高強度鉆桿用鋼的研發

李惠娟

（天津鋼鐵集團有限公司產品質量部，天津300301）

0 引言

隨著我國能源工業的飛速發展，國內深層油氣資源的勘探和開發急劇增加，難度相應加大，對鉆具的質量和性能的要求也隨之提高。鉆桿是鉆柱的主要組成部分，是必不可少的鉆具之一。它的主要作用是輸送鉆井液，并在鉆井過程中逐漸加長，使井眼加深[1-2]。鉆桿在正常工作時承受拉力、彎曲、壓縮、扭轉以及沖擊等各種復雜的交變應力，工況復雜，條件惡劣。隨著使用時間的累積，鉆桿失效時有發生，造成嚴重損失，而鉆桿強度和韌性不足是導致鉆桿失效的原因之一，因此，對制造鉆桿的材質、性能、加工尺寸都有要求嚴格，高強度鉆桿的研發勢在必行[3-4]。

API規范中的鉆桿用鋼級分為E75、X95、G105和S135四個級別，分別用代號E、X、G、S表示，其中S級為最高強度級別。天鋼從優化化學成分和提高鋼的潔凈度兩個方面改進設計，成功試制了S135級鉆桿用鋼27CrMo44s。該產品經用戶使用，實物質量及綜合性能完全能夠達到設計及使用要求。

1 S級高強度鉆桿用鋼的質量要求

API規范規定，S級鉆桿用鋼的化學成分只對P和S提出要求，即S含量不超過0.015%，P含量不超過0.020%，力學性能要求見表1。

表1 API規范S級鉆桿力學性能要求

成品無縫鋼管規格為127 mm×9.19 mm，所以試樣尺寸取10 mm×7.5 mm，鉆桿管體要求的沖擊性能為（PSL-1：試驗溫度：（21±3）℃：3 個試樣平均吸收沖擊功最小值為43J，單個試樣吸收沖擊功最小值為38J。

2 技術難點分析

該S135級鉆桿鋼管在要求高強度的同時，還要求保證有良好的綜合力學性能，這就要求作為原材料的連鑄圓管坯要有合理的化學成分和較高的潔凈度。

2.1 化學成分的優化

無縫鋼管廠家一般會對熱軋鋼管進行調制處理，化學成分的優化既要考慮高強度和良好的綜合力學性能，又要考慮淬透性。

C作為合金元素，能有效提高鋼材強度，且成本低廉[5]。合理設計鋼中C含量尤其重要，但是碳含量過高會對細化晶粒不利，降低鋼材塑韌性。此外，鋼中碳含量過高時，淬火時易變形及開裂[6]。鉆桿生產廠家一般采用水淬調制熱處理，管體要求有良好的淬透性，因此，鉆桿用鋼中碳含量不宜過高。

Mn元素在鋼中可起到強化作用。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，Mn含量的增加可以提高鋼的強度和硬度，同時提高鋼的淬透性。但是，隨著錳含量的增加，易與S元素形成MnS夾雜或Mn偏析，降低鋼的韌性。因此根據生產經驗，設計成分時Mn含量在0.70%～1.10%為宜。

鋼中加入適量的Cr元素不僅能夠提高鋼的淬火性能，還能改善材料組織的均勻性。但當鋼中鉻含量過高時，材料的力學性能會因為殘余奧氏體的增多和不均勻碳化物的存在而降低。因此，為提高鋼的淬透性和力學性能的均勻性，成分設計中鉻元素的含量范圍一般為0.30%～1.25%。

Mo元素可以通過固溶強化、細晶強化和彌散強化等多重強化機制很好地提高材料的強韌性。一般S135鋼級中PSL-1類鋼的Mo含量在0.45%左右。

P和S是殘存在鋼中的雜質元素，它們與鋼中的合金元素如硅、錳、鋁等形成非金屬化合物，這些未能從鋼液排除的化合物就呈獨立相存在于鋼水中，稱之為非金屬夾雜物。它們嚴重影響鋼的綜合力學性能，所以應盡量降低鋼中P、S元素的含量。

2.2 鋼的潔凈度

2.2.1 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物的化學成分、力學性能、組織形態和加工性能等與鋼截然不同，其作為異相存在于鋼中，破壞了金屬基體的連續性，尤其類似裂紋源的條狀夾雜，導致應力集中，易引起疲勞失效。夾雜物的形態和分布也影響材料的延展性，數量少但顆粒大的夾雜往往比數量較多的細小夾雜物危害更大；形狀不規則的夾雜物比球形夾雜物危害更大；過分集中分布的夾雜物會顯著降低材料的塑韌性和耐蝕性，對鉆具的疲勞壽命造成極其不利的影響，尤其是對高鋼級鉆具影響更大[7]。有案例研究分析發現，大尺寸條狀硫化物夾雜可引起鉆桿早期疲勞失效，發生疲勞斷裂；鋼中的大量集中分布的夾雜物降低了材料的韌性，導致鉆桿發生刺穿甚至斷裂事故。因此，生產鉆桿用鋼時應嚴格控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態，提高鋼的潔凈度。外來夾雜物的控制可以通過對原材輔料的嚴格管控實現，重點是對內生夾雜物的控制。所以生產時應盡量降低磷、硫元素的含量；采用鈣處理工藝減少固體三氧化二鋁脫氧產物，改變夾雜物形態；采取合理的底吹氬時間、吹氬攪拌強度和鎮靜時間，使夾雜物充分上浮去除。

