1000MPa級(jí)低碳貝氏體抽油桿用鋼的研制開發(fā).pdf

1、伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國原油需求量逐年增加。經(jīng)過多年開采，我國油田的井深和井液腐蝕性（H2S、CO2和NaCl等）均呈上升趨勢。抽油桿是開采原油過程中的關(guān)鍵提升部件。在低成本的前提下，提高抽油桿的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性能和抗腐蝕疲勞性能是抽油桿用鋼的重要發(fā)展方向。
　　國外H級(jí)（高強(qiáng)度級(jí)別）抽油桿用鋼主要采用Ni-Cr-Mo系調(diào)質(zhì)合金鋼，其成本較高;國內(nèi)主要采用高M(jìn)n含量的Si-Mn-Mo系非調(diào)質(zhì)貝氏體鋼，成本有所下降，但組織

2、和力學(xué)性能不穩(wěn)定。本文基于粒狀貝氏體強(qiáng)韌化機(jī)制，兼顧淬透性和耐蝕性，設(shè)計(jì)了一種低成本的Nb微合金化高Cr低Mo的Si-Mn-Cr-Mo-B系低碳貝氏體抽油桿用鋼。通過大量實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和用戶應(yīng)用，最終成功開發(fā)了一種綜合力學(xué)性能優(yōu)良、性能穩(wěn)定的H級(jí)貝氏體抽油桿用鋼。用這種鋼加工制成的抽油桿抗拉強(qiáng)度Rm≥1000MPa、伸長率A200≥10％、沖擊功Aku2≥60J，滿足了H級(jí)抽油桿的標(biāo)準(zhǔn)要求。主要工作內(nèi)容如下：
　　利用G

3、leeble-2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)，研究了含Nb低碳貝氏體鋼的熱變形奧氏體晶粒的再結(jié)晶行為、變形后至貝氏體相變前奧氏體晶粒的長大行為以及冷卻速度對貝氏體相變行為的影響。研究表明，由于棒線材軋制節(jié)奏快，軋制過程中無Nb(C，N)析出;降低終軋溫度可細(xì)化相變前的奧氏體晶粒;軋后空冷過程中的Nb形變誘導(dǎo)析出會(huì)抑制貝氏體相變過程中的組織長大。
　　進(jìn)行了低碳貝氏體鋼形變奧氏體連續(xù)冷卻過程中相變組織的熱模擬試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，本試驗(yàn)鋼在很寬

4、的冷速范圍內(nèi)均獲得單一的粒狀貝氏體組織。根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了軋制工藝試驗(yàn)，確定了最佳的軋制工藝方案。
　　此外，對設(shè)計(jì)的低碳貝氏體鋼進(jìn)行了腐蝕疲勞性能分析。研究表明，本試驗(yàn)鋼的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展遵循氫致裂紋機(jī)制，裂紋的擴(kuò)展涉及氫向裂尖的輸送和金屬內(nèi)部的擴(kuò)散。含硅高的低碳貝氏體鋼由于貝氏體鐵素體板條間殘余奧氏體膜對氫致裂紋的擴(kuò)展有明顯的抑制作用，因此降低了氫致裂紋的擴(kuò)展速率，表現(xiàn)出較好的抗腐蝕疲勞性能。
　　研究了低碳貝氏

5、體鋼回火溫度對塑性、韌性的影響機(jī)理。研究表明，將回火溫度從300℃升高至400℃，殘余奧氏體量減少，但殘余奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)。穩(wěn)定的殘余奧氏體有利于增加裂紋擴(kuò)展所需的能量，從而改善了鋼的塑性和韌性。繼續(xù)將回火溫度升高到500℃時(shí)，殘余奧氏體發(fā)生了轉(zhuǎn)變或分解，導(dǎo)致塑性和韌性變差。
　　最后對本試驗(yàn)鋼與20CrMoA鋼進(jìn)行了掛片腐蝕的比對試驗(yàn)，并討論了低碳貝氏體鋼的耐腐蝕機(jī)理。
　　基于上述研究成果，本文自行設(shè)計(jì)開發(fā)的15Cr2