肖 紅，孫建華，高申友，梁 健，張永勤，彭 莉，吳國(guó)忠，況雪軍，錢 炯

(1.嘉興市新紀(jì)元鋼管制造有限公司，浙江嘉興 314503;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000; 3.地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫鉆探工具廠，江蘇無錫 214174)

XJY950高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管的研制

肖 紅1，孫建華2，高申友3，梁 健2，張永勤2，彭 莉3，吳國(guó)忠1，況雪軍1，錢 炯3

(1.嘉興市新紀(jì)元鋼管制造有限公司，浙江嘉興 314503;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000; 3.地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫鉆探工具廠，江蘇無錫 214174)

闡述了研制深孔、特深孔應(yīng)用的高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用冷拔無縫鋼管的技術(shù)思路，介紹分析了XJY950冷拔無縫鋼管的材料選擇和制造工藝優(yōu)化過程，并對(duì)該產(chǎn)品的鉆探應(yīng)用提出了技術(shù)建議。

繩索取心;鉆桿;無縫鋼管;制造

0 引言

國(guó)務(wù)院《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要(2011－2020)》明確提出了今后一個(gè)時(shí)期我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作的目標(biāo)和任務(wù)。要實(shí)現(xiàn)攻深找盲和找礦突破的戰(zhàn)略目標(biāo)，不僅要在找礦理論上有所突破，鉆探工藝方法及鉆探技術(shù)裝備的突破更是關(guān)鍵。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)快速增長(zhǎng)有力地推動(dòng)了地質(zhì)裝備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鋼鐵冶煉技術(shù)、鋼管制造工藝和熱處理控制手段等也得到了相應(yīng)的提高，特別是近些年對(duì)地質(zhì)鉆探專用管材的持續(xù)研究、開發(fā)，以及與之配套的無縫鋼管制造設(shè)備的大量投入，使長(zhǎng)期以來影響地質(zhì)鉆探裝備技術(shù)進(jìn)步的管材材質(zhì)和可靠性問題得到了明顯改善，部分國(guó)產(chǎn)地質(zhì)鉆探用管材在質(zhì)量和品種上基本滿足了中深孔鉆探的使用要求，國(guó)產(chǎn)繩索取心鉆桿也開始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。同時(shí)，我們也應(yīng)看到，在深孔、特深孔地質(zhì)鉆探用管材制造技術(shù)方面還存在發(fā)展速度偏慢，質(zhì)量穩(wěn)定性不高以及高鋼級(jí)高性能管材缺失等問題。因此，落實(shí)國(guó)務(wù)院找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要，研制適應(yīng)深孔、特深孔勘探所需的綜合性能更優(yōu)的高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管，將為我國(guó)深部地質(zhì)鉆探和科學(xué)鉆探工程提供有力支撐，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

1 材料的選擇和管材技術(shù)參數(shù)確定的技術(shù)思路

根據(jù)深孔和特深孔繩索取心鉆桿的施工使用要求，首先管材應(yīng)滿足設(shè)計(jì)孔深所需的抗拉強(qiáng)度和較高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)還要盡可能提高管材的彈性、沖擊韌性、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞特性等綜合性能;其次要考慮有利于制管過程中熱冷加工條件下的變形能力和鉆桿的螺紋加工，以確保管材的幾何尺寸公差和外形精度。因此，選擇和確定一種滿足上述技術(shù)性能要求，用于制造冷拔(軋)無縫鋼管的原材料和相應(yīng)制管工藝，是研制具有更加優(yōu)良綜合性能的高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管的必要條件。

