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CN116855851A - 一种hl级新型抽油杆用钢及其制备方法 - Google Patents

一种hl级新型抽油杆用钢及其制备方法 Download PDF

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CN116855851A CN202310917318.5A CN202310917318A CN116855851A CN 116855851 A CN116855851 A CN 116855851A CN 202310917318 A CN202310917318 A CN 202310917318A CN 116855851 A CN116855851 A CN 116855851A
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王程明
赵楠
赵中昱
白丽娟
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HBIS Co Ltd
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Hebei Dahe Material Technology Co ltd
HBIS Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种HL级新型抗氢抽油杆用钢及其制备方法，属于特钢技术领域。化学成分及质量百分比如下：C：0.30～0.32%，Si：0.23～0.27%，Mn：0.90～1.10%,Mo：0.24～0.26%，Cr：1.0～1.1%，Ni：1.1～1.3%，V：0.07～0.09%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为铁及不可避免杂质。制备方法包括冶炼、轧制、热处理工序。本发明获得的HL级新型抗氢抽油杆用钢性能满足屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，伸长率≥15%，断面收缩率≥60%，冲击功KV2≥80J，达到HL级抽油杆钢国家标准，具有优良的抗氢脆敏感性。

Description

一种HL级新型抽油杆用钢及其制备方法
技术领域
本发明属于特钢技术领域，涉及一种综合力学性能、抗氢性能优良的H级新型抗氢抽油杆用钢及其制备方法。
背景技术
机械采油法是目前我国原油开采的主要方法。有杆泵采油是机械采油方法中应用最广的一种。抽油杆作为有杆泵采油装备的主要承载件，在拉压载荷作用下做往复运动，极易产生变形、磨损、疲劳，最终导致断裂。随着石油勘探开采逐渐向深层、低渗透、深海、极地等恶劣地区扩展，使用环境愈发恶劣，对抽油杆提出了更高要求，高强、防腐、低成本是其主要发展趋势。
为满足市场上下游客户的要求，设计一种高性能、防腐、成本低的抽油杆钢具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种HL级新型抽油杆用钢及其制备方法，通过合理的成分设备和适宜的热处理工艺，得到高性能、低成本、具有一定抗氢性能的HL级抽油杆用钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种HL级新型抗氢抽油杆用钢，所述抗氢抽油杆用钢化学成分及质量百分比如下：C：0.30～0.32%，Si：0.23～0.27%，Mn：0.90～1.10%, Mo：0.24～0.26%，Cr：1.0～1.1%，Ni：1.1～1.3%，V：0.07～0.09%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为铁及不可避免杂质。
本发明所述抗氢抽油杆用钢屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，伸长率≥15%，断面收缩率≥60%，冲击功KV2≥80J。
本发明所述抗氢抽油杆用钢金相组织为回火贝氏体。
本发明所述抗氢抽油杆用钢在全充氢条件下，抗氢脆敏感性指数IHE≤75%，与30Ni2CrMnMoVA钢（IHE≥90%）相比，抗氢脆敏感性至少提升了15%。
本发明另一目的在于提供一种上述的HL级新型抽油杆用钢的制备方法，所述制备方法包括冶炼、轧制、热处理工序，具体步骤如下：
（1）冶炼：真空感应炉熔炼，钢水热浇铸后得到铸锭；
（2）锻造：将铸锭锻造成长方体料坯，锻造温度1150～1200℃，以便获得组织致密、成分均匀的料坯，为后续获得均匀的产品组织提供必要条件；
（3）轧制：将料坯加热至1080～1110℃，保温2.0～2.5h，多道次轧制为指定规格的光滑圆棒，热轧过程温度保持在950～1050℃范围内，轧后采用空冷处理；
（4）热处理：采用淬火+回火的调质热处理工艺。
本发明所述热处理工序，对轧制后的料坯随炉加热至奥氏体化温度以上保温一定时间，淬火温度850～900℃，保温时间45～60min，水淬至室温。
本发明所述热处理工序，回火温度为550～640℃，时间为60～90min，空冷至室温。
本发明所述圆棒直径为Ф19-25mm。
本发明所述抽油杆用钢采用低Ni的设计方案，与30Ni2CrMnMoVA钢相比，降Ni在保证一定的抗氢性能基础上，可有效降低生产成本；适当提高Cr含量有助于提高抗氢脆性能和保证强度；Mn元素增加用以弥补强度损失。最后通过实验验证，调质热处理工艺更易获得满足力学和氢脆性能的HL级抽油杆钢。
本发明经上述热处理工艺后，获得的组织为回火贝氏体，铁素体基体上均匀弥散地分布着细小的不规则条片状、颗粒状碳化物，性能更加趋于强韧化；同时，回火过程产生的析出相在晶界和晶内均匀分布，连同碳化物，增加了钢中不可逆氢陷阱数量，从而达到良好的强韧性匹配及较低的氢脆敏感性指数。
采用上述技术方案产生的有益效果在于：
