质浓度，给稳定生产带来一定困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新的抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头及其热处理工艺，既可以保证钻杆用工具接头充分淬透，又不会产生淬火裂纹，同时也能保证钻杆用工具接头具有优异的抗硫性能。
本发明的技术方案是：
一种抗硫化氢腐蚀用石油钻杆工具接头，它采用具有以下成分的无缝钢管制成(wt％)：
C：0.30～0.40％
Si：0.1～0.5％
Mn：0.4～1.0％
Cr：0.3～1.2％
Mo：0.4～1.0％
V：0.05～0.15％
Nb：0.04～0.10％
Ti：0.01～0.10％
Cu：0.1～0.4％
Ni ：01～0.4％
P：≤0.010％
S：≤0.005％
其余为Fe和不可避免的杂质。
下面分别介绍各个合金元素的作用：
C：0.30～0.40(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性。
Mn：0.4～1.0，Mn为奥氏体形成元素，可以提高钢的淬透性，含量小于0.4时作用不明显，含量大于1.0时，组织偏析倾向加重，会影响抗硫性能。
Si：0.1～0.5，用于炼钢时脱氧，含量过低不起作用，含量高于0.5，会增加材料的脆性。
Cr：0.3～1.2，Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性，太低时效果不明显，太高时会大大提高钢的硬度，影响抗硫性能。
Mo：0.4～1.0：主要是通过碳化物及固溶强化形式来提高钢的强度，含量过高会降低钢的韧性，含量过高则大大提高成本。
V：0.05～0.15，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Nb：0.04～0.10，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Ti：0.01～0.10，能够细化晶粒，形成碳化物，提高钢的强度和韧性。但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制使用量。
Cu：0.1～0.4，能够加强材料抗氢渗透能力，加入太低作用不明显，加入太多会增加钢的脆性。
Ni：0.1～0.4，配合Cu加入，同时可以提高钢的韧性，加入太低，效果不明显，加入太高，提高韧性的作用不明显。
P：≤0.010，易于形成异常组织偏析，影响抗硫性能。因此应该尽量降低P含量。
S：≤0.005，易于形成硫化物夹杂，严重影响抗硫性能。因此应该尽量降低S含量。
本发明的抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头的热处理工艺为：粗加工成钻杆工具接头，经整体加热到850～1000℃的温度后，在油槽中整体淬火冷却，随后在680℃以上并低于材料的AC1温度(钢的下临界点温度)回火。常用的做法是：采用具有本发明中以上成分的无缝钢管，粗加工制成工具接头，而后采用在850～1000℃油淬，淬火冷却后在680～720℃回火的工艺对工具接头进行整体热处理；将热处理后的工具接头与钻杆管体进行摩擦对焊，然后对焊缝进行调质热处理；焊缝热处理工艺为：950～1050℃感应加热，气雾冷却后，700～750℃感应加热回火。
目前国内外对钻杆工具接头的热处理一般均采用具有一定介质浓度的水淬火液进行整体淬火。本发明采用油淬火方式对钻杆工具接头进行整体热处理。由于油淬方式的冷却速度低于水淬，因此可以采用较高合金含量的钢材来制造钻杆工具接头。由于工具接头的合金含量较高，在随后进行的焊缝热处理中，可以采用比常规冷却速度更慢的冷却方式进行焊缝淬火处理，从而避免焊缝因为局部快速冷却而产生淬火裂纹，保证了焊缝质量的稳定。
本发明的有益效果如下：
本发明的抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头，有着较高的淬透性，可以保证40mm以上厚度的截面用油淬火方式完全淬透。与采用水淬介质方式淬火相比，本发明的油淬热处理工艺可以避免因为水淬介质浓度的波动给稳定生产带来的困难。
本发明既可保证钻杆用工具接头充分淬透，又不会产生淬火裂纹，同时也能保证钻杆用工具接头具有优异的抗硫性能。采用本发明中的工具接头所用钢种和热处理方法，可以生产出屈服强度达110ksi以上钢级的高强度抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头。
