一种抗硫钻杆焊区热处理工艺及其制备的钻杆
阅读说明：本技术 一种抗硫钻杆焊区热处理工艺及其制备的钻杆 (Heat treatment process for welding area of sulfur-resistant drill rod and drill rod prepared by heat treatment process ) 是由 舒志强 欧阳志英 余世杰 杨玭 曹晶晶 朱威 陈猛 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗硫钻杆焊区热处理工艺方法,钻杆焊区由95SS或105SS管体和110SS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、第二次淬火和回火,第一次淬火时,将淬火加热圈中心对准焊缝偏管体侧3～8mm,淬火加热温度840～880℃；第二次淬火时,淬火加热线圈中心对准焊缝偏管体侧3～8mm,淬火加热温度790～820℃；回火时,将回火加热线圈中心对准焊缝偏接头侧3～8mm,回火加热温度680～720℃。本发明有利于使95SS或105SS抗硫钻杆焊区硬度值均匀,焊区拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好,焊区抗硫化氢应力腐蚀性能稳定可靠,批量生产合格率高。(The invention discloses a heat treatment process method of a welding area of a sulfur-resistant drill rod, wherein the welding area of the drill rod is formed by inertia friction welding of a 95SS or 105SS pipe body and a 110SS sulfur-resistant drill rod joint, the heat treatment of the welding area of the drill rod comprises primary quenching, secondary quenching and tempering, when the primary quenching is carried out, the center of a quenching heating ring is aligned to the side of a welding seam deviated from the pipe body by 3-8 mm, and the quenching heating temperature is 840-880 ℃; during secondary quenching, aligning the center of the quenching heating coil to the side of the welded joint eccentric pipe body for 3-8 mm, and heating the quenching at the temperature of 790-820 ℃; during tempering, the center of the tempering heating coil is aligned to the side of the weld joint offset joint for 3-8 mm, and the tempering heating temperature is 680-720 ℃. The invention is beneficial to making the hardness value of the welding area of the 95SS or 105SS sulfur-resistant drill rod uniform, the tensile strength, the elongation and the impact toughness of the welding area better, the hydrogen sulfide stress corrosion resistance of the welding area stable and reliable, and the qualification rate of batch production high.)
技术领域
本发明属于石油钻杆技术领域，尤其涉及一种抗硫钻杆焊区热处理工艺及其制备的钻杆。
背景技术
随着石油天然气资源消耗量的迅速增长，酸性油气田开采越来越多，这些酸性油气田中的硫化氢常常会导致钻杆发生硫化物应力腐蚀开裂，突然发生脆性断裂，造成巨大经济损失。为此，对钻杆抗硫化氢应力腐蚀开裂性能要求越来越高。
95SS或105SS抗硫钻杆管体与接头最有效、最可靠的连接方法是惯性摩擦焊接，而焊区热处理工艺方法直接决定钻杆焊区力学性能和金相组织，不合适的热处理工艺会导致钻杆焊缝线区域硬度差异较大，而焊缝熔合线高硬度直接导致焊区抗硫化氢应力腐蚀性能严重降低，成为抗硫钻杆整体中的薄弱环节。过去几年，由于焊区抗硫化氢应力腐蚀性能很不稳定，相关抗硫钻杆标准中对焊区抗硫性能不作要求。随着近几年钻井环境越来越苛刻，最新版的标准(API 5DP)对于95SS或105SS抗硫钻杆焊区的抗硫化氢应力腐蚀性能提出具体要求，即按照NACE TM0177标准规定的A法单轴拉伸试验，D溶液环境，加载焊区最小屈服强度80％，720h不发生断裂，或者按照NACE TM0177标准规定的A法单轴拉伸试验，A溶液环境，加载焊区最小屈服强度60％，测试通过720h。