2.2.2 鋼中的氣體

N、O元素是生成非金屬夾雜物的主要元素，嚴重降低鋼的潔凈度。[H]含量較高時會使鋼中產生白點缺陷，使鋼的韌性顯著降低，因此應嚴格控制鋼中氣體含量。為減少鋼中氣體含量，一般會采用烘烤鋼包、中間包和原輔材料、及時造渣、采用合理的攪拌強度、全程保護澆注等方法來減少水分和空氣中的氫氣、氧氣進入鋼中[8]；在冶煉末期充分吹氬，使氧充分參與化學反應，形成FeO，減少鋼液中氧含量；另外VD真空脫氣法可有效脫除鋼中的氣體。

3 產品研發

3.1 工藝流程設計

該鋼種要求鋼質均勻，因此對鋼的潔凈度要求很高，鋼的夾雜物控制是關鍵。對此，出鋼時采用擋渣器控制渣層厚度，防止出鋼下渣；LF精煉除雜并控制夾雜物形態；VD真空脫氣精煉；全程保護連鑄，防止鋼水二次氧化。該產品采用轉爐冶煉，經LF精煉和VD精煉，連鑄坯堆冷。

3.2 化學成分設計

從性能和成本考慮，該產品最終確定為的Cr-Mo合金鋼。與同類產品比較，嚴格控制P、S含量。氣體要求 O≤30×10-6、H≤2×10-6、N≤80×10-6。具體成分設計見表2。

管坯橫截面酸浸低倍組織應符合國標要求，允許出現的缺陷級別應不大于1.0級。

表2 27CrMo44s化學成分設計 /%

成品無縫鋼管檢驗，各類夾雜物級別應分別不大于1.5級，總和不大于8級。

3.3 關鍵工序控制

3.3.1 轉爐冶煉

轉爐冶煉時，控制入爐鐵水的P、S含量并去除廢鋼的鐵銹，盡量降低鋼中外來雜質和其他有害元素的含量，要求入爐鐵水中P≤0.100%、S≤0.030%、Si≤0.85%。轉爐冶煉采用雙渣法操作，實現強化脫磷；出鋼擋渣，防止鋼渣進入鋼包引起回磷；使用鋁鐵作為脫氧劑，其用量為2.5～3.5 kg/t。

轉爐的目標成分：C=0.23%、Si=0.15%、Mn=0.80%、Cr=0.96%、Mo=0.45%、P≤0.012%、S≤0.025%。

3.3.2 LF及VD精煉

LF精煉工序主要是為了進一步脫氧、脫硫、去除鋼中夾雜物并微調鋼液成分。進站后吹氬，根據鋼水情況喂鋁線進行強化脫氧；分期分批加入高堿度精煉渣料和還原劑，快速化渣，盡快形成白渣，根據成分分析添加合金微調成分，保證白渣精煉時間不小于25 min。全程采用底部吹氬攪拌，加速鋼液溫度和成分均勻，促使夾雜物聚集上浮。

VD真空脫氣的作用主要是去除鋼中的 [H]和[N]，要求真空度≤67 Pa，保持時間≥15 min，并全程底吹氬。破空后根據需要補加Al線，若補加Al線，則間隔3 min以上，再喂Ca棒。要求軟吹氬時間不少于8 min，鎮靜時間不少于10 min。

3.3.3 全程保護連鑄

為保證鋼水的潔凈度，防止二次氧化，采取全程保護澆注，使用圓坯專用保護渣。為防止增加夾雜物并使鋼質均勻，采用中間包恒重操作和結晶器液面自動控制系統等技術。為了有效控制偏析現象，減少中心疏松和縮孔缺陷，結晶器采用電磁攪拌。

3.4 鑄坯質量

鉆桿用27CrMo44s連鑄圓管坯經檢測，27Cr-Mo44s連鑄圓管坯的化學成分參見表3。

從表3可以得知，碳元素含量偏下限，合金元素Mn、Mo和Cr成分均在中下限范圍內，P、S含量較低，Ni和Cu元素含量較低，均為0.020%以下，鑄坯化學元素成分控制穩定，波動較小。

氣體氧、氫含量較低，氮含量最高為30ppm，符合設計要求。

鑄坯的低倍組織含有0.5級中心疏松和中心偏析缺陷，未發現其他缺陷。

4 客戶使用情況

成品鋼管的機械性能見表4。

夾雜物含量情況為：A類夾雜物粗系和細系分別為1.0級，D類夾雜物粗系為0.5級，其它夾雜物級別都為0，夾雜物總和為粗系1.5級，細系1.0級。

由此可見，成品鋼管的機械性能（見表4）能滿足標準的要求，但A類非金屬夾雜物級別稍有偏高。A類非金屬夾雜物為硫化物類夾雜，因此，今后此鋼種在生產時應增加LF精煉時間，進一步調整底吹氬強度、吹氬時間和鎮靜時間，使脫硫產物充分上浮祛除。

表3 天鋼27CrMo44s化學成分情況 /%

表4 S級成品鋼管的機械性能

5 結論

天鋼采用轉爐、LF精煉爐、VD真空脫氣、圓坯連鑄工藝生產的鉆桿用27CrMo44s連鑄圓管坯化學成分和內部質量能夠滿足設計要求。采用熱軋后水淬調制熱處理生產的成品鋼管綜合性能符合美國石油協會API 5DP的S級鉆桿要求。但是，此產品存在A類非金屬夾雜物級別稍有偏高的問題。在今后的生產中應增加LF精煉時間。進一步調整底吹氬強度、吹氬時間和鎮靜時間，使脫硫產物充分上浮祛除。27CrMo44s連鑄圓管坯的成功開發為天鋼研發超高強度、抗腐蝕鉆桿用鋼等更高級別產品奠定了基礎。