在機(jī)械行業(yè)，重要的鋼件一般都由調(diào)質(zhì)(即淬火+高溫回火的復(fù)合熱處理工藝)來獲得最佳的綜合性能。因此，研制高鋼級(jí)鉆桿，首先應(yīng)確定該合金鋼材料應(yīng)是調(diào)質(zhì)鋼。20世紀(jì)70年代，冶金部攀枝花鋼鐵研究院曾組織研制DZ75級(jí)無縫鋼管，鋼號(hào)為35MnMoVTi，屬非調(diào)質(zhì)高鋼級(jí)鋼，該鋼管采用斜軋延伸法生產(chǎn)熱軋管，軋后快速冷卻、低溫軟化處理及聯(lián)合矯直等工藝，由于成本較高、精度控制難度大、性能不穩(wěn)定等，未能在市場(chǎng)運(yùn)用和推廣。調(diào)質(zhì)鋼要求材料具有優(yōu)良的淬透性，而淬透性是指在規(guī)定的條件下，決定鋼材淬透深度和硬度分布的特性，如淬硬層深度越大，則鋼的淬透性越好。淬透性取決于鋼材的化學(xué)成分的精確控制和均勻性。淬透性好的材料可使鋼件整個(gè)截面獲得均勻一致的力學(xué)性能，可降低鋼材的內(nèi)應(yīng)力，減少變形和開裂，并可改善成分偏析、帶狀組織現(xiàn)象，以達(dá)到鉆桿機(jī)械性能的穩(wěn)定性和一致性。實(shí)踐證明，相比其它熱處理方式，調(diào)質(zhì)后的管材具有較細(xì)的晶粒度，材料的綜合性能更佳。

晶粒度是指鋼在一定條件下奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向，晶粒度在1～4級(jí)稱為粗晶粒鋼，5～8級(jí)為細(xì)晶粒鋼，9級(jí)以上為超細(xì)晶粒鋼。晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，則在同樣塑性變形量下變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個(gè)晶粒中塞積的位數(shù)少，因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會(huì)就越少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，即表現(xiàn)出較高的塑性。在細(xì)晶粒無縫鋼管產(chǎn)品中，應(yīng)力集中少，殘余應(yīng)力低，裂紋不易萌生和傳播(晶界曲折多)，因而在變形或斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。此外，晶粒越細(xì)，晶界、亞晶界越多，材料的強(qiáng)度也越高，耐磨性和耐腐蝕性越好，同時(shí)發(fā)揮出良好的抗疲勞特性。

選擇超細(xì)晶粒度的調(diào)質(zhì)鋼，需要分析合金鋼中的各種化學(xué)元素，如Cr、Mn、Mo、Si、V、B、Ti、Al、Cu、Ni等對(duì)鋼材性能的作用，在合理匹配鋼中有利元素的前提下，重點(diǎn)是提高鋼的純凈度，即降低鋼中有害元素和氣體含量，如As、Sn、Pb、Sb、Bi、P、S、O、N、H等，同時(shí)控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、形狀和大小。鋼的純凈度越高，鋼中晶界越完整，鋼基體的連續(xù)性越好，可較大地減少材料的疲勞裂紋源。非金屬夾雜物會(huì)降低鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能，使鋼的冷熱加工性能變差，導(dǎo)致許多缺陷的產(chǎn)生。

繩索取心鉆桿在鉆孔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，要承受較強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)力矩和抗拉(壓)強(qiáng)度，以及相應(yīng)的沖擊、疲勞和巖石磨蝕，這就要根據(jù)繩索取心鉆探施工的鉆孔深度來確定鋼管材料所能承受的抗拉強(qiáng)度。抗扭強(qiáng)度是抵抗扭矩破壞的能力，一般鉆桿的抗扭強(qiáng)度是根據(jù)管體材料最小屈服強(qiáng)度的57.7%來確定的，同時(shí)，材料的疲勞極限σ－1與抗拉強(qiáng)度σb之間有較好的相關(guān)性，隨抗拉強(qiáng)度的升高而升高，一般近似計(jì)算為:

正火和退火碳鋼:σ－1=8.4 MPa+0.454σb;

