一种165ksi高强韧油井管用钢及其制备方法与流程

本发明涉及石油、天然气开采钻井工程用钢，尤其涉及一种165ksi高强韧油井管用钢及其制备方法。

背景技术：

1、当前全球油气勘探开发加速向深层、超深层、高温高压等极端工况拓展，塔里木、四川等主力盆地超深层油气资源占比高，钻井深度不断突破 9000米、迈向万米级，井下面临150℃以上高温、140mpa级超高压、强腐蚀与复杂应力耦合的严苛服役环境，对油井管的强度、韧性、密封性与可靠性提出前所未有的要求。

2、目前已公开的相关现有技术多集中于110ksi、125ksi、140ksi 等级别油井管，主要通过常规成分调整、普通热处理工艺或常规接头结构改进实现性能提升。此类现有技术普遍存在以下不足：强度等级偏低，难以满足超深井、高压气井的超高承载需求；强韧性匹配不佳，在提升强度的同时韧性下降明显，力学性能难以协同优化。

3、现有专利cn120158687a已公开一种165ksi高强韧钻杆用钢及其制备方法，该产品通过成分与工艺优化实现了良好的强韧性匹配，可满足油气井管安全服役的强韧性 “十分之一” 设计原则，其冲击韧性指标能够稳定达到屈服强度数值的1/10以上，在力学性能适配性上具备一定技术参考价值。但该专利所采用的核心热处理工艺为三次感应加热循环淬火，设定加热平均速率高达45～50℃/s，淬火温度区间控制在880～950℃，要求在短时间内完成目标温区的快速升温。从实际冶金热处理机理来看，钢材感应加热过程中，当温度升至居里点（约 727℃）后，材料磁导率骤降、感应热效应显著衰减，实际升温速率会出现明显下滑；若要全程维持45～50℃/s的超高平均加热速率，必须配置超高功率感应加热设备作为硬件支撑，设备投资、能耗及工况匹配门槛极高，对设备控制精度、电源负载稳定性、升温时序协同性要求严苛，生产工艺窗口窄、工艺复刻难度大，量产兼容性与行业普适性较差，难以在行业内大范围推广应用，也无法适配多规格、小批量、定制化165ksi油井管的工业化生产需求。且该高强韧钻杆用钢组分中mo和cr含量较高，生产成本高。

4、现有专利cn117947351a公开了一种165ksi钢级油套管及其淬火贝化配分热处理方法，该专利突破传统油井管单一回火索氏体组织设计思路，采用贝氏体马氏体复相组织调控理念，依托复相组织的协同强韧化效应，使管材整体强度与韧性均达到较优水平，在力学性能匹配方面具备一定技术优势。然而，该专利为稳定获得理想配比的贝马复相组织，依赖多工序耦合的复杂热处理制度，不仅需要精确区间控温，还对正火后空冷速率、冷却路径及温降梯度提出极高要求。工业规模化生产过程中，受连续炉温场均匀性、工件截面温差、批量装料差异、环境工况波动等多重因素影响，难以实现温度与冷却速率的高精度、一致性稳定控制，极易出现贝氏体/马氏体比例失调、混晶、性能离散度大等问题，工艺窗口狭窄、生产稳定性与工艺可控性较差，量产复刻难度高，难以满足165ksi油井管工业化批量生产对性能一致性、工艺稳健性的实际应用要求。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种165ksi高强韧油井管用钢及其制备方法，用以解决现有165ksi高强韧油井管用钢成本高、制备工艺复杂、对工艺要求严格无法满足工业化生产需求、成材率低等问题中至少一个。

2、第一方面，本发明提供了一种165ksi高强韧油井管用钢，所述油井管用钢按照质量百分比组成为：c:0.3~0.4%、si:0.2~0.3%、mn:0.5~0.8%、p≤0.005%、s≤0.002%、cr:0.5~0.7%、mo:0.5~0.7%、v：0.3~0.5%，余量为fe及不可避免的杂质元素。

3、第二方面，本发明提供了一种权利要求1所述165ksi高强韧油井管用钢的制备方法，包括如下步骤：

4、s1：按照各组分的配比进行配料，冶炼，铸造成方坯；

5、s2：锻造，将锻后坯子进行加热保温均质处理，轧制成轧板；

6、s3：将所述轧板进行淬火处理+高温回火处理，得到油井管用钢。

7、进一步的，s2中，加热的温度为1100~1120℃，保温的时间为1~2h。

8、进一步的，s2中，终轧温度为850~890℃。

9、进一步的，s2中，所述轧制采用多道次轧制，多道次轧制压下量依次为60mm→48mm→38mm→30mm→25mm→20mm→15mm→12mm。

10、进一步的，轧制设备为二辊可逆式热轧试验机组。

11、进一步的，s2中，所述轧板的厚度为12mm。

12、进一步的，s3中，所述淬火处理为将轧板加热至温度为820~860℃，保温时间为40~60min，水淬至室温。

13、进一步的，s3中，所述高温回火处理为在加热炉中加热至640~660℃，保温2~3h。

14、进一步的，s3中，回火处理后还包括空冷至室温。

15、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

16、1、本发明的油井管用钢精准控制c、si、mn、cr、mo、v等合金元素的质量占比实现组织与性能协同匹配，提高油井管用钢的强度和韧性。本发明中提高c和v的含量，降低cr和mo的用量，通过v的不完全固溶和c含量提高基体强度，在满足165ksi超高强度等级与综合力学性能要求的同时，显著优化合金配比降低原料生产成本。

17、2、本发明的方法仅采用一次淬火+高温回火的简单热处理工序即可获得符合性能要求的165ksi高强韧油井管用钢，无需依赖三次感应加热淬火或多阶段控冷控温的复杂工艺，对生产设备的功率、精度要求低，工艺窗口宽，生产稳定性强，批量生产时不同产品的性能一致性好，量产适配性与普适性佳，可有效降低工业化生产的门槛与难度。同时通过合理调整各元素的配比，在保证强度与韧性满足165ksi钢级要求的前提下，降低了贵重金属cr、mo的添加量，相比现有同强度等级的油井管用钢，原料成本更低，经济性更优，可适配超深层油气开采对高性能油井管的批量使用需求。

18、3、本发明中将淬火温度控制在820~860℃，该温度区间低于钒碳化物完全固溶温度，使得部分vc无法完全溶入奥氏体基体。在奥氏体化保温过程中，未固溶的纳米vc颗粒可有效钉扎奥氏体晶界，促使晶界呈现锯齿状形貌，显著增大有效晶界面积，阻碍晶粒长大与裂纹扩展，进而在保障超高强度的同时有效提升钢材冲击韧性与断裂韧性。

19、4、根据vc理论元素配比，v与c质量比约为4.25:1，当钒含量控制在0.3～0.5% 时，仅需0.07～0.12%的碳即可与之结合生成vc析出相。将与钒结合生成vc所消耗的碳扣除后，剩余部分定义为有效碳含量。本发明通过成分精准配比，使钢中有效碳含量显著高于现有常规专利设计；在相同高温回火工艺条件下，更高的有效碳可充分保障基体组织强度储备，具备更大的强度富余量，进而可适度降低cr、mo等贵重合金元素添加量，在满足165ksi超高强度等级与综合力学性能要求的同时，显著优化合金配比、降低原材料生产成本。

20、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。