一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法
阅读说明：本技术 一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法 (Heat treatment method for improving sulfur resistance of high-steel-grade sulfur-resistant drill pipe welding area ) 是由 欧阳志英 舒志强 余世杰 陈猛 朱威 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法,钻杆焊区由120S钢级或125S钢级抗硫管体和120S钢级抗硫钻杆接头经惯性摩擦焊接形成,钻杆焊区热处理包括第一次淬火、第二次淬火、第三次淬火及回火热处理四个步骤。第一次淬火时,淬火加热温度为830～860℃,热影响范围55～65mm,第二次淬火时；淬火加热温度为800～830℃,热影响范围35～55mm；第三次淬火时,淬火加热温度750～800℃,热影响范围10～35mm；回火时,回火加热温度670～710℃,回火热影响区范围75～95mm。本发明热处理后,可使钻杆焊区得到弥散均匀的回火索氏体和铁素体,且铁素体占比不低于25％,将显著提高120S或125S高钢级抗硫钻杆焊区抗硫化氢应力腐蚀性能,其抗硫化氢腐蚀试验通过率为从30％提高到高于95％。(The invention discloses a heat treatment method for improving the sulfur resistance of a high-steel-grade sulfur-resistant drill pipe welding area, wherein the drill pipe welding area is formed by inertia friction welding of a 120S steel-grade or 125S steel-grade sulfur-resistant pipe body and a 120S steel-grade sulfur-resistant drill pipe joint, and the heat treatment of the drill pipe welding area comprises four steps of primary quenching, secondary quenching, tertiary quenching and tempering heat treatment. The quenching heating temperature is 830-860 ℃ during the first quenching, the heat influence range is 55-65 mm during the second quenching; the quenching heating temperature is 800-830 ℃, and the thermal influence range is 35-55 mm; during the third quenching, the quenching heating temperature is 750-800 ℃, and the heat influence range is 10-35 mm; when tempering, the tempering heating temperature is 670-710 ℃, and the range of the tempering heat affected zone is 75-95 mm. After the heat treatment, the invention can lead the welding area of the drill rod to obtain evenly dispersed tempered sorbite and ferrite, the ratio of the ferrite is not less than 25 percent, the hydrogen sulfide stress corrosion resistance of the welding area of the 120S or 125S high-grade sulfur-resistant drill rod is obviously improved, and the passing rate of the hydrogen sulfide corrosion resistance test is improved from 30 percent to more than 95 percent.)
技术领域
本发明属于石油钻杆技术领域，涉及一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法。
背景技术
在含硫油气资源勘探开采过程中，采用常规钻杆容易产生硫化氢应力腐蚀开裂(SSC)，相关标准要求采用抗硫化氢应力腐蚀优异的钻杆来降低SSC带来的风险。目前，市场上常用的为105SS抗硫钻杆，但该类钻杆在深井中(如井深超过6000米)面临承载能力不足，安全系数低的缺点，近年来，120S及125S等高钢级抗硫钻杆产品成为市场所需。
钻杆是由钻杆管体和钻杆接头通过摩擦焊接成型，对于105SS钻杆，要求管体和接头按照NACE TM0177《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀试验方法》中的单轴拉伸试验(方法A，溶液A)在一定的应力下来进行SSC性能的评价，其中管体加载应力为85％SMYS，接头加载应力为65％SMYS，而对焊缝的SSC性能无要求。
近年来，相关国际标准对抗硫钻杆焊区的抗硫化氢应力腐蚀性能提出具体要求，例如API 5DP-2020标准要求焊缝按照NACE TM0177标准规定进行单轴拉伸试验(A法，溶液D)，加载应力为80％SMYS；ISO11961-2018标准要求焊缝按照NACE TM0177标准规定进行单轴拉伸试验(A法，溶液A)，加载应力为60％SMYS。对于120S和125S高钢级抗硫钻杆目前没有相关国际标准，均执行内控标准。
采用常规热处理方法，即高温淬火+回火(常称为调质处理)对焊缝进行热处理，焊缝热影响区域硬度值差异较大，分布不均匀，特别是焊缝线金相组织为回火索氏体，硬度往往非常高，抗硫化物应力腐蚀性能较差。例如，对于120S抗硫钻杆，采用常规调质处理，焊缝线上硬度高达35HRC，焊缝热影响区硬度偏差值超过10HRC，抗硫化氢腐蚀试验通过率为0-30％之间，远低于国际标准要求。
发明内容
本发明提供一种提高高钢级抗硫钻杆管体与接头焊区的热处理方法，降低焊区硬度值，减少硬度值偏差，显著提高120S或125S高钢级抗硫钻杆焊区的抗硫化氢应力腐蚀性能(SSC)，增大氢扩散系数，避免钻杆焊区由硫化物应力腐蚀开裂所引起的损失。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法，钻杆焊区由120S钢级或125S钢级抗硫管体和120S钢级抗硫接头经惯性摩擦焊接形成，钻杆焊区热处理包括第一次淬火处理、第二次淬火处理、第三次淬火处理和回火处理四个处理步骤，具体热处理过程如下：
