本發明專利技術涉及一種采用同種材料錐面摩擦焊接式抗硫化氫腐蝕鉆桿及其加工工藝。該鉆桿管體與接頭采用同種材料，材料化學成分由下述重量百分比的成分組成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余為Fe和不可去除的痕量元素。本發明專利技術主要通過改變鉆桿焊縫的金屬流線分布，使得焊縫流線上的MnS夾雜物及第二相的形狀、取向與氫原子擴散方向呈一定角度，氫原子的表觀擴散系數降低，來解決現有普通抗硫鉆桿焊縫在服役過程中存在失效情況，提高抗硫鉆桿管體及焊縫的抗硫性能。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鉆桿，特別是一種采用同種材料錐面摩擦焊接式抗硫化氫腐蝕鉆桿及其加工工藝。
技術介紹
鉆桿是鉆柱的重要組成部分，是鉆井的主要工具。隨著世界經濟的快速發展，石油天然氣的需求不斷地增加，含硫化氫的酸性油氣田開發愈發加劇，鉆桿在含硫區塊的失效為一個日益嚴重的問題。鉆桿在含硫區塊服役過程中，由于鉆桿本身材質因素及其常規加工工藝特點，降低了鉆桿的抗硫性能。主要表現在:其一、鉆桿材料純凈度，以及夾雜物數量、形貌、取向，對于材料的抗硫敏感性均有較大影響，特別條狀MnS夾雜物能加大抗硫敏感性。其二、鉆桿接頭與管體端面采用摩擦對焊，使得鉆桿焊縫的金屬流線方向垂直于鉆桿管體軸線，且暴露在外壁，據資料顯示，氫原子擴散的行為影響取決于擴散通道效應、陷阱效應的強弱，及第二相的形狀、數量及取向。鉆桿在服役過程中，焊縫的MnS夾雜物受擠壓作用呈長條形狀且平行于焊縫金屬流線成為氫原子的一條天然“通道”，促使氫原子擴散，導致鉆桿焊縫的抗硫性能往往低于管體與接頭，成為抗硫鉆桿的薄弱部位之一。目前，國內外對于抗硫鉆桿的研究主要集中在管體與接頭的新材料以及熱處理工藝的研究上，而對于焊縫抗硫敏感性問題未作深入研究。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種同種材料錐面焊接式抗硫化氫應力腐蝕鉆桿及其加工工藝，主要通過改變鉆桿焊縫的金屬流線分布，使得焊縫流線上的MnS夾雜物及第二相的形狀、取向與氫原子擴散方向呈一定角度，氫原子的表觀擴散系數降低，來解決現有普通抗硫鉆桿焊縫在服役過程中存在失效情況，提高抗硫鉆桿管體及焊縫的抗硫性能。為實現上述目的，本專利技術的技術方案是:一種采用同種材料錐面摩擦焊接式抗硫化氫腐蝕鉆桿，其特征在于:該鉆桿管體與接頭采用同種材料，材料化學成分由下述重量百分比的成分組成:C0.22% 0.34%，Mn0.6% L 1%，P^0.010%, S^0.005%, Cr0.6% L 2%, Mo0.5% L 2%, Si0.17 0.35%,V0.10 0.30%, Nb0.01 0.06%, Ca0.005 0.03%, Al ( 0.030%，其余為 Fe 和不可去除的痕量元素。本專利技術的所述的抗硫鉆桿的化學成分設計原理如下:C:c為碳化物形成元素，可提高鋼的強度與淬透性，太低了效果不明顯，太高了又會降低材料的韌性，并有可能產生淬火裂紋。為了考慮本鉆桿采用同種材料焊接，要滿足鉆桿接頭與管體的不同強度韌性要求，本技術方案將C元素控制在0.22% 0.34%范圍內。Cr =Cr為碳化物形成元素，可提高鋼的強度、硬度、淬透性，但含量過高會影響材料的抗硫性能，本技術方案將Cr元素控制在0.6% 1.2%范圍內。Mn:Mn為奧氏體形成元素，通過穩定奧氏體組織，推遲高溫時奧氏體向鐵素體及貝氏體的轉變，增大馬氏體的轉變率，從而提高鋼的淬透性；其次，Mn還可以與S結合降低S的有害性，但Mn的含量過大會增加淬火后的殘留奧氏體量，降低抗硫性能以及增大材料的回火脆性，結合抗硫鉆桿性能要求，本技術方案將Mn元素控制在0.6% 1.1%范圍內。Mo =Mo主要是通過碳化物及固溶強化形式來提高材料的強度以及回火穩定性，也能提高鋼的淬透性，但是Mo的成本較高，含量過高也會降低材料的韌性，本技術方案將Mo元素控制在0.5% 1.2%范圍內。Si =Si為鋼水脫氧所添加，能降低鋼中碳的石墨化傾向，并以固溶的方式提高鋼的強度，但含量過大的話會降低材料的韌性，本技術方案將Si元素控制在0.17 0.35%范圍內。P、S:P、S為材料中的有害元素，含量越低越好，考慮到生產成本等因素，本技術方案將P元素控制在0.010%以下，S元素控制在0.005%以下。V:V元素的主要作用是抑制鋼中晶界移動和晶粒生長，細化晶粒，提高鋼的強韌性，但其含量到一定時，其效果不明顯，本技術方案將V元素控制在0.10 0.30%范圍內。