調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼:σ－1=94 MPa+0.383σb。

為合理選擇鉆桿的材料，我們計(jì)算分析了屈服強(qiáng)度850 MPa、抗拉強(qiáng)度950 MPa狀態(tài)下89 mm×

5.5 mm繩索取心鉆桿彈性變形和應(yīng)力分布情況。依據(jù)的計(jì)算公式如下:

最大靜應(yīng)力公式:σjmax=LAγ/A

動(dòng)伸長(zhǎng)量公式:ΔLd=kdΔL

最大動(dòng)應(yīng)力公式:σdmax=kdσjmax

動(dòng)荷放大系數(shù):kd=1+(a/g)

鉆桿提升的加速度:a=F/m

在勻速提動(dòng)鉆桿和提升掃孔狀態(tài)下，測(cè)算的數(shù)據(jù)如下:

(1)3000 m均速提桿:總伸長(zhǎng)量1.766 mm，最大應(yīng)力235.5 MPa;

(2)3000 m掃孔提桿:總伸長(zhǎng)量4.887 mm，最大應(yīng)力651.6 MPa;

(3)6000 m均速提桿:總伸長(zhǎng)量4.912 mm，最大應(yīng)力392.5 MPa;

(4)6000 m掃孔提桿:總伸長(zhǎng)量10.115 mm，最大應(yīng)力808.6 MPa。

考慮到石油鉆具用鋼在材料的選擇上具有嚴(yán)密的科學(xué)性和成功經(jīng)驗(yàn)，繩索取心鉆探與石油或天然氣鉆探的井下工況有較大的相似性，因此我們認(rèn)為值得借鑒。石油鉆桿為大口徑、中壁厚、超長(zhǎng)度和大規(guī)模熱軋生產(chǎn)方式的特點(diǎn)，滿足管材調(diào)質(zhì)熱處理是材料選擇的主要條件之一，所以一般采用低碳合金調(diào)質(zhì)鋼;石油鉆桿接頭管壁較厚，一般由圓棒材鍛造沖壓后車削而成，且接頭的機(jī)械性能要高于鉆桿性能，因此更多考慮鋼材的淬透性和管材的綜合性能。

通過綜合分析和比較，我們選用API標(biāo)準(zhǔn)中淬透性優(yōu)良的高鋼級(jí)石油鉆桿接頭用合金結(jié)構(gòu)鋼SAE4137H(近似國(guó)標(biāo)牌號(hào)37CrMnMoA)試制高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管，在材料上與石油鉆探行業(yè)一致，使我國(guó)巖心鉆探鉆具行業(yè)逐步與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，這應(yīng)是我國(guó)地質(zhì)專用管材研發(fā)的方向。

根據(jù)研發(fā)高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管屈服強(qiáng)度指標(biāo)的要求，確定該鋼級(jí)牌號(hào)為XJY950，該材料的具體化學(xué)成分、高低倍組織見表1、表2，其性能技術(shù)參數(shù)為:屈服強(qiáng)度Rp0.2≥950 MPa;抗拉強(qiáng)度Rm≥1050 MPa;斷后伸長(zhǎng)率 A≥15%;硬度HRC30～35;20℃沖擊吸收能量(縱向)KV2≥80 J。

表1 XJY950繩索取心鉆桿用管材的化學(xué)成分 /%

表2 XJY950管坯的高低倍組織要求

2 XJY950繩索取心鉆桿用管材的制造工藝優(yōu)化

對(duì)于石油鉆桿接頭使用的SAE4137H材料，國(guó)內(nèi)尚無用于制造冷拔無縫鋼管的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。為了達(dá)到特深孔繩索取心鉆桿的制造和使用要求，我們?cè)诳偨Y(jié)XJY850鉆桿用管材的制造工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)該材料的熱處理工藝制度進(jìn)行了研究，在提高管材的壁厚均勻性、直線度、綜合性能方面進(jìn)行了一些工藝優(yōu)化。