步骤一，第一次淬火处理步骤具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50～70s，将焊区温度升高至830～860℃，并保温100～120s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气，第一次淬火热影响区范围为55～65mm；内喷压缩空气，外淋内喷时间超过50s。
步骤二，第二次淬火处理步骤具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用40～60s，将焊区温度升高至800～830℃，并保温90～110s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气，第二次淬火热影响区范围为35～55mm；
步骤三，第三次淬火处理步骤具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用30～50s，将焊区温度升高至750～800℃，并保温80～100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气，第三次淬火热影响区范围为10～35mm；
步骤四，回火处理步骤具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60～80s，将焊区温度升高至670～710℃，并保温220～240s；(3)空气冷却至室温；回火热影响区范围为75～95mm。
本发明中所述120S钢级、125S钢级抗硫钻杆管体及120S抗硫接头采用同种材质，该材质主要合金元素包括：C 0.25～0.30％，Mn 0.35～0.50％，Cr 1.25～1.55％，Mo 0.50～0.95％，V 0.10～0.50％，Nb 0.03～0.25％，Cu 0.025～0.75％，P≤0.005％，S≤0.003％，Al≤0.03％，余量为Fe。
本发明中120S钢级抗硫管体屈服强度不小于827MPa；所述125S钢级抗硫管体屈服强度不小于862MPa，所述120S钢级抗硫管接头屈服强度不小于827MPa。其抗硫性能均满足在指定加载应力下，720小时不断裂要求。
与现有技术相比，本发明具有以下几个方面的有益效果：
1.在120S和125S高钢级抗硫钻杆焊区热处理时，采用三次淬火技术，第一次淬火温度高于AC3温度，第一次淬火热影响区范围55～65mm；第二次淬火温度略低于AC3温度，第二次淬火热影响区范围35～55mm；第三次淬火温度介于第二次淬火温度和AC1温度之间，第三次淬火热影响区范围10～35mm。即在焊缝线区域形成了三次淬火双相区，经过回火热处理后，整个焊区为弥散分布的回火索氏体组织+铁素体组织的双相组织，且铁素体组织不少于25％。
2.本发明获得的钻杆复合组织的韧性和塑性优良，氢的扩散系数增大，具有良好的抗硫化氢应力腐蚀性能。
附图说明
图1为钻杆焊区第一次淬火加热范围及双相区。
图2为钻杆焊区第二次淬火加热范围及双相区。
图3为钻杆焊区第三次淬火加热范围及双相区。
图4为钻杆焊区全壁厚硬度测试点示意图。
图5为本发明实施例1焊缝线显微组织。
图6为本发明实施例2焊缝线显微组织。
图7为本发明实施例3焊缝线显微组织。
图8为对照组1焊缝线显微组织。
图9为本发明实施例4焊缝线显微组织。
图10为本发明实施例5焊缝线显微组织。
图11为本发明实施例6焊缝线显微组织。
图12为对照组2焊缝线显微组织。
图中：1-钻杆焊区外壁、2-钻杆焊区内壁、3-钻杆焊区管体侧、4-钻杆焊区接头侧、5-焊缝线、6-第一次淬火影响区、7-第二次淬火影响区、8-第三次淬火影响区、9-焊区全壁厚硬度测试点。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
本发明提供了一种提高高钢级抗硫钻杆焊区抗硫性能的热处理方法，钻杆焊区由120S钢级或125S钢级抗硫管体和120S钢级抗硫接头经惯性摩擦焊接形成，钻杆焊区热处理包括第一次淬火、第二次淬火、第三次淬火和回火。
分别选取同批次120S钢级抗硫钻杆管体与同批次120S钢级抗硫接头摩擦焊接，选取同批次125S钢级抗硫钻杆管体与120S钢级抗硫接头(与上述接头同批次)摩擦焊接。其中120S钢级抗硫管体屈服强度867MPa，125S钢级抗硫管体屈服强度905MPa，120S钢级抗硫接头屈服强度不小于889MPa，三种产品材料抗硫性能满足在指定加载应力下，720小时不断裂要求。对焊接后的焊区进行热处理，每支钻杆焊区热处理后取1个拉伸试验、1个全截面硬度试验、1组(3个)冲击试验和2组(6个)抗硫试验，分别测试强度塑性性能，硬度性能，冲击韧性性能和抗硫化氢应力腐蚀性能。
图1为钻杆焊区第一次淬火加热范围及双相区示意图。
图2为钻杆焊区第二次淬火加热范围及双相区示意图。
图3为钻杆焊区第三次淬火加热范围及双相区示意图。
图中：1-钻杆焊区外壁、2-钻杆焊区内壁、3-钻杆焊区管体侧、4-钻杆焊区接头侧、5-焊缝线、6-第一次淬火影响区、7-第二次淬火影响区、8-第三次淬火影响区、9-焊区全壁厚硬度测试点。附图1-3为简要示意图，便于解读理解。
选用120S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头进行实施例1-3及对照组1进行4组实验。
实施例1
对120S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至830℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二，第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用40s将焊区温度升高至800℃，并保温90s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三，第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用30s将焊区温度升高至750℃，并保温80s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四、回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至670℃，并保温220s；(3)空气冷却至室温。
实施例2
对120S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用70s将焊区温度升高至860℃，并保温120s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二，第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至830℃，并保温110s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三，第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至800℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四，回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用80s将焊区温度升高至710℃，并保温240s；(3)空气冷却至室温。
实施例3
