高強度抗腐蝕的鋼材及應用
【專利摘要】本發明公開了一種高強度抗腐蝕的鋼材，包括如下質量百分比的組分：錳元素1.5~2.1%，鎳元素2.5~4.5%，鉬元素2.5~4.5%，鉻元素12~14%，碳元素0.03~0.08%，氮元素0.05~0.15%，硼元素0.03~0.05%，鈮元素0.1~0.5%，鈦元素0.1~0.13%，鋯元素0.5~0.75%，銪元素0.003~0.005%，其余為鐵元素，制備的鋼材具有優異的力學性能與抗腐蝕性能，可用于沿海油井作業中。
【專利說明】
高強度抗腐蝕的鋼材及應用
技術領域
[0001] 本發明設及鋼材料，特別設及一種高強度抗腐蝕的鋼材及應用。
【背景技術】
[0002] 在油田的采油、鉆井過程中，大量使用的石油管、油井套管、抽油桿、抽油累和地面 輸送管道，都需要經受井下極其復雜的環境，抽油桿、抽油累需要承受復雜的磨損與化學腐 蝕的協同作用；在石油、天然氣等流體的傳輸過程中，傳輸用的石油管、油井套管需要經過 高寒、高熱、高硫、低氧等惡劣的自然環境，需要承受耐低溫、耐腐蝕與耐磨損性能;在油田 開發到高含水期階段，由于井斜、井套彎曲變形等因素造成油管與抽油桿的偏磨問題越來 越嚴重，特別是由于高含水、高礦化度產出液的腐蝕，更加劇了抽油桿與油管之間的偏磨與 腐蝕，縮短油井的生產周期，增加了采油的作業成本，造成抽油桿等的報廢。
[0003] 目前，申請公布號為CN104789902A的中國專利公開了一種用于鋼平臺的高強度鋼 板及其鍛造工藝，包含了碳、儘、鋼、侶、娃、饑、鐵、鎖、蹄、銘、鋼、儀、錠、儀、銅、鋼、館，余量 為鐵和不可避免的雜質，該鋼板具有優異的耐磨損、抗腐蝕和耐摩擦性能。
[0004] 但是，上述專利和現有技術中的大多數鋼材只能用于無防腐要求的普通機械、機 床的零部件中作為一般的結構件使用，不適于在沿海油井中含有K+、化2\Ca2+、Mg 2+等堿± 金屬離子及cr、S〇42^離子液體的惡劣環境中使用。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提供一種可適用在沿海油井中工作的高強度抗腐蝕的鋼材。
[0006] 本發明的上述技術目的是通過W下技術方案得W實現的： 一種高強度抗腐蝕的鋼材，包括如下質量百分比的組分:儘元素1.5~2.1 %，儀元素 2.5~4.5%，鋼元素2.5~4.5%，銘元素12~14 %，碳元素0.03~0.08%，氮元素0.05~ 0.07%，棚元素0.03~0.05 %，妮元素0.1~0.3%，鐵元素0.1~0.15%，錯元素0.1~ 0.3%，館元素0.003~0.005%，其余為鐵元素。
[0007] 通過采用上述技術方案，在普通鋼材基礎上，添加12 %~14%的銘元素，在氧化性 介質作用下，鋼材表面能生成厚度約為lOnm的氧化膜，緊密附著在鋼材表面上，銘元素與鋼 材表面的碳元素結合形成碳化銘，大大提高了鋼材的耐蝕性，而且，銘能夠提高鋼材的電極 電位，減少微電池數目，有效提高鋼材的耐蝕性，高銘含量的鋼材不但耐腐蝕性好，而且硬 度較高，耐熱性與耐磨性均較好；向高銘鋼材中加入0.1~0.3%的妮元素，妮與鐵之間具有 較大的原子錯配度，使妮較難溶于固溶體中，妮的電正性有利于妮與鋼材表面的碳元素和 氮元素形成碳化妮和氮化妮，從而在合金中形成初晶相和二次品相，另外，碳元素和氮元素 也能結合形成一次或二次的妮的碳氮化合物；向銘妮鋼材中加入0.1~0.15 %的鐵元素，鐵 元素和氧有很大的親和力，鐵表面能夠生成一層致密的、附著力強的氧化膜，保護了鋼材表 面不容易被腐蝕，由于鐵是具有優異純化性的金屬，且在315°CW下均能保持氧化膜具有純 化的特性，有些機械磨損也會很快自愈或重新再生；向反應體系中加入0.1~0.3%的錯元 素，錯元素與鋼材表面的碳元素、氮元素形成碳化物、氮化物，合金元素之間或合金元素與 鐵元素之間形成各種金屬間化合物，促進了碳化物的生成，顯著提高了鋼材的耐蝕性W及 力學性能；向反應體系中加入0.03~0.05%的棚元素，微量棚元素能顯著提高該鋼材的澤 透性，提高耐高溫性、高強度和蠕變性能，棚元素能夠對結構鋼儀、銘、儘、鋼的加工起到輔 助的作用，有助于改善鋼材的熱加工，提高該鋼材的使用壽命，同時，微量棚可W細化共晶 的碳化妮、碳化錯，改善它們的形態和分布，提高鋼材的力學性能和耐磨性，使基體澤透性 增加，硬度和初性得W提高，形成的鐵/妮體系對的鋼材中儀銘儘鋼的防腐起到協同防腐的 作用，同時，金屬形成的棚化物相互疊加共同作用，使該鋼材具有優異的耐磨、防腐的性能， 可用于環境復雜嚴峻的沿海油井作業中。