(1)繩索取心鉆桿需要在較薄的管體上加工兩端螺紋，而螺紋連接段又是鉆桿體最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，保證螺紋加工后螺紋端的最大截面積和均勻性十分重要。試驗(yàn)證明，管材的壁厚不均會(huì)嚴(yán)重影響管材后續(xù)調(diào)質(zhì)熱處理和直線度控制的結(jié)果，必須在控制內(nèi)外徑公差的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制壁厚不均。為此，采用100 mm大斷面管坯進(jìn)行穿孔制管，利用大功率的冷軋機(jī)進(jìn)行開坯軋制，以大減徑大減壁的冷變形工藝，明顯提高了鋼管的壁厚均勻性;又以空拔+襯芯拔制的方式，進(jìn)一步確保了壁厚精度。經(jīng)過對(duì)兩批試制的XJY950管材進(jìn)行測(cè)試，其壁厚偏差完全能達(dá)到國(guó)外同類繩索取心管材的±5%以內(nèi)的同心度要求，內(nèi)外徑控制偏差也達(dá)到了N口徑0～0.25 mm和H口徑0～0.38 mm的較高要求。

(2)直線度要求一直是繩索取心鉆桿用管材制造的控制難點(diǎn)，也是繩索取心鉆桿機(jī)械加工，特別是進(jìn)行全自動(dòng)化加工的主要技術(shù)要求之一。經(jīng)過不斷研究、分析和試驗(yàn)，證明了管材矯直前的熱處理(中間退火、正火、調(diào)質(zhì))質(zhì)量控制對(duì)最終直線度的影響十分明顯，通過控制管材矯直前的強(qiáng)度(硬度)和均勻性，以及增加鋼管頭尾切除長(zhǎng)度，確保了試制的XJY950高鋼級(jí)管材達(dá)到了1∶6000的直線度國(guó)際先進(jìn)水平。

(3)為確保管材的綜合性能和表面精度，對(duì)調(diào)質(zhì)前的管材進(jìn)行預(yù)矯直后去應(yīng)力退火及表面磨拋處理，降低和減少鋼管的殘余應(yīng)力及表面缺陷，杜絕鋼管調(diào)質(zhì)后產(chǎn)生淬火裂紋的可能，從而提高管材的綜合性能和可靠性。

(4)對(duì)成品管材采用低溫時(shí)效和鈍化處理兩項(xiàng)新工藝技術(shù)，既穩(wěn)定了XJY950管材的尺寸公差精度，又提高了管材抗疲勞性和耐蝕性。

3 試制的管材性能結(jié)果與對(duì)比分析

我們先后采用了兩批由江陰興澄特種鋼鐵有限公司生產(chǎn)的SAE4137H圓鋼坯(該產(chǎn)品為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品，產(chǎn)品編號(hào)2008GRC10093)，按上述制管工藝要求進(jìn)行批量試制，經(jīng)實(shí)物測(cè)試，完全符合研制之初設(shè)計(jì)確定的高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿管材的技術(shù)要求指標(biāo)。具體測(cè)試結(jié)果及與同類管材的性能參數(shù)對(duì)比如表3、圖1所示。

從表3中的數(shù)據(jù)看，XJY950管材相比XJY850、30CrMnSiA管材強(qiáng)度高、彈性好，沖擊韌性在常溫和低溫情況下變化均很小，特別是XJY950管材的晶粒度達(dá)到了12級(jí)，有效地確保了該鋼級(jí)的繩索取心鉆桿具有優(yōu)良的綜合性能。完全達(dá)到了《石油和天然氣工業(yè)鉆探用鋼管》(ISO 11961)中最高鋼級(jí)S135牌號(hào)的技術(shù)要求。

表3 高鋼級(jí)管材性能參數(shù)對(duì)比

圖1 XJY950繩索取心鉆探用管材的金相組織

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所委托重慶材料研究院對(duì)XJY950、XJY850、30CrMnSiA、45MnMoB的管材進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，檢測(cè)報(bào)告確認(rèn): XJY950的抗疲勞特性最佳。

