低温PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的开发

周国帅，周家祥，周晓锋，刘江成，窦志超

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

低温PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的开发

周国帅，周家祥，周晓锋，刘江成，窦志超

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

介绍了低温PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的主要技术指标、钢种设计、生产工艺流程及力学性能检测结果。通过合金化技术、纯净钢冶炼、控制轧制、热处理等手段，保证了PSL-3 S135钻杆用无缝钢管具有较高的屈服强度，同时又具有良好的低温冲击韧性和优良的高温强度。检测结果表明：生产的低温PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的屈服强度高于950 MPa，-20℃管体纵向全尺寸冲击功∧100 J，可以保证该S135钻杆在苛刻条件下的使用安全性。

S135钻杆用无缝钢管；PSL-3；屈服强度；低温冲击韧性；高温强度

钻杆是油、气井钻探的主要工具之一，在钻具用管中，钻杆的使用量最大。钻杆在钻井时要承受拉伸、压缩、扭转、弯曲以及冲击等各种交变应力的作用［1-3］，在有硫化氢的油气田里，还要求能抗硫化氢腐蚀［4-5］。天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）从钢种设计出发，严格控制产品的炼钢、轧制、热处理等工艺，开发了一种既能保证高温强度、又具备低温冲击韧性的PSL-3 S135钢级钻杆用无缝钢管。

1 标准要求

API Spec 5DP∶2009《Specification for Drill Pipe》要求：PSL-3 S135钻杆的化学成分中w（P）≤0.020%，w（S）≤0.012%；屈服强度Rt0.7的范围是931～1 138 MPa，抗拉强度≥1 000 MPa；冲击试验在-20℃温度进行，全尺寸冲击功≥100 J、3/4尺寸冲击功≥80 J。

2 化学成分设计

国内外厂家钻杆成分设计一般采用Cr-Mn钢或Cr-Mn-Mo钢［6-7］，w（C）大多控制在0.24%～0.35%，通过适当添加合金元素提高强度和淬透性。天津钢管在开发PSL-3 S135钻杆用无缝钢管时，参照国内外厂家钻杆的优缺点，在可行性研究的基础上，采用低碳Cr-Mn-Mo-V钢［8］，并适当添加其他合金元素来提高钻杆的强度和淬透性。

C是一种能有效提高强度且成本低廉的合金元素。提高钢中C含量是提高材料强度高效和经济的手段，成为传统高强度钢的设计方案，但是以牺牲塑韧性为代价。研究表明：钢中碳含量对马氏体形态有显著影响，w（C）∧0.3%以板条马氏体为主，兼有部分片状马氏体（孪晶型），w（C）∧0.26%基本为板条马氏体即位错型马氏体；在强度相同的情况下，位错型马氏体与孪晶型马氏体相比具有韧性良好，脆性转变温度低，缺口敏感性低等优点，即使经过回火也有同样的表现［9-11］。为此，将w（C）设计在0.20%～0.26%。

Si和Mn元素都是良好的脱氧剂和脱硫剂，一方面作为脱氧元素加入，一方面又作为合金元素加入，起强化作用。Mn含量增加，使钢的淬透性增加，但也增加了钢的回火敏感性，降低钢的韧性。另外，Mn含量过高对钢的焊接性能不利。设计时以w（Mn）在0.80%～1.20%最宜。Si是强烈促进石墨化的元素，极易在退火和回火过程中发生石墨化现象，因此w（Si）取0.20%～0.35%。

S和P是有害元素，一般情况下含量越低越好。

Cr是一种在适当的添加范围内能同时提高钢的强度、韧性和耐蚀性的元素。当w（Cr）∧0.30%时，对于一定规格的无缝钢管，淬透性偏低，从而使强度偏低。但Cr会显著提高钢的脆性转变温度，增加钢的回火脆性。适宜的w（Cr）范围是0.30%～1.25%，最佳范围在0.95%～1.10%。

Mo是碳化物形成元素，在合金钢中能形成多种碳化物，提高钢的硬度，产生二次硬化。利用Mo元素的二次硬化可以抑制低合金钢强度随回火温度升高而降低的现象，实现提高回火温度、解决高强度和高韧性匹配的问题；Mo元素在原奥氏体晶粒的富集偏聚提高了晶界的结合强度，从而明显改善了高强度钢的耐延迟断裂能力，保证了钢在高强度下具有良好的抗氢致断裂能力；Mo元素具有抑制回火脆性的性能，能够阻碍P等杂质在晶界的偏析，降低钢的回火脆性。但Mo合金元素价格较高，故应控制在0.40%～0.50%。