具体实施方式
下面结合实施例和比较例对本发明作进一步说明。
实施例：
本发明分别采用具有如表3中所列合金成分的无缝钢管，粗加工制得4、5、6、7、8号工具接头。而后采用将工具接头整体加热到850～1000℃的温度后，在油槽中整体淬火冷却，随后在680～720℃回火的工艺，分别对4-8号工具接头进行整体热处理。
将本发明制得的4-8号工具接头所用的Cr-Mo-V钢与普通工具接头常用的Cr-Mo钢进行对比，其化学成分对比情况见表3。
表3  试验钢化学成分对比
  编号  C  Si  Mn  Cr  Mo  V  Nb  Ti  备注  1  0.27  0.21  0.58  1.04  0.29  0.07  对比钢种  2  0.29  0.19  1.41  0.94  0.38  0.08  对比钢种  3  0.35  0.27  0.88  0.85  0.50  对比钢种  4  0.30  0.36  1.00  0.98  1.00  0.08  0.10  0.08  本发明  5  0.34  0.50  0.78  1.20  0.55  0.05  0.06  0.10  本发明  6  0.37  0.10  0.85  0.30  0.86  0.09  0.04  0.05  本发明  7  0.40  0.20  0.40  0.68  0.40  0.06  0.07  0.01  本发明  8  0.32  0.30  0.65  0.88  0.65  0.10  0.05  0.03  本发明
将用本发明钢制得的4-8号工具接头，与用对比钢制得的普通工具接头，均采用本发明的油淬方式淬火和回火进行整体热处理后制得的成品工具接头的性能测试数据进行比较，其性能对比情况见表4。
表4  试验钢性能对比
  序号  钢种  淬火温度  ℃  回火温度  ℃  屈服强度  MPa  抗拉强度  MPa  抗SSC  性能  1  对比钢  900  700  750  865  断裂  2  对比钢  900  680  788  871  断裂  3  对比钢  900  680  766  835  断裂  4  本发明  920  720  820  910  良好  5  本发明  920  690  830  920  良好  6  本发明  900  700  803  880  良好  7  本发明  900  680  775  850  良好  8  本发明  900  680  790  860  良好
(注：其中抗硫性能试验按NACE TM0177标准的方法A，试样在5％NaCl+0.5％冰醋酸溶液中通入饱和硫化氢，在80％名义屈服强度下，连续720小时不断裂，则表明抗硫即抗SSC性能良好。)
从表4可看出，采用本发明的钢种和方法可以制造出合格的抗硫化氢腐蚀石油钻杆用工具接头；在淬火温度920℃和回火温度690℃条件下进行油淬热处理后得到的钻杆工具接头屈服强度和抗拉强度均较高。
比较例：
现将本发明与1个有关抗硫钻杆工具接头的日本专利进行比较，其成分比较见表5。
表5  日本专利与本发明钢化学成分比较
  材  料  C  Si  Mn  P  S  Cr  Mo  V  Nb  Ti  日本专利号  JP2003166037  接  头  0.3  ～  0.4  ≤  0.5  0.6  ～  1.2  ≤  0.01  ≤  0.002  0.8  ～  1.2  0.15  ～  0.35  ≤  0.05  ≤  0.04  本发明  接  头  0.3  ～  0.4  0.1  ～  0.5  0.4  ～  1.0  ≤  0.01  ≤  0.005  0.3   ～  1.2  0.4  ～  1.0  0.05  ～  0.15  0.04  ～  0.10  0.01  ～  0.10
从表5可看出，与日本专利相比，本发明的钻杆工具接头具有较高的Mo，以及微合金元素V、Nb和Ti，这不仅提高了材料的淬透性和回火稳定性，还可以保证接头在较高的温度回火后仍然具有较高的强度和抗硫性能。
日本专利与本发明工具接头的热处理工艺、力学性能及抗硫性能对比见表6。
表6  日本专利与本发明热处理工艺、力学性能及抗硫性能比较

从表6可看出，日本专利由于回火温度较低，强度较高，但抗硫性能较差，只能在微酸性环境下，通入不饱和硫化氢的条件下使用。而本发明可以在NACE TM0177标准规定的最严苛酸性环境下使用，具有优异的抗硫性能。