專利名稱：高抗疲勞鉆鋌的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高抗疲勞鉆鋌，屬于石油鉆井領域。
背景技術：
鉆鋌是鉆柱最重要的組成部分之一，具有向鉆頭提供鉆壓及提高鉆柱剛性的作用，它在運轉過程中除承受彎曲、扭轉、內壓和振動等載荷作用之外，還要承受一定的沖擊作用，在鉆井作業中容易產生疲勞失效。AISI4145H是國內外生產鉆鋌的最廣泛用材料，雖然目前通過對熱處理工藝改進，部分鉆鋌的沖擊韌性已經可以達到80J以上，但綜合機械性能不高，可靠性不強。隨著油田開發向深井、超深井及定向鉆井發展，由于鉆井作業工作環境越來越苛刻，對抗低溫、抗扭轉等方面提出更高的要求，普通鉆鋌越來越難以滿足鉆井作業要求。因此，鉆鋌不僅要有一定的強度，還要有足夠的韌性，從而提高疲勞性能，降低鉆鋌疲勞失效風險。
發明內容
本發明的目的是為了解決傳統工藝制作的鉆鋌時，存在綜合機械性能不高，可靠性不強等問題，而提供一種力學性能高于目前行業最高標準，同時疲勞強度大大超過目前石油行業使用的鉆鋌，通過使用這種高抗疲勞鉆鋌將有效的提高鉆鋌的強度及韌性，提高使用壽命，降低事故率，延長鉆鋌使用時間，提高鉆井效率，本發明的目的是通過以下技術方案實現的:本發明的一種高抗疲勞鉆鋌，其具體制備步驟如下:1、合金結構鋼光坯的制備:首先按照下列重量百分比配置合金粉末混合物:碳0.38 % 0.42 %，硅 0.13 % 0.18 %，錳 0.90 % 1.15 %，鑰 0.21 % 0.24%，鉻 0.90% 1.15%，磷 0.003 0.015%，硫 0.005 0.020%，銅 0.10 0.13%,鎳 0.2 0.4%，氮 0.01 0.015%，鐵 92 96%。制造流程如下:將上述合金粉末混合物依次經過偏心爐底電爐冶煉、鋼包精煉、真空脫氣、鋼包喂線、模鑄、鍛造工藝加工成所需尺寸的合金結構鋼棒體。2、鉆鋌的熱處理:采用貫通式天然氣熱處理爐對第I步得到的合金結構鋼棒體分別進行淬火處理；淬火處理的參數為:采用7縱淬火，各縱淬火的溫度范圍均為880-980°C，淬火過程采用旋轉進給，旋轉進給的進給速率6HZ-30HZ ;淬火處理后采用28 32°C水冷卻至50-200°C;將冷卻后的工件送入回火爐內進行回火處理，回火處理的參數為:采用6縱回火，各縱回火的溫度范圍均為600-700°C、回火過程采用旋轉進給，旋轉進給的進給速率6HZ-30HZ ;回火處理后采用28 32°C水將工件冷卻至100-250°C，最后自然冷卻至室溫。3、鉆鋌的內外形加工
其中，鉆鋌前后部分的連接處螺紋加工為相互匹配的錐形結構，內、外螺紋的錐形結構兩端分別加工有圓柱段，使鉆鋌前后部分螺紋連接后具有兩個臺肩，且加工有外螺紋的錐形結構的長度小于加工有內螺紋的錐形結構的長度。上扣后鉆鋌前后部分的外臺肩首先發生接觸,繼續施加上扣扭矩,外臺肩屈服變形，內臺肩開始接觸。鉆鋌所用鋼中各個組份含量的確定如下:碳:本發明中的高抗疲勞鉆鋌用鋼金相組織主要是:回火索氏體和極少量的殘余奧氏體，組織中無未溶鐵素體或上貝氏體存在，以免造成鋼的力學性能下降，脆性增強。因此碳的含量應適宜，本發明中碳含量控制在0.38 0.42之間。鑰:有提高淬透性以及增強鋼的塑性，同時提高回火穩定性，有利于回火索氏體形成，但含量過高會使材料的脫碳性提高，影響強度指標提升，同時鑰價格昂貴，從對材料影響的性能及經濟兩方面衡量，本發明中鑰含量控制在0.21% 0.24%。錳:可促進奧氏體化，增加淬火馬氏體含量，細化回火索氏體晶粒，同時錳可替代價格昂貴的鑰的一部分作用。