对120S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至845℃，并保温110s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二，第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至815℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三，第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用40s将焊区温度升高至780℃，并保温90s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四，回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用70s将焊区温度升高至690℃，并保温230s；(3)空气冷却至室温。
对照组1
对120S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用常规工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；用70s将焊区温度升高至880℃，并保温130s；淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气；
步骤二，回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；用70s将焊区温度升高至685℃，并保温230s；空气冷却至室温；
120S高钢级抗硫钻杆焊区实施例及对比例实验结果如表1、2和3所示，采用本发明技术工艺的焊区实施例1-3显微组织如图5、6和7所示，采用常规工艺的焊区对照组1显微组织如图8所示。从实验结果可以看出，对于120S高钢级抗硫钻杆，焊区热处理时采用本发明工艺方法与常规工艺方法相比较，焊缝线区域显微组织为回火索氏体+铁素体的双相组织，焊区的塑性、冲击韧性提高，焊区的焊缝线硬度值明显降低，且硬度值偏差更小，抗硫化氢应力腐蚀性能显著提高。
选用125S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头进行实施例4-6及对照组2，共4组实验。
实施例4
对125S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至830℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二，第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用40s将焊区温度升高至800℃，并保温90s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三，第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用30s将焊区温度升高至750℃，并保温80s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四，回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至670℃，并保温220s；(3)空气冷却至室温。
实施例5
对125S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用70s将焊区温度升高至860℃，并保温120s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二，第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至830℃，并保温110s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三，第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至800℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四，回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用80s将焊区温度升高至710℃，并保温240s；(3)空气冷却至室温；
实施例6
对125S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术工艺方法进行焊区热处理：
步骤一、第一次淬火具体包括：(1)选用宽度45mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用60s将焊区温度升高至850℃，并保温110s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤二、第二次淬火具体包括：(1)选用宽度30mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用50s将焊区温度升高至820℃，并保温100s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤三、第三次淬火具体包括：(1)选用宽度15mm的淬火加热线圈，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用40s将焊区温度升高至790℃，并保温90s；(3)淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气。
步骤四、回火具体包括：(1)选用宽度75mm的回火加热线圈，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；(2)用70s将焊区温度升高至690℃，并保温230s；(3)空气冷却至室温；
对比例2
对125S钢级抗硫钻杆管体和120S钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用常规工艺方法进行焊区热处理：
步骤一、淬火热处理，将钻杆焊区送至淬火加热线圈位置，淬火加热线圈中心对准焊缝线；用70s将焊区温度升高至850℃，并保温130s；淬火冷却采用外喷淋浓度12.5％的水溶性PAG介质，内喷压缩空气；
步骤二、回火热处理，将钻杆焊区送至回火加热线圈位置，回火加热线圈中心对准焊缝线；用70s将焊区温度升高至695℃，并保温230s；空气冷却至室温。
125S高钢级抗硫钻杆焊区实施例及对比例实验结果如表4、5和6所示。采用本发明技术工艺的焊区实施例1-3显微组织如图9、10和11所示，采用常规工艺的焊区对照组2显微组织如图12所示。从实验结果可以看出，对于125S高钢级抗硫钻杆，焊区热处理时采用本发明工艺方法与常规工艺方法相比较，焊缝线区域显微组织为回火索氏体+铁素体的双相组织，焊区塑性、冲击韧性提高，焊区焊缝线硬度值明显降低，且硬度值偏差更小，抗硫化氢应力腐蚀性能显著提高。
表1 120S高钢级抗硫钻杆焊区力学性试验能结果
表2 120S高钢级抗硫钻杆焊区全截面硬度(HRC)
表3 120S高钢级抗硫钻杆焊区抗硫化氢应力腐蚀性能
表4 125S高钢级抗硫钻杆焊区力学性试验能结果
表5 125S高钢级抗硫钻杆焊区全截面硬度(HRC)
表6 125S高钢级抗硫钻杆焊区抗硫化氢应力腐蚀性能
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种辊轴的热处理方法