1、本发明的成分配比采用了低Ni提Cr提Mn的设计方案，降低了合金成本，对于HL级抽油杆用钢综合性能的提高优化以及降本增效具有深远意义。2、本发明的HL级新型抽油杆用钢，采用调质热处理工艺，回火温度550～640℃较宽的温度范围内均可得到回火贝氏体组织，较30Ni2CrMnMoVA钢的回火索氏体组织，在获得优良的强韧性匹配的同时，回火贝氏体具有更低的氢脆敏感性；3、本发明热处理过程中，在回火温度550～640℃较宽的温度范围内均可获得回火贝氏体组织，较30Ni2CrMnMoVA钢的热处理制度，更便于产线推广应用。4、本发明得到的微观组织中，可存在较多的碳化物和析出物，增加了组织中不可逆氢陷阱的数量，具有更低的氢脆敏感性，在保证力学性能前提下，可大幅度提升材料服役过程的抗氢性能。
附图说明
图1为实施例3金相组织（1000X）；
图2实施例3的SEM碳化物形貌（5KX）；
图3对比例的SEM形貌（10KX）；
图4实施例3的TEM析出物形貌（26KX）。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1-6
一种HL级新型抽油杆用钢的制备方法，包括冶炼、轧制、热处理工序，具体步骤如下：
（1）冶炼：采用50kg真空感应炉冶炼编号1-6#抽油杆用钢和对比例，钢水热浇铸后得到横截面为160mm×160mm的长方体铸锭；
（2）锻造：将铸锭锻造成横截面50mm×50mm的长方体料坯，锻造温度1150～1200℃；
（3）轧制：将料坯加热至1080～1110℃，保温2.0～2.5h，多道次轧制为Ф19-25mm的光滑圆棒，单道次压下率≥20%，热轧过程温度保持在950～1050℃范围内，轧后采用空冷处理。
（4）热处理：热轧后的光滑圆棒选用合适的调质热处理工艺，淬火温度850～900℃，保温时间45～60min，水淬至室温；回火温度为550～640℃，时间为60～90min，空冷至室温。
各实施例化学成分控制见表1，控制参数见表2，力学性能检测结果见表3。
表1 实施例1-6抽油杆用钢化学成及百分含量（wt%）
表2 实施例1-6抽油杆用钢制备工艺控制参数
表3 实施例1-6抽油杆用钢力学性能检测结果
选取对比例（30Ni2CrMnMoVA钢）与实施例1-6所获得的产品进行性能对比，对比例30Ni2CrMnMoVA钢化学成分如下：C：0.30%，Si：0.25%，Mn：0.85%，Mo：0.25%，Cr：0.85%，Ni：1.61%，V：0.08%，P：0.0080%，S：0.0060%。
采用实施例1-6与对比例制备的产品，分别进行力学性能测试，预充氢慢速率拉伸试验（SSRT）。SSRT采用5mA/cm2的恒电流进行24h预充氢，拉伸速率为1×10-6/s，氢脆敏感性采用断后伸长率和抗拉强度进行计算，即IHE＝1-[σH（1+δH）/σ0（1+δ0）]。各实施例和对比例力学性能检测结果如表3所示。
本发明实施例和对比例相比，实施例1-6产品的强韧性更好；充氢慢速率拉伸试验条件下，本发明实施例1-6产品氢脆敏感性指数IH≤75%，氢脆敏感性显著降低，表明其抗氢脆性能明显提高。
对实施例1-6和对比例热处理后的材料进行了微观组织结构特征观察，发现实施例1-6微观组织均为回火贝氏体，如图1所示（其余实施例附图相似省略），对比例则为回火索氏体组织，由于回火贝氏体较回火索氏体具有更少的位错结构，使得钢中可逆氢陷阱数量较少，具有更低的氢脆敏感性。扫描电镜SEM发现，实施例1-6微观组织铁素体基体均匀弥散分布着细小的不规则条片状、颗粒状碳化物，随着回火温度升高会出现球化、粗化，透射电镜TEM发现有一定量的析出相在晶界和晶内均匀分布，这些碳化物和析出相能够对氢起钉扎作用，形成不可逆氢陷阱，抑制氢扩散，减少材料中游离氢的含量，降低材料的氢脆敏感性，从而增强材料的抗氢能力。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种HL级新型抗氢抽油杆用钢，其特征在于：所述抗氢抽油杆用钢化学成分及质量百分比如下：C：0.30～0.32%，Si：0.23～0.27%，Mn：0.90～1.10%, Mo：0.24～0.26%，Cr：1.0～1.1%，Ni：1.1～1.3%，V：0.07～0.09%，P≤0.01%，S≤0.01%，余量为铁及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种HL级新型抗氢抽油杆用钢，其特征在于：所述抗氢抽油杆用钢屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，伸长率≥15%，断面收缩率≥60%，冲击功KV2≥80J。
3.根据权利要求1或2所述的一种HL级新型抗氢抽油杆用钢，其特征在于：所述抗氢抽油杆用钢金相组织为回火贝氏体。
4.根据权利要求1或2所述的一种HL级新型抗氢抽油杆用钢，其特征在于：所述抗氢抽油杆用钢在全充氢条件下，抗氢脆敏感性指数IHE≤75%。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的HL级新型抽油杆用钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括冶炼、轧制、热处理工序，具体步骤如下：
（1）冶炼：真空感应炉熔炼，钢水热浇铸后得到铸锭；
（2）锻造：将铸锭锻造成长方体料坯，锻造温度1150～1200℃；
（3）轧制：将料坯加热至1080～1110℃，保温2.0～2.5h，多道次轧制为指定规格的光滑圆棒，热轧过程温度保持在950～1050℃范围内，轧后采用空冷处理；
（4）热处理：采用淬火+回火的调质热处理工艺。
6.根据权利要求5所述的HL级新型抽油杆用钢的制备方法，其特征在于：所述热处理工序，淬火温度850～900℃，保温时间45～60min，水淬至室温。
7.根据权利要求5所述的HL级新型抽油杆用钢的制备方法，其特征在于：所述热处理工序，回火温度为550～640℃，时间为60～90min，空冷至室温。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的HL级新型抽油杆用钢的制备方法，其特征在于：所述圆棒直径为Ф19-25mm。
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