因此鋼中加入錳的含量相對高些以降低鑰含量。但錳含量過高易形成MnS析于晶界而產生微裂紋。故本發明中錳含量控制在0.90% 1.15%。硅:硅元素加入鋼中主要以鉻配合發揮其抗氧化性，使馬氏體轉化時不產生脆性組織，但硅含量過高又會使碳石墨化傾向增大，造成塑性下降，因此本發明中硅含量控制在0.13% 0.18%。鎳:少量鎳元素與本合金鋼中鉻配合組成奧氏體形成元素，增加淬火馬氏體的形成率，同時提高回火時回火索氏體的轉變率，但鎳價格較高，從經濟考慮，含量控制在(0.40%。鉻:具有提高淬透性作用，在本合金鋼中與硅、鎳組合可起到提高抗氧化性組織出現以及增加奧氏體化傾向，有利于回火索氏體的形成，因此本發明中鉻含量控制在0.90% 1.15%。有益效果按照本發明配方加工的高抗疲勞鉆鋌，使其力學性能優于國內外石油行業標準。并且采用雙臺肩的螺紋連接結構，使連接螺紋形成兩道密封面。當鉆鋌在井下承受拉壓、彎曲、扭轉載荷時，內、外臺肩一樣起到作用，增加了螺紋的受力截面積，不僅能提高鉆鋌螺紋連接強度和抗扭強度，而且能大大降低密封面發生刺漏的幾率。本發明的高抗疲勞鉆鋌有效延長了鉆鋌的使用壽命，減少鉆井作業次數，尤其適應于超深井、大位移井等復雜井礦的應用。
圖1為本發明高抗疲勞鉆鋌中前后部分連接處的螺紋結構示意圖；其中，1-鉆鋌后部分；2_鉆鋌前部分；3_外臺肩；4_內臺肩。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步說明:實施例實施例1
本發明高抗疲勞鉆鋌的制作方法。包括以下技術方案:1、合金結構鋼材料的制備:按照下列重量百分比配置合金粉末混合物 碳:0.39 %，硅 0.13 %，錳 0.95 %，鑰:0.22 %，鉻:0.90 %，磷:0.010 %,硫:0.020 %，銅:0.13%，鎳:0.45%，氮:0.012%，余量為鐵，將上述合金粉末混合在偏心爐底電爐冶煉(EBT) +鋼包精煉(LF) +真空脫氣(VD) +鋼包喂線(FW) +模鑄(IC) +鍛造(將鋼液澆注成700KG鋼錠，再用奧地利1800噸精鍛機鍛造成Φ 300mm圓鋼)，之后剪定成9.7m合金結構鋼棒體，空冷到室溫，進行500°C退火處理。2、鉆鋌的熱處理:啟動貫通式天然氣熱處理爐，淬火處理的參數為:淬火爐分為7縱，各縱溫度設置為:1縱:900°C、2-5縱:940°C、6、7縱:945°C ;淬火過程采用旋轉進給，旋轉進給的進給速率9HZ，淬火處理后采用30°C水將工件冷卻至80°C ;淬火完成后，將工件放置到回火料架上進行回火處理，回火爐分為6縱，各縱溫度設定分別為:1縱:620°C、2-5縱:630°C、6縱:635°C，旋轉進給的進給速率9HZ ;回火處理后采用30°C水將工件冷卻至150°C,最后自然冷卻至室溫。
3、鉆鋌的內外形加工將熱處理完成的工件進行內外形加工，其中，鉆鋌前后部分的連接處螺紋加工為相互匹配的錐形結構，內、外螺紋的錐形結構兩端分別加工有圓柱段，使鉆鋌前后部分螺紋連接后具有兩個臺肩，且加工有外螺紋的錐形結構的長度小于加工有內螺紋的錐形結構的長度。上扣后鉆鋌前后部分的外臺肩首先發生接觸，繼續施加上扣扭矩，外臺肩屈服變形，內臺肩開始接觸。實施例2實施例2其他步驟同實施1，不同之處在于:1、第一步中制作合金結構鋼棒所用合金粉末混合物種化學成分百分比為:碳:0.4%，硅:0.14%，錳:1%，鑰:0.21%，鉻:1%，磷:0.018%，硫:0.009%，銅:0.16%，鎳:0.40%,M:0.011% ；2、第二步中工藝的調整情況:淬火各縱溫度設置為:1縱:910°C、2-5縱:920°C、6縱:920°C，7縱:930°C，回火爐各縱溫度設置為:1縱:600°C、2-5縱:630°C、6縱:635°C，其余參數不變。