V元素能够细化晶粒度，提高钢铁材料的强度和韧性。在轧管过程中，随着控轧控冷的进行，V元素分阶段析出，细化轧制的奥氏体晶粒和微观组织；在奥氏体高温过程中，由于钒的碳化物是逐步固溶而非一次性全部瞬间固溶，因此钒的碳化物可以起到钉扎晶界、细化奥氏体的作用，避免奥氏体晶粒的过度长大；在回火过程中，V与C一起析出细小弥散的沉淀粒子，起到弥散强化的作用；此外，V还具有提高回火稳定性、提高回火温度的作用，可以保证钢管出回火炉后在较高温度下矫直，降低矫直产生的残余应力［12］。但V元素过多，在组织中无法溶解，故选择w（V）在0.03%～0.07%。

通过以上化学成分的分析，设计出一种低碳钻杆用无缝钢管用钢——24CrMo44V钢。24CrMo44V钢的化学成分见表1。

表1 24CrMo44V钢的化学成分（质量分数）%

3 生产工艺制定

3.1 炼钢工艺

24CrMo44V钢采用100 t电炉冶炼+LF精炼+ VD真空处理+圆坯连铸工艺生产。

考虑到类似钢种的冶炼经验，对脱氧剂的加入量进行了调整：加大了出钢时铝球的用量，根据终点碳含量控制w（Al）不小于0.020%，同时控制出钢温度在1 620～1 640℃，防止温度过高。LF钢包精炼炉对钢水化学成分进行微调，采取多批次少量加入并即时加热的方式配入合金，在合金全部加入后减小钢液温降。根据全Al含量的高低适当补喂Al线，使LF炉出钢时的w（Al）为0.02%～0.04%。出钢喂Ca-Si线进行钙处理，使非金属夹杂物得到球化处理。经过VD处理，保证钢水纯净度。连铸采用氩气保护+密封垫保护浇铸，减少二次氧化；合理控制二冷水冷却强度及出二冷室铸坯矫直前温度，可以有效防止铸坯表面裂纹的产生，采用弱冷工艺控制柱状晶生长。

3.2 轧制工艺

热轧生产工艺流程为：连铸圆管坯→环形炉加热→锥形辊穿孔机穿孔→PQF连轧管机轧制→24机架张力减径机减径→冷床冷却→精整→检查、修磨→定尺切断、包装、入库。

在热轧工艺优化方面主要进行以下工作：

（1）选择最佳温度制度。在Gleeble热模拟试验机上，测定该钢种在不同温度下的变形抗力和面缩率，结果显示其变形抗力较低而面缩率较高，合适的塑性加工温度为1 100～1 150℃。控制环形炉的均热温度和生产节奏，保证钢管在此温度范围内进行穿孔和连轧。

（2）分配穿孔、连轧的变形量。在分配穿孔、连轧变形量时，应尽可能将变形量前移至穿孔，并合理分配PQF连轧管机各机架间的变形比，这样可以减少连轧管机延伸系数，降低轧制负荷，减轻连轧不均匀变形程度，从而减少轧制缺陷的产生［13］。

3.3 管端镦粗和调质热处理工艺

管端镦粗主要控制的指标包括加热温度、保温时间以及镦粗时各道次变形量的分配。

（1）控制加热温度。感应加热温度控制在1 050～1 150℃。温度过高易造成过烧、表面脱碳、奥氏体晶粒度长大等；加热温度过低则会降低材料变形塑性，增加镦粗变形抗力，降低镦粗变形的尺寸精度。

（2）控制加热保温时间。感应加热完全奥氏体化后保温30～50 s，使奥氏体充分均匀，但又不造成晶粒的过度长大。

（3）控制镦粗变形量分配。第一次和第二次镦粗采用大压下量变形，第三次镦粗采用小压下量变形控制，以提高尺寸精度。同时，在感应加热温度控制上，第一次镦粗和第二次镦粗在1 050～1 150℃温度之间尽量走上限（偏高温控制），第三次镦粗时温度尽量走下限（偏低温控制）。

热处理是建立在合理的温度区间内进行的，这个温度区间由钢的CCT曲线（过冷奥氏体连续冷却转变曲线）确定［14］。24CrMo44V钢的CCT曲线如图1所示，不同冷却速度下24CrMo44V钢的金相组织如图2所示。

图1 24CrMo44V钢的CCT曲线

图2 不同冷却速度下24CrMo44V钢的金相组织

根据24CrMo44V钢的CCT曲线和设备条件，确定其最佳调质热处理工艺。通过调质热处理可以得到均匀细小的回火索氏体组织，并使各种合金元素形成均匀细小弥散的碳化物，起到弥散强化的作用；此外，调质热处理还是细化晶粒度的非常有效的方式［15］。