[000引本發明進一步設置為:還包括含量小于0.2 %的鋒元素。
[0009] 通過采用上述技術方案，在鋼材表面加入鋒元素，在海水環境中，鋒的表面覆蓋了 一層氧化鋒、碳化鋒和氨氧化鋒組成的氧化膜，運一層氧化膜非常致密，粘附性能較好，能 將外界氧氣與內部的組織隔離開來，防止內部的鋒基體繼續被氧化掉，同時，與鋼材表面的 銘元素形成鋒-銘體系、鋒-儀體系、鋒-錯體系，在運些體系中，惰性金屬元素使氧還原的過 電位升高，抑制了陰極反應的進行，同時，運些體系產生的腐蝕產物結構致密，可W對鍛層 起到較好的保護作用;如果鋒元素的含量超過0.2 %時，則鋒含量過高，腐蝕產物變成化0和 ZnCl2 · 4Zn(0H)2的混合物，相比于純的ZnCl2 · 4Zn(0H)2腐蝕產物而言，結構較為疏松，影 響對鍛層的保護作用。
[0010] 本發明進一步設置為:還包括含量小于0.5 %的銅元素。
[0011] 通過采用上述技術方案，在鋼材表面加入銅元素，銅元素與鋒元素形成的銅鋒復 合具有優異的耐沖擊腐蝕性能;銅元素與儀元素形成的銅儀復合具有優異的耐酸堿、耐海 水腐蝕的性能;銅元素與鐵元素形成的銅鐵復合具有優異的化學穩定性，結構規整排列在 鋼材表面，可與氮化棚形成界面插層結構，使氧化膜的純性更強，具有優異的耐蝕穩定性； 如果銅元素的含量超過0.5%時，則會增加該鋼材表面的脆性，嚴重影響鋼材的強度。
[0012] 本發明進一步設置為:還包括含量小于0.08 %的儀元素。
[0013] 通過采用上述技術方案，加入儀元素后，儀元素與館元素發生相互作用，館元素能 夠細化a-Mg相和β-Mg相，同時，館元素在鋼材中儀的表面上生成致密的氧化膜，起到穩定、 純化作用，有利于提高該鋼材的耐腐蝕性能;如果儀元素的含量大于0.08%，則會抑制館元 素形成致密的保護膜，使鋼材的耐腐蝕性能下降。
[0014] 本發明進一步設置為:所述碳元素的載體包括碳納米管，且碳納米管在碳元素的 載體中的質量百分比為60~80%。
[0015] 通過采用上述技術方案，在鋼材表面附著有碳納米管，碳納米管是一種由碳原子 形成的無縫中空管狀結構，長度為幾十微米，直徑卻只有十幾納米，在社鋼過程中，將上述 各種金屬元素滲入到碳納米管內，使之形成直徑與碳納米管的直徑相近的尺寸規整、形狀 相近的納米金屬，由納米級的點狀金屬結合形成各種氧化膜，從而，保證該鋼材表面具有優 異的耐腐蝕與耐磨性能。
[0016] 本發明還提供了一種高強度抗腐蝕的鋼材，包括如下質量百分比的組分:儘元素 1.8%，儀元素3.5%，鋼元素3.5%，銘元素13%，碳元素0.05%，氮元素0.1%，棚元素 0.04%，妮元素0.3%，鐵元素0.11%，錯元素0.6%，館元素0.004%，鋒元素0.2%，銅元素 0.5%，儀元素0.08%，其余為鐵元素。
[0017] 通過采用上述技術方案，采用上述質量百分比的組分制備的鋼材，可W達到最佳 的高強度、耐磨性W及抗腐蝕性。
[0018] 本發明還提供了一種抽油桿及其接髓，采用上述高強度抗腐蝕的鋼材制作而成。
[0019] 通過采用上述技術方案，制備的抽油桿能夠避免在油田開發到高含水期時，由于 井斜、井套彎曲變形等因素造成抽油機井油管與抽油機的偏磨問題，防止因高含水、高礦化 度產出液對抽油桿的腐蝕，可延長油井的生產周期，減少作業井次和作業費用，減少采油的 生產成本;制備的抽油桿接髓能夠抵抗井下復雜因素造成的機械磨損和化學腐蝕的協同作 用，減小了抽油桿接髓與油管內壁的磨損，延長了抽油桿及其接髓的使用壽命。
[0020] 本發明進一步設置為:所述抽油桿與抽油桿接髓采用螺紋連接。