實施例3實施例3其他步驟同實施1，不同之處在于:1、第一步中制作合金結構鋼棒所用合金粉末混合物種化學成分百分比為:碳:0.39 %，硅:0.16 %，錳:0.95 %，鑰:0.22 %，鉻:1.0 %，磷:0.013 %,硫:0.012 %，銅:
0.15%,If:0.50%,M:0.015%,2、第二步中工藝的調整情況:淬火各縱溫度設置為:1縱:900°C、2-5縱:920°C、6縱、7縱:935°C，回火爐各縱溫度設置為:1縱:600°C、2-5縱:635°C、6縱:640°C，其余參數不變。實施例1、2、3制作的高抗疲勞鉆鋌的力學性能件表一表一高抗疲勞鉆鋌的各實施例的力學性能
權利要求
1.一種高抗疲勞鉆鋌，其特征是:具體制備步驟如下: 1)合金結構鋼光坯的制備: 首先按照下列重量百分比配置合金粉末混合物: 碳 0.38% 0.42%，硅 0.13% 0.18%，錳 0.90% 1.15%，鑰 0.21% 0.24%，鉻.0.90% 1.15%，磷 0.003 0.015%，硫 0.005 0.020%，銅 0.10 0.13%，鎳 0.2 .0.4%，氮 0.01 0.015%，鐵 92 96% ; 制造流程如下:將上述合金粉末混合物依次經過偏心爐底電爐冶煉、鋼包精煉、真空脫氣、鋼包喂線、模鑄、鍛造工藝加工成所需尺寸的合金結構鋼棒體； 2)鉆挺的熱處理: 采用貫通式天然氣熱處理爐對第I步得到的合金結構鋼棒體分別進行淬火處理；淬火處理的參數為:采用7縱淬火，各縱淬火的溫度范圍均為880-980°C，淬火過程采用旋轉進給，旋轉進給的進給速率6HZ-30HZ ;淬火處理后采用28 32°C水冷卻至50-200°C;將冷卻后的工件送入回火爐內進行回火處理，回火處理的參數為:采用6縱回火，各縱回火的溫度范圍均為600-700°C、回火過程采用旋轉進給，旋轉進給的進給速率6HZ-30HZ ;回火處理后采用28 32°C水將工件冷卻至100-250°C，最后自然冷卻至室溫； 3)鉆鋌的內外形加工 其中，鉆鋌前后部分的連接處螺紋加工為相互匹配的錐形結構，內、外螺紋的錐形結構兩端分別加工有圓柱段，使鉆鋌前后部分螺紋連接后具有兩個臺肩，且加工有外螺紋的錐形結構的長度小于加工有內螺紋的錐形結構的長度；上扣后鉆鋌前后部分的外臺肩首先發生接觸，繼續施加上扣扭矩，外臺肩屈服變形，內臺肩開始接觸。
全文摘要
本發明涉及一種高抗疲勞鉆鋌，屬于石油鉆井領域。本發明鉆鋌的制備步驟，首先采用合理的配方將合金粉末混合物依次經過偏心爐底電爐冶煉、鋼包精煉、真空脫氣、鋼包喂線、模鑄、鍛造工藝加工成所需尺寸的合金結構鋼棒體。對得到的合金結構鋼棒體分別進行淬火處理，采用28～32℃水冷卻至50-200℃；再進行回火處理，再采用28～32℃水將工件冷卻至100-250℃，最后自然冷卻至室溫。加工鉆鋌的內外形時，在鉆鋌前后部分螺紋連接處加工有兩個臺肩。本發明的高抗疲勞鉆鋌有效延長了鉆鋌的使用壽命，減少鉆井作業次數，尤其適應于超深井、大位移井等復雜井礦的應用。
文檔編號C21D9/00GK103206175SQ20131008181
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者鄭錫坤, 李桂變, 姚亞麗 申請人:山西北方風雷工業集團有限公司