超高强度钻杆钢级显微组织与拉伸性能研究

用OM、SEM、TEM及拉伸试验机等研究超高强度钢级钻杆N150及U165的显微组织和拉伸性能,并与高强钢级钻杆G105及S135进行对比。结果表明:4种钻杆钢的显微组织均为回火索氏体组织,随钢级增加,显微组织更细小;抗拉强度增加速率低于屈服强度;屈服点应变与屈服强度正相关,抗拉强度点应变和抗拉强度负相关;静力拉伸能(STE)和静力韧度均单调增加,表明超高强度钻杆钢U165具有优良的综合拉伸性能;STE能较准确表征材料静态韧度。

低温PSL-3S135钻杆用无缝钢管的开发

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。

U165超高强度钻杆钢韧脆转变临界点的表征方法

采用冲击吸收能量法、剪切断面率法以及非剪切区颈缩比法对U165超高强度钻杆钢的韧脆转变温度进行了表征。结果表明:U165钻杆钢的韧脆转变温度约为1.8℃,高于1.8℃时,断裂模式逐渐变为韧性断裂,低于1.8℃时,断裂模式逐渐变为脆性断裂。非剪切区颈缩比法得到的试验钢的韧脆转变温度与冲击吸收能量法、剪切断面率法得到的基本一致,这说明非剪切区颈缩比法可用于表征试验钢的韧脆转变温度。3种方法相互结合,能够更有效地表征材料的韧脆转变温度。

高强度钻杆钢疲劳性能试验研究

针对钻井过程中钻具疲劳断裂问题,采用旋转弯曲疲劳试验研究了S135和165ksi 2种高强度钻杆钢的疲劳性能。基于Basquin模型得出2种高强度钻杆钢中长寿命区的疲劳极限分布。研究结果表明,取95%的置信水平,则50%、90%和99%可靠度下的165ksi钻杆钢的疲劳极限分别为662.54、645.92和632.28 MPa,S135钻杆钢的疲劳极限分别为595.83、541.87和529.73MPa,并得出了2种高强度钻杆钢完整的应力-疲劳寿命S-N曲线。试验结果可以为深井、超深井钻杆选材及可靠性设计提供基础数据和理论依据。

超高强度钻杆钢的温度敏感系数

借助静态液压万能试验机和低温试验箱,研究了钻杆钢在不同温度下的强度变化规律,同时用扫描电镜及透射电镜研究了钻杆钢的显微组织及拉伸断口形貌。结果表明:随着温度的降低,钻杆钢的屈服强度和抗拉强度均呈增加趋势,屈强比呈下降趋势。随着钻杆钢级的提高,材料的抗拉强度温度敏感系数q_b和屈服强度温度敏感系数q_s均呈明显的减小趋势,但它们的比值呈明显的增加趋势。抗屈温度敏感系数比k(抗拉强度与屈服强度温度敏感系数比值)可用来表征温度对材料的力学性能的影响,k值越大,随着温度降低,相比屈服强度,抗拉强度提高更快,材料低温综合力学性能越好。在本文研究的温度范围内,随着温度的降低,钻杆钢的断口始终保持为延性断裂特征,这与材料塑性没有随温度降低而显著降低是一致的。

U165超高强度钻杆钢显微结构分析及低温拉伸性能研究

研究了U165超高强度钻杆钢的显微组织结构及其在低温环境下的拉伸性能,并对拉伸断口的宏观及微观形貌进行分析。结果表明:U165超高强度钻杆钢的显微组织为回火索氏体,碳化物主要为(Cr,Fe)23C6;随温度的降低,该钢的屈服强度和抗拉强度均升高,相比之下,低温对该钢的抗拉强度具有更显著的影响;均匀伸长率、总伸长率以及断面收缩率对温度变化不敏感。

回火温度对V150钻杆钢的强韧性匹配的影响

对V150钻杆钢进行了系统的回火温度优化试验,大幅度提高了钻杆钢的冲击韧性。并通过第二相析出物的形态及数量统计,对钻杆钢的强韧性匹配规律进行了微观机理解释。结果表明,在回火温度的拐点温度以下,钻杆钢在保持V150钢级基础上,冲击韧性随回火温度升高提高了近50%。随着回火温度的升高,第二相粒子的体积分数先升后降,为钻杆钢保持高强度级别提供了优化空间,而第二相粒子由棒状趋于球化和材料基体的逐渐软化,是韧性提高的主要原因。

钻杆用微合金化钢的控制轧制和热处理工艺

目前API标准规定的最高钢级钻杆——S135级钻杆的强度和韧度均不能满足超深井钻采的需要。为此,在高强度钻杆钢中添加微合金元素V、Nb配合控轧控冷技术,并调整调质热处理工艺,对比研究传统调质工艺和控制轧制-调质工艺对该钢强度和韧度的影响。研究结果表明,经控制轧制后钢的晶粒度明显细化,使得强度和韧度得到明显的提高;Mo元素和Nb、V微合金元素的碳化物在500℃以上会出现回火二次强化现象;加入Nb元素可降低2#钢板条的宽度,同时Mo元素和Nb、V微合金元素在钢中形成了不同于针状渗碳体的颗粒状和球状碳化物,分别为NbC、VC和Mo2C,这种形状的碳化物有利于提高钢的韧度。

XJY850高强度精密地质管材的研制

根据国内地质勘查行业对大深度高强度绳索取心钻杆的迫切需求,经过分析地质管材的使用要求,在参考国外同类产品材料的基础上,改进无缝钢管生产的传统加工工艺,研制开发了X JY850高强度精密地质管材。

温度对U165超高强度钻杆钢冲击韧性的影响

借助SEM、TEM及冲击试验机等设备,研究了U165超高强度钻杆钢在不同温度下的冲击韧性。试验结果表明:随着温度降低到某一临界值,裂纹扩展阻力急剧下降,且随温度降低而减小。同时在小裂纹扩展阻力下,裂纹扩展的位移比例也随温度降低而增加,从而使得U165钻杆钢的冲击韧性急剧减小,对应的冲击断口呈现为显著的脆性特征,主要由解理结构组成。利用Boltzmann函数对U165钻杆钢的冲击能值进行拟合分析,韧脆转变温度约为1.8℃,但在较低温度下,依旧呈现出较高的冲击能值,约为40 J,表明该材料韧脆转变温度适中,更适合于普通地区服役,同时也可在高寒地区服役。随着温度的降低,U165钻杆钢纤维区和剪切唇区减少,放射区增加,导致脆性特征明显。

回火温度对26CrMo钻杆钢显微组织和力学性能的影响

采用力学性能测试、组织观察等方法研究回火温度对26CrMo钢显微组织和力学性能的影响。结果表明,26CrMo钢经540~690℃回火,随回火温度升高,显微组织中a相基体逐渐发生回复与再结晶,组织中马氏体形态逐渐消失,碳化物先在马氏体板条边界呈片状或棒状析出,逐渐演变为颗粒状弥散分布,690℃时碳化物在晶界聚集长大、球化。随回火温度升高,26CrMo钢强度逐渐降低,塑性、韧性逐渐增大;不同回火条件下,抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击功满足API 5DP标准中各级别钻杆要求。随回火温度升高,26CrMo钢总冲击功、起裂功和裂纹扩展功均逐渐增大,裂纹扩展功是起裂功的3倍以上,且两者比值变化不明显,表现出良好的抗裂纹扩展能力。不同回火温度下冲击性能的变化与其强度、塑性变化密切相关,冲击韧性好坏主要由塑性大小决定。