Nb:Nb主要為細化晶粒，形成碳化物，提高材料的強韌性，但其含量到一定時，其效果不明顯，本技術方案將V元素控制在0.01 0.06%范圍內。Al:A1在鋼中除了脫氧外，還能與N元素結合，降低N在鋼中的危害，提高鋼的韌性和時效應變能力，但Al含量過高的話，會在材料中形成過量的夾雜物，本技術方案將Al元素控制在0.030%以下。Ca:Ca在材料冶煉過程中，可以優先形成球狀CaS夾雜，可以避免形成條狀MnS夾雜，或形成復合型球狀夾雜物，可提高材料的抗硫性能，但不宜過量，本技術方案將Ca元素控制在0.005 0.03范圍內。 相應的，本專利技術還提供了一種采用同種材料錐面摩擦焊接式抗硫化氫腐蝕鉆桿的加工工藝，具體步驟如下:A鉆桿焊接結構方式:采用慣性錐面摩擦焊方式將鉆桿管體與接頭連成一體，其中，錐面摩擦焊時，鉆桿管端錐面角A(圖2所示)控制在60°至75°之間，鉆桿接頭焊接端面錐面角度與之相匹配，頂鍛壓力與正常的垂直對焊相持平，控制在1500 18001b/in2范圍內，轉速控制在700 900r/min,使摩擦焊縮短量保持在13 20mm之間,保證焊縫的焊接性能。B鉆桿焊區熱處理工藝:步驟一、對所述管體與接頭的焊區中頻感應加熱至300°C 600°C后進行去應力退火，然后車削摩擦焊接過程中產生的飛邊毛刺，隨后加熱進行焊后熱處理；步驟二、將去應力退火后的抗硫鉆桿焊區中頻感應加熱由室溫升到780 V 900°C，保溫3 20分鐘后，使用20°C 40°C的淬火介質進行噴淋淬火；步驟三、將抗硫鉆桿焊區進行一次回火，中頻感應加熱由室溫升到690°C 750°C，保溫5 20分鐘后，使用20°C 40°C的淬火介質進行噴淋冷卻；步驟四、將抗硫鉆桿焊區進行二次回火，中頻感應加熱由室溫升到600°C 700 0C，保溫5 20分鐘后，空 冷至室溫。為取得良好的處理效果，并覆蓋鉆桿焊縫錐面熱影響區，中頻感應加熱線圈的寬度比普通焊縫熱處理的感應線圈寬，上述步驟二的中頻感應加熱的感應線圈寬度，控制在15 25mm ;上述步驟三和步驟四的中頻感應加熱的感應線圈寬度應大于所述步驟二的線圈寬度5-20mm，且保持一致。由于本專利技術高性能抗硫鉆桿管體與接頭焊區的處理方法采用了上述技術方案，可以取得以下效果。其一、合理的控制了抗硫鉆桿的合金元素配比，對材料內的MnS夾雜物進行鈣化處理，使得MnS夾雜物形成球狀的復合型夾雜物，降低MnS夾雜物的形貌取向對于鉆桿抗硫性能的敏感性；其二、對鉆桿接頭、管體采用同種材料進行錐面摩擦焊接處理，使得鉆桿焊區的焊接性能得以提高，焊縫線上的金屬流線也呈一定的角度分布，MnS夾雜物即使由于摩擦擠壓力呈長條狀的情況下，但其取向已經和氫原子的擴散方向成一定角度，氫原子的表觀擴散系數降低，能阻礙氫原子的擴散，提高鉆桿焊縫的抗硫敏感性。同時，采用錐面摩擦焊，在同樣鉆桿壁厚的情況下，增加鉆桿焊縫的焊合面積，可以改善焊縫的理化性能。其三、對鉆桿焊區感應加熱后去應力退火后，再將鉆桿焊區升溫并保溫后噴淋淬火、進行二次回火處理；經上述處理的鉆桿提高了管體與接頭焊區的抗硫化物應力腐蝕開裂性能，使焊區具有合適的強度、韌性及硬度并分布均勻，保證了鉆桿焊區性能。附圖說明圖1為本專利技術鉆桿焊縫錐面焊接示意圖。圖中:1.鉆桿 管體、2.鉆桿接頭、3.鉆桿焊縫。圖2是圖1中本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種采用同種材料錐面摩擦焊接式抗硫化氫腐蝕鉆桿，其特征在于：該鉆桿管體與接頭采用同種材料，材料化學成分由下述重量百分比的成分組成：C0.22%～0.34%，Mn0.6%～1.1%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr0.6%～1.2%，Mo0.5%～1.2%，Si0.17～0.35%，V0.10～0.30%，Nb0.01～0.06%，Ca0.005～0.03%，Al≤0.030%，其余為Fe和不可去除的痕量元素。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：袁鵬斌，余世杰，歐陽志英，龔丹梅，趙金鳳，
申請(專利權)人：西南石油大學，上海海隆石油管材研究所，上海海隆石油鉆具有限公司，
類型：發明
國別省市：
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