95SS或105SS的抗硫管体材质相同为26CrMoVNi，110SS抗硫接头材质为30CrMoV，两者合金元素比例、强度硬度等级、组织状态不相同。如110SS接头材质C含量0.3％，而95SS或105SS管体材质C含量0.26％，热处理时接头的淬透性、淬硬性高于管体，在同样的淬火工艺下，钻杆接头显微组织转变更充分，淬硬性更高。因此，两种材料经摩擦焊接之后，对焊区进行热处理时，需考虑到焊缝线管体侧和接头侧材质热处理性能不同。在现有技术中，对于95SS或105SS抗硫钻杆焊区热处理时，淬火加热线圈和回火加热线圈均对准焊缝线，为降低焊缝线硬度峰值，通常是提高回火温度，这样带来的问题是管体侧热影响区强度硬度偏低，如果降低回火温度，焊缝线及接头侧硬度则较高，整个焊缝线区域硬度差异较大，部分区域硬度甚至达到32HRC以上，焊区抗硫化氢应力腐蚀性能难以满足要求。如何提高综合性能，保障焊区抗硫性能成为当前抗硫钻杆生产中的关键技术难题。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种抗硫钻杆焊区热处理工艺方法，有利于改善95SS或105SS抗硫钻杆焊区硬度均匀性及降低焊缝线硬度峰值，同时，焊区拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好，焊区抗硫化氢应力腐蚀性能稳定可靠，批量生产合格率高。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种抗硫钻杆焊区热处理工艺，钻杆焊区由95SS或105SS抗硫钻杆管体和110SS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、第二次淬火和回火，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一，第一次淬火包括步骤：
(1)将所述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偏钻杆管体侧3～8mm；(2)用60～80s，将焊区温度升高至840～880℃，并保温120～140s；(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，外淋内喷时间超过50s；
步骤二，第二次淬火具体包括步骤：
(1)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偏钻杆管体侧3～8mm；(2)用50～70s，将焊区温度升高至790～820℃，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，外淋内喷时间超过50s；
步骤三，回火具体包括步骤：
(1)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偏钻杆接头侧3～8mm；(2)用60～80s，将焊区温度升高至650～680℃，并保温180～200s；(3)空气冷却至室温；
作为优选方案，在第一次淬火加热过程中，淬火温度840～880℃，该温度高于钻杆管体和钻杆接头材料转变温度Ac3。
作为优选方案，在二次淬火加热过程中，淬火温度加热至790～820℃，该温度处于钻杆管体和钻杆接头材料转变温度Ac1～Ac3范围。
作为优选方案，所述95SS或105SS抗硫钻杆管体材质为26CrMoVNi，主要合金元素包括C0.23～0.27％，Si0.20～0.25％，Mn0.50～0.75％，Cr0.90～1.20％，Mo0.80～1.10％，V0.09～0.12％，Ni0.30～0.50％，P≤0.005％，S≤0.003％，Al≤0.03％，余量为Fe。
作为优选方案，所述95SS抗硫钻杆管体屈服强度不小于655MPa，所述105SS抗硫钻杆管体屈服强度不小于724MPa。
作为优选方案，所述110SS抗硫钻杆接头材质为30CrMoV，主要合金元素包括C0.27～0.32％，Si0.23～0.28％，Mn0.65～0.90％，Cr0.90～1.20％，Mo0.90～1.25％，V0.06～0.10％，Ni0.15～0.35％，P≤0.005％，S≤0.003％，Al≤0.03％，余量为Fe。
作为优选方案，所述110SS抗硫钻杆接头屈服强度不小于758MPa。
通过本发明工艺制备的钻杆的钻杆焊缝区域硬度均匀且不超过32HRC。
本发明提供一种抗硫钻杆焊区热处理工艺方法，95SS或105SS的抗硫管体材质为26CrMoVNi，110SS抗硫接头材质为30CrMoV，经摩擦焊后焊区热处理时，采用中频感应加热线圈进行加热，随着距离加热线圈中心位置越远，加热温度逐渐递减，而钻杆焊区硬度性能对淬火加热温度非常敏感。因此，在第一次淬火加热过程中，淬火温度840～880℃，高于钻杆管体和接头材料转变温度Ac3(Ac3：亚共析钢加热时F全部消失的最低温，即加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)。将淬火加热线圈中心对准焊缝偏管体侧3～8mm，使得焊缝线偏管体侧的加热温度高于焊缝线位置，焊缝线位置温度高于焊缝线偏接头侧位置，这样有利于提高确保焊缝偏管体侧硬度不会很低，焊缝线和焊缝线偏接头侧硬度不会很高；二次淬火时，将淬火温度加热至790～820℃，处于钻杆管体和接头材料转变温度Ac1～Ac3范围(Ac1线又叫做共析线，钢加热时开始形成A的温度，即指含碳量在0.77％～2.11％的铁碳合金冷却到此线时，在727℃恒温下发生共析转变，即A0.77％→F0.0218％+Fe3C)，A1，A3，Acm是反映不同含碳量的钢在缓慢加热和冷却时的相变温度(平衡临界点)。这时焊缝线区域组织为回火索氏体和铁素体的混合组织，这种组织高温回火后硬度会比较低；在回火加热过程中，回火温度越高，硬度越低，但温度过高时容易发生焊区组织过烧，性能大幅降低。因此，回火温度为650～680℃，将回火加热线圈中心对准焊缝偏接头侧3～8mm，使得焊缝线偏接头侧的加热温度高于焊缝线位置，焊缝线位置温度高于焊缝线偏管体侧位置，这样就可以进一步确保焊缝偏管体侧硬度不会很低，焊缝线和焊缝线偏接头侧硬度不会很高。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供一种钻杆焊区热处理工艺，具备以下有益效果：
(1)通过本发明获得的钻杆焊缝区域硬度均匀且不超过32HRC。
(2)本发明有利于改善95SS或105SS抗硫钻杆焊区硬度均匀性及降低焊缝线硬度峰值，同时，焊区拉伸强度和伸长率、冲击韧性更好，焊区抗硫化氢应力腐蚀性能稳定可靠，批量生产合格率高。
附图说明
图1为实施例1和对比例1焊区不同位置内外壁硬度平均值对比图。
图2为实施例2和对比例2焊区不同位置内外壁硬度平均值对比图。
图3为钻杆焊区及第一次淬火加热示意图。
图4为钻杆焊区及第二次淬火加热示意图。
图5为钻杆焊区及回火加热示意图。
