超深井钻杆接头用钢的连续冷却转变研究

2024-01-07张正波

山西冶金 2023年11期

张正波

（宝武杰富意特殊钢有限公司，广东韶关 512100）

0 引言

钻杆接头主要用于煤炭、石油天然气等领域，是开展资源勘探、开采过程中重要连接件，一般在极为复杂的地质环境下钻井过程中使用，承担着扭转、牵拉、挤压、撞击等综合力的作用，而且还承受瞬间的变形负荷，受力条件相当复杂，这就对钻杆接头的强韧性匹配[1]提出了较高的要求。热处理是改善钻杆强韧性的重要手段，对于钻杆接头用钢，在成分设计基础上必须进行精确化调质处理，探讨各种热处理工艺对钢材性能的影响，力求其得到最佳强韧性匹配。

1 试验材料及方法

1.1 试验设备器材

利用Gleeble-3800 型号热模拟机可以测定膨胀系数和温度曲线[2-3]；用进口的莱卡DM-4000M 光学显微镜检验金相组织。

1.2 试验材料

试验用钻杆接头用钢材料的化学成分如表1 所示，材料生产工艺流程为：高炉铁水→转炉→LF 炉精炼→RH 或VD 真空精炼→大方坯连铸机→加热炉→大棒轧制Φ95 mm 规格圆钢→缓冷。轧制圆钢缓冷结束后，在圆钢四分之一直径部位取样，加工成尺寸为直径为Φ6 mm，长81 mm 的试样，加工18 个试样。

表1 材料成分

1.3 试验方法

钻杆接头用钢材料的CCT 曲线的测定以膨胀法[4-5]为主，光学显微镜金相辅助分析。

2 不同冷却速度连续冷却转变试验

2.1 材料Ac1、Ac3 相变点温度测定

在Gleeble-3800 型号热模拟机上测定试验钢临界相变温度，采用Φ6 mm×81 mm试样，在真空状态下，按10 ℃/s 的升温速度加热到500 ℃，再以0.05 ℃/s的升温速度加热到1 000 ℃，保温10 min，再以10 ℃/s的冷却速度冷却到常温。测定出试样膨胀量随时间变化的温度曲线，测定相变点温度，Ac1 相变温度为770 ℃，Ac3 相变温度为840 ℃，如图1 所示。

图1 钻杆接头用钢膨胀系数与温度曲线

2.2 不同冷却速度连续冷却转变试验方法

将检测试样以10 ℃/s 的速度加热到1 000 ℃，保温10 min，随后依次按0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、8.0 ℃/s 的降温速度，将试样冷却到25 ℃左右，通过测量每个冷却速度工艺下的试样组织，绘制静态CCT 曲线。试样冷却后经磨制抛光，再用硝酸酒精溶液进行腐蚀，试样吹干后在光学显微镜观察组织。

3 试验结果

不同冷却速度连续冷却下的组织转变产物和显微组织如表2 及图2 所示。

图2 钻杆接头用钢不同连续冷却速度下显微组织

表2 不同连续冷速度下转变组织

测定各相转变的临界点温度，各相变的转变类型及临界点温度如表3 所示。将表3 所述的连续相转变过程中不同冷却速度下，各相转变起始和结束温度为纵坐标，以时间对数为横坐标绘制成静态CCT 曲线，如图3。

图3 静态CCT 曲线

表3 相变转变类型及临界点温度

4 试验分析

当冷却速度小于0.2 ℃/s 时，材料首先发生铁素体、珠光体、贝氏体转变；当冷却速度大于0.3 ℃/s 时，则不会发生铁素体和珠光体的转变；当冷却速度大于0.3 ℃/s 且小于3 ℃/s 时，只发生贝氏体和马氏体转变；当冷却速度大于3 ℃/s 时，只发生马氏体转变。根据显微组织分析结果表明：在高温区有铁素体转变和珠光体转变，在中温区有贝氏体转变，在低温区有马氏体转变；当冷却速度为0.05～0.2 ℃/s 时，转变产物为多边形铁素体和珠光体。

5 力学性能及热处理工艺研究

通过热模拟机试验得到该超深井钻杆接头用钢相变点Ac3 温度为840 ℃，根据静态CCT 曲线，制定拉伸冲、击样的热处理淬火温度为890 ℃，研究强韧性匹配情况。通过工艺试验，综合力学性能最好的热处理工艺为：890 ℃±5 ℃淬火，保温35 min，水冷；660 ℃±5 ℃回火，保温60 min，空冷。该工艺条件下，力学性能满足要求，具体力学性能见表4。钻杆接头用钢屈服强度在1 000 MPa 以上，抗拉强度在1 100 MPa 以上，强度高。V 型冲击功在常温、0 ℃、-20 ℃都保持在125 J 以上，韧性较好。材料的强韧性匹配良好，完全适用于超深井钻探用钻杆接头，在井下复杂环境下能大大延长钻探设备的使用寿命。