[0021 ]通過采用上述技術方案，抽油桿與接髓的連接方式采用螺紋連接，安裝作業簡單、 方便、快捷，減低了使用成本，減少地面抽油機的功耗。
[0022] 綜上所述，本發明具有W下有益效果： 1、 在高銘鋼材中，添加了妮、鐵、錯、館等金屬元素與碳、氮、棚非金屬元素，在鋼材表面 形成碳化物、氮化物與棚化物，緊密附著在鋼材表面上，起到優異的防腐作用；同時，鐵/妮 的防腐體系對儀銘儘鋼的防腐起到協同防腐的作用，而且鐵妮錯棚元素的用量很小即可起 到較優異的防腐作用； 2、 在該鋼材表面還滲入了鋒，形成的鋒-銘體系、鋒-儀體系與鋒-錯體系中的氧化膜結 構更加致密，鋒起到協同防腐的作用； 3、 在該鋼材表面還滲入了銅，形成的銅-鋒體系、銅-儀體系、銅-鐵體系具有優異的防 腐性，同時，氮化棚可插入到銅-鋒體系內，形成插層結構，使氧化膜的純性更強，進一步提 高該鋼材的防腐性能； 4、 由于碳納米管具有無縫中空的管狀結構，而且其直徑為納米級，向鋼材表面加入碳 納米管，上述微量金屬滲入到碳納米管的中空管中，也就是具有納米級的致密度，使碳化 物、棚化物的膜更加致密、均勻，有助于提高該鋼材的防腐性能。
【具體實施方式】
[0023] W下結合實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0024] 檢測手段： (1) 抗腐性:采用高壓蓋進行抗腐蝕試驗，調節高壓蓋的壓力為20MPa，持續時間為24h， 采用高倍顯微鏡觀察材料表面腐蝕情況； (2) 抗疲勞性：采用PLG-300KN高頻疲勞試驗機對抽油桿進行測試，試驗加載應力為 406MPa，應力比為R = 0.1，疲勞壽命大于1*106次不發生破損的為合格產品； (3) 耐磨性:采用MG-200高溫高速摩擦磨損試驗機進行測試，試驗比力:P = 0.5MPa，試 驗速度:η = 30化pm，試驗總轉速:100000轉，試驗介質:清水，溫度為60°C，試驗時間：6天； (4) 力學性能:采用GB/T228-2002檢測標準分別對抽油桿的抗拉強度、屈服強度和斷面 收縮率進行檢測。
[002引實施例一： 配方:儘元素1.5%，儀元素2.5%，鋼元素2.5%，銘元素12%，碳元素0.03%，氮元素 0.05%，棚元素0.03%，妮元素0.1%，鐵元素0.1%，錯元素0.5%，館元素0.003%，銅元素 0.2%，儀元素0.03%，其余為鐵元素。
[0026] 制備方法與現有技術相同，鋼的烙煉溫度為1580~1680°C，在鋼的冶煉過程中要 嚴格控制氧化物系夾雜物對材料性能的影響。鋼的社制溫度為1180~960°C，堆冷。冶煉采 用電弧爐初煉提供鋼水，用A0D或V0D爐對初煉鋼水進行吹氧脫碳脫硫，進一步合金化調整 成分和溫度、脫氣等精煉后誘錠。社機開胚探傷，控溫控冷社制成型材，熱處理后整理切定 尺成材。
[0027] 實施例二： 配方：儘元素1.7%，儀元素3%，鋼元素3%，銘元素12.5%，碳元素0.05%，氮元素 0.08%，棚元素0.03%，妮元素0.2%，鐵元素0.11%，錯元素0.6%，館元素0.004%，鋒元素 0.1%，儀元素0.03%，其余為鐵元素。
[00巧]制備方法同實施例一。
[0029] 實施例 配方:儘元素1.9%，儀元素3.5%，鋼元素3.5%，銘元素13%，碳元素0.06%，氮元素 0.10%，棚元素0.04%，妮元素0.3%，鐵元素0.12%，錯元素0.65%，館元素0.004%，鋒元 素0.2%，銅元素0.3%，儀元素0.05%，其余為鐵元素。
[0030] 制備方法同實施例一。
[0031] 實施例四： 配方：儘元素2.0 %，儀元素4%，鋼元素4%，銘元素13.5 %，碳元素0.07 %，氮元素 0.12%，棚元素0.04%，妮元素0.4%，鐵元素0.12%，錯元素0.7%，館元素0.005%，鋒元素 0.15 %，銅元素0.4 %，儀元素0.06 %，其余為鐵元素，碳元素由碳納米管提供。
[0032] 制備方法同實施例一，區別僅在于在合金化調整成分階段預先滲入碳納米管。