图6为钻杆焊区全壁厚硬度测试点示意图。
图中：1-钻杆管体、2-钻杆接头、3-焊缝线、4-摩擦焊接热影响区、5-淬火加热线圈、6-第一次淬火热影响区、7-第二次淬火热影响区、8-回火加热线圈、9-焊区全壁厚硬度测试点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种抗硫钻杆焊区热处理工艺方法，钻杆焊区由95SS钢级或105SS钢级抗硫管体和110SS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、第二次淬火和回火。
分别选取同批次95SS钢级抗硫钻杆管体与同批次110SS钢级抗硫接头摩擦焊接，选取同批次105SS钢级抗硫钻杆管体与110SS钢级抗硫接头(与上述接头同批次)摩擦焊接。其中95SS钢级抗硫管体屈服强度705MPa，105SS钢级抗硫管体屈服强度785MPa，110SS钢级抗硫接头屈服强度812MPa，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2个拉伸试验、1个全截面硬度试验、1组(3个)冲击试验，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。
实施例1：
选取上述批次95SS钢级钻杆管体和110SS钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火热处理，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偏管体侧8mm；用70s时间，将焊区温度升高至860℃，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，外淋内喷时间70s；
步骤二，第二次淬火热处理，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偏管体侧8mm；用60s时间，将焊区温度升高至805℃，并保温90s；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，外淋内喷时间70s；
步骤三，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偏接头侧8mm；用70s时间，将焊区温度升高至670℃，并保温190s；空气冷却至室温；
对比例1：
选取上述批次95SS钢级钻杆管体和110SS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：
(1)步骤1，钻杆焊区淬火热处理，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时间，将焊区温度升高至860℃，并保温180s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，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，外淋内喷时间70s；
(2)步骤2，钻杆焊区回火热处理，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时间，将焊区温度升高至685℃，并保温230s；加热完成后空冷至室温；
实施例2：
选取上述批次105SS钢级钻杆管体和110SS钢级钻杆接头摩擦焊接及焊区退火后，采用本发明技术方法进行焊区热处理：
步骤一，第一次淬火热处理，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偏管体侧6mm；用80s时间，将焊区温度升高至880℃，并保温140s；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，外淋内喷时间70s；
步骤二，第二次淬火热处理，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偏管体侧6mm；用70s时间，将焊区温度升高至820℃，并保温100s；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，外淋内喷时间70s；
步骤三，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偏接头侧6mm；用80s时间，将焊区温度升高至680℃，并保温200s；空气冷却至室温；
对比例2：
选取上述批次105SS钢级钻杆管体和110SS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：
(1)步骤1，钻杆焊区淬火热处理，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时间，将焊区温度升高至860℃，并保温180s；加热完成后立即对焊区进行淬火冷却，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，外淋内喷时间70s；
(2)步骤2，钻杆焊区回火热处理，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时间，将焊区温度升高至695℃，并保温230s；加热完成后空冷至室温；
95SS和105SS抗硫钻杆焊区实施例及对比例的力学性能试验结果如表1～6所示，图1为实施例1和对比例1焊区不同位置内外壁硬度平均值对比，图2为实施例2和对比例2焊区不同位置内外壁硬度平均值对比。从以上实施例和对比例焊区试验结果可以看出，对于95SS和105SS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，焊区强度、塑性和冲击韧性明显提高，焊缝线及其两侧硬度值降低，整体焊区硬度均匀性得到改善，抗硫化氢应力腐蚀性能更优，通过率更高。
表1 95SS抗硫钻杆焊区力学性试验能结果
表3 95SS抗硫钻杆焊区抗硫化氢应力腐蚀性能
表4 105SS抗硫钻杆焊区力学性试验能结果
表6 105SS抗硫钻杆焊区抗硫化氢应力腐蚀性能
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