4 結(jié)論與建議

XJY950高鋼級(jí)精密繩索取心鉆桿用無縫鋼管試制了2個(gè)批次，6種規(guī)格，累計(jì)(中試)量產(chǎn)40 t。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試證明，XJY950材料具有純凈度高、淬透性高和綜合性能高的優(yōu)點(diǎn)，已達(dá)到國(guó)外繩索取心鉆桿用管材的最高鋼級(jí)的要求。

根據(jù)XJY950管材的性能指標(biāo)，該材料用于制造高鋼級(jí)繩索取心鉆桿，可進(jìn)一步提高鉆桿使用壽命，減少孔內(nèi)鉆柱事故;也能減少后續(xù)鉆桿制造工序和制造成本，尤其適合制造B、N、H口徑的自接式繩索取心鉆桿，適應(yīng)全液壓鉆機(jī)的發(fā)展需要。

XJY950管材具有優(yōu)良的淬透性，經(jīng)端部加厚、管體整體調(diào)質(zhì)熱處理后的性能相對(duì)穩(wěn)定，可滿足特深孔繩索取心鉆桿制造和使用要求。

建議高鋼級(jí)鉆桿要根據(jù)強(qiáng)度合理調(diào)整螺紋的緊密距，防止咬扣;同時(shí)可以適當(dāng)加長(zhǎng)單根鉆桿長(zhǎng)度，減少螺紋數(shù)量，降低螺紋副的承載應(yīng)力，以適應(yīng)深孔、特深孔繩索取心鉆探需要。

［1］李連詩(shī)，韓觀昌.小型無縫鋼管生產(chǎn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［2］DIN EN ISO 11961－2009，石油和天然氣工業(yè)鉆探鋼管［S］.

［3］盧小慶，鐘守明，李建.超深復(fù)雜井用超高強(qiáng)度石油套管TP140V的設(shè)計(jì)開發(fā)及應(yīng)用［J］.鋼管，2011，40(5).

［4］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］況雪軍，孫建華.XJY850高強(qiáng)度精密地質(zhì)管材的研制［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(5).

［6］孫建華，張永勤，梁健，等.深孔繩索取心鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及研發(fā)工作思路［J］.地質(zhì)裝備，2011，(4).

Development of Seamless Steel Pipe for XJY950 High-grade Steel Precision Wire-line Coring Drilling Pipe

XIAO Hong1，SUN Jian-hua2，GAO Shen-you3，LIANG Jian2，ZHANG Yong-qin2，PENG Li3，WU Guo-zhong1，KUANG Xuejun1，QIAN Jiong3(1.Jiaxing City New-Era Steel Tube Manufactured Co.，Ltd.，Jiaxing Zhejiang 314503，China;2.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;3.Wuxi Drill Tools Factory，Wuxi Jiangsu 214174，China)

The paper discusses the technical ideas of cold drawn seamless steel tube for high-grade steel precision wire-line coring drilling pipe for the application in deep and ultra-deep holes;introduces and analyzes material selection and manufacturing process optimization of XJY950 cold drawn seamless steel tube and puts forward technical advice in the drilling application.

wire-line core drilling;drilling pipe;seamless steel tube;manufacturing

P634.4

A

1672－7428(2012)06－0012－04

2012－04－26;

2012－05－05

國(guó)土資源部地調(diào)研究工作項(xiàng)目“特深孔繩索取心鉆桿的研究”(1212011120236)，國(guó)家科技部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究－科學(xué)超深井鉆探技術(shù)方案預(yù)研究”(201011063，SinoProbe－05－06)資助

肖紅(1965－)，男(漢族)，江西贛州人，嘉興市新紀(jì)元鋼管制造有限公司副總經(jīng)理、工程師，長(zhǎng)期從事地質(zhì)鉆探用無縫鋼管技術(shù)工藝和新產(chǎn)品開發(fā)工作，浙江省桐鄉(xiāng)市屠甸鎮(zhèn)石涇東路101號(hào)。