[00削實施例五： 配方:儘元素2.1%，儀元素4.5%，鋼元素4.5%，銘元素14%，碳元素0.08%，氮元素 0.15%，棚元素0.05%，妮元素0.5%，鐵元素0.13%，錯元素0.75%，館元素0.005%，鋒元 素0.15 %，銅元素0.4 %，儀元素0.06 %，其余為鐵元素，碳元素由碳納米管提供。
[0034] 制備方法同實施例一，區別僅在于在合金化調整成分階段預先滲入碳納米管。
[0035] 對比例一：與實施例一相比，缺少妮元素，相應增加鐵元素含量，制備方法同實施 例一； 對比例二:與實施例一相比，缺少鐵元素，相應增加妮元素含量，制備方法同實施例一。
[0036] 對比例與實施例一相比，缺少妮、鐵元素，相應增加鐵元素含量，制備方法同實 施例一。
[0037] 抗腐性與抗疲勞性的檢測結果如下表所示:_

由上表可知，實施例中的鋼材經抗腐蝕試驗處理后，表面的顆粒較均勻，表面結構較規 整，碳元素由碳納米管作為載體的實施例的抗腐蝕效果極佳;缺少妮/鐵體系的對比例的抗 腐蝕性最差。
[0038] 耐磨性的測試結果如下表所示：
' 由上表可知，經本實施例制備的抽油桿具有優異的耐磨性能，而分別缺少妮、鐵元素的' 對比例的抽油桿的磨損率顯著增加，而缺少妮、鐵元素的對比例的抽油桿的磨損率明顯增 加，可見，妮、鐵元素協同作用，耐磨效果最佳。
[0039] 力學性能的測試結果如下表所示:_^_
' 由上表可知，經本實施例制備的鋼材具有優異的力學性能，屈服強度可達到660M化W 上。
[0040] 本具體實施例僅僅是對本發明的解釋，其并不是對本發明的限制，本領域技術人 員在閱讀完本說明書后可W根據需要對本實施例做出沒有創造性貢獻的修改，但只要在本 發明的權利要求范圍內都受到專利法的保護。
【主權項】
1. 一種高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于包括如下質量百分比的組分:錳元素1.5~ 2.1%，鎳元素 2.5~4.5%，鉬元素 2.5~4.5%，鉻元素 12~14%，碳元素 0.03~0.08%，氮元素 0.05~0.15%，硼元素 0.03~0.05%，鈮元素 0.1~0.5%，鈦元素 0.1~0.13%，鋯元素 0.5~ 0.75%，銪元素 0.003~0.005%，其余為鐵元素。2. 根據權利要求1所述的高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0. 2%的 鋅元素。3. 根據權利要求2所述的高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0.5%的銅 元素。4. 根據權利要求1所述的高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:還包括含量小于0.08%的 鎂元素。5. 根據權利要求1~4任意一項所述的高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于:所述碳元素的 載體包括碳納米管，且碳納米管在碳元素的載體中的質量百分比為60~80%。6. -種高強度抗腐蝕的鋼材，其特征在于包括如下質量百分比的組分:錳元素1.8%， 鎳元素3.5%，鉬元素3.5%，絡元素13%，碳元素0.05%，氮元素0.1%，硼元素0.04%，銀元素 0.3%，鈦元素0.11%，錯元素0.6%，銪元素0.004%，鋅元素0.2%，銅元素0.5%，鎂元素 0.08%，其余為鐵元素。7. -種抽油桿及其接箍，其特征在于:采用權利要求1~6任意一項所述的高強度抗腐蝕 的鋼材制作而成。8. 根據權利要求7所述的抽油桿及其接箍，其特征在于:所述抽油桿與抽油桿接箍采用 螺紋連接。
【文檔編號】C22C38/54GK106011685SQ201610541980
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】李永安, 高光亮, 姜東 , 楊鋼, 謝梅波, 劉書杰, 陳軍, 周宏斌, 張金中, 林繼興, 胡孫達, 李振坤
【申請人】浙江睿智鋼業有限公司