[发明专利]一种超高强度超高韧性钻杆接头及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻杆接头及其制造方法，尤其涉及一种超高强度超高韧性钻杆接头及其制造方法。

背景技术

用于石油天然气钻探的钻杆是按API标准生产制造的。根据API SPEC 5DP标准，钻杆有E、X、G、S四种钢级，分别对应75ksi、95ksi、105ksi、135ksi四种强度。与上述四种钢级摩擦对焊的钻杆接头仅有120ksi一种钢级。此外，为了保证钻杆接头的冲击性能，API SPEC 5DP规定了钻杆接头室温纵向全尺寸冲击功≥54J。

随着石油工业的发展，钻杆的服役条件日趋恶劣，API标准钻杆已不能满足日益苛刻的钻井作业要求。近年来，随着深井超深井的不断开发，对钻杆的性能提出了更高要求。特别是随着超深井技术的不断发展，即使是S级钻杆也不能满足井深的要求，因此能满足8000米超深井要求的150ksi、165ksi钢级超高强度钻杆应运而生。但是，API标准的120ksi钢级钻杆接头在强度上无法与150ksi、165ksi钢级管体相匹配，必须采用135ksi钢级的超高强度钻杆接头。

超深井的钻井实践表明，不仅要求钻杆接头材料有较高的强度水平，而且要有充足的韧性储备。只有这样才能抵御过载操作中的强拉、强扭、冲击振动以及各种交变载荷作用，并能适应各种特殊工作条件对钻杆的使用要求。因此，API SPEC 5DP标准中规定的室温纵向全尺寸冲击功≥54J的要求已无法满足日益苛刻的钻井作业要求。

然而现有技术的现状是，用于钻杆接头的钢种为4137H，采用该钢种可生产出135ksi钢级钻杆接头，冲击韧性满足室温纵向全尺寸冲击功≥54J的要求，但在达到135ksi钢级的超高强度条件下，还无法满足-20℃纵向全尺寸冲击功≥100J的性能要求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超高强度超高韧性钻杆接头，该钻杆接头不仅强度达到135ksi钢级的超高强度条件，同时还满足-20℃纵向全尺寸冲击功≥100J的性能要求，从而具有超高韧性，以满足深井超深井、水平井、大位移井等高难度苛刻井的钻探要求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种超高强度超高韧性钻杆接头，其化学元素质量含量为：

C：0.33～0.40％；

Si：0.1～0.5％；

Mn：0.7～1.5％；

Cr：0.7～1.5％；

Mo：0.82～0.98％；

V：0.01～0.10％；

Nb：0.01～0.05％；

P≤0.015％；

S≤0.005％；

其余为Fe和不可避免的杂质；

其中，所述超高强度超高韧性钻杆接头的微观组织中含有碳化物颗粒，且碳化物颗粒的尺寸≤0.5μm，所述碳化物颗粒的单位面积百分数量为5～20％。

本发明所述的超高强度超高韧性钻杆接头中的各化学元素的设计原理为：

C：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，并有可能产生淬火裂纹，因此，所述钻杆接头中C含量控制为0.33～0.40％。

Si：Si为提高浇铸性能必须加入的元素，含量过高会增加钢的脆性，因此，所述钻杆接头中Si含量控制为0.1～0.5％。

Mn：Mn为奥氏体形成元素，通过稳定奥氏体组织，推迟高温冷却过程中奥氏体向铁素体和贝氏体的转变，从而得到更多的淬火马氏体，提高钢的淬透性。Mn含量小于0.7％时提高淬透性的作用不明显，若Mn含量过高，则奥氏体过于稳定，会增加淬火后的残余奥氏体量。因此，所述钻杆接头中Mn含量控制为0.7～1.5％。

Cr：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。因此，所述钻杆接头中Cr含量控制为0.7～1.5％。

Mo：Mo的碳化物颗粒细小，不会造成微观组织结构的应力集中，有利于提高冲击韧性。钢的强度和回火稳定性主要通过碳化物析出强化及固溶强化形式来提高。较高的Mo含量在形成Mo的碳化物同时，还会有一部分多余的Mo固溶在基体中，以固溶强化的形式提高钢的回火稳定性。回火稳定性的提高有利于提高回火温度，从而降低热处理后的残余应力，提高冲击韧性。因此，所述钻杆接头中Mo含量控制为0.82～0.98％。

V：V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，同时因为价格很高，因此，所述钻杆接头中V含量控制为0.01～0.10％。