4 实际性能与结果讨论

4.1 强度

PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的室温强度分布如图3所示。从图3可以看出，所生产的PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的屈服强度在970～1 120 MPa，抗拉强度在1 030～1 170 MPa，很好地满足了标准的要求。

图3 PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的室温强度分布

强度是保证钻杆安全服役的前提，特别是钻杆在地下受到钻机和地下岩层的交变应力，钻杆产品在深井、超深井下作业时，承受高温高压复杂应力载荷，钻杆材料的高温力学性能直接影响钻杆的服役安全和使用寿命。因此，在满足APISpec 5DP∶2009标准对PSL-3 S135钻杆要求的前提下，还要保证其具有较高的高温强度。PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的高温强度见表2。从表2可看出，随着试验温度的升高，强度缓慢下降，室温屈服强度为1 039 MPa的钢管，在200℃、250℃、300℃、350℃时屈服强度分别为967 MPa、929MPa、914 MPa、872 MPa，屈服强度分别下降了7%、11%、12%、16%。通过以上数据看出，开发的PSL-3 S135钻杆用无缝钢管不仅常温强度优良，而且有很好的高温强度。

表2 PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的高温强度

4.2 冲击韧性

APISpec 5DP∶2009标准规定，PSL-3 S135钻杆管体纵向全尺寸最低平均冲击功不小于100 J，单个值不小于80 J。PSL-3 S135钻杆用无缝钢管在-20℃的全尺寸冲击值分布如图4所示。从图4可以看出：该无缝钢管的冲击值在120～155 J，平均值约为140 J，高于标准要求，保证了其在服役状态下的安全性。由于钻杆的管端经过了1 000℃以上的高温加热和变形，所以测定高温变形后的管端加厚端的冲击韧性尤为重要。经过测量，管端加厚端的纵向全尺寸-20℃的平均冲击值在110～130 J，完全符合标准对管体冲击功的要求。

图4 PSL-3 S135钻杆用无缝钢管在-20℃的全尺寸冲击值分布

冲击试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，该试验温度称为韧脆转变温度FATT50。FATT50是衡量材料低温机械性能的重要指标［16］。PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的韧脆转变曲线如图5所示，可看出该管材的FATT50约为-73℃，可以满足钻杆在较低温度下的使用要求，保证钻杆在低温使用时的安全性。

图5 PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的韧脆转变曲线

4.3金相组织和晶粒度

PSL-3 S135钻杆用无缝钢管经过合理的热处理试验后，其管体的金相组织为回火索氏体，且组织均匀细小，晶粒平均直径在10μm左右，晶粒度等级≥9级。这种均匀细小的组织可保证PSL-3 S135钻杆用无缝钢管既具有较高的强度，同时又具有良好的低温韧性。PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的金相组织和晶粒度如图6所示。

图6 PSL-3 S135钻杆用无缝钢管的金相组织和晶粒度

5 结论

天津钢管通过合理设计化学成分，严格控制炼钢、轧制、热处理工艺，成功开发出低温PSL-3 S135钻杆用无缝钢管。该产品性能特点如下：

（1）通过优化各镦粗道次的变形温度和变形量，使得加厚部位的晶粒更均匀；

（2）室温强度高，在350℃情况下仍能达到125钢级的水平；

（3）-20℃温度下，管体纵向全尺寸冲击功可达到120 J以上，韧脆转变温度低，同时加厚端的冲击韧性也较好，可以更好地保证该产品在低温状态下的安全性。

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Deve lopment of PSL-3 S135 Seam less Steel Drill Pipe for Low Tem perature Service

ZHOU Guoshuai，ZHOU Jiaxiang，ZHOU Xiaofeng，LIU Jiangcheng，DOU Zhichao
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Described here in the essay are themain aspects of the PSL-3 S135 seam less steel drill pipe for low temperature service，includingmajor technical indexes，steel type design，manufacturing process flow，and results ofmechanical property tests，etc.High yield strength and good low temperature impact resistance aswell as excellent high temperature strength of the said drill pipe are assured by means of such techniques as alloying process，clean steel-making，controlled rolling and heat treatment.Relevant testing and measurement results show that the PSL-3 S135 seam less steel drill pipe for low temperature service has its yield strength over 950MPa，and full-length impact energy absorption∧100 Jat-20℃，which ensures the drill pipe’ssafety foroperation under relevantharsh conditions.

S135 seam less steel drill pipe；PSL-3；yield strength；low-temperature impact toughness；hitemperature strength

TG335.71

B

1001-2311（2016）06-0020-05

2016-08-10）

周国帅（1983-），男，硕士，工程师，从事管线用、钻杆用无缝钢管的生产及开发工作。