一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢及其制备方法

技术领域

本发明属于油气田增产作业及页岩气开采压裂作业用的机械制造装备领域，特别涉及一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢及其制备方法。

背景技术

目前，国内压裂泵液缸大都采用34CrNi

发明内容

为了解决上述材料在压裂作业设备中存在的开裂失效、疲劳受损的技术难题，本发明提供了一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢材料，技术方案具体为：一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢，钢的化学元素组成及各组分占有的重量百分比为：C 0.30-0.36，Mn0.23-0.28，P≤0.015，S≤0.010，Si 0.05-0.10，Ni 3.20-3.30；Cr 1.40-1.50；Mo 0.55-0.60，V 0.11-0.15，H≤1.5ppm，O≤112ppm，N≤70-120ppm，其他为Fe。

作为改进，钢的抗拉强度为1100～1300Mpa，屈服强度为950～1200Mpa，伸长率为18～22％，硬度为341～388HBW，冲击试验：-30℃的AKV2为66-71ft-lb。

同时，还提供了上述压裂泵液缸用高强度合金结构钢的制备方法，按上述结构钢的化学成分配比计算和称取原材料，将该原料采用电弧炉冶炼，电渣重熔EF，经LF炉精炼，VD真空除气，采用氩气保护，EF+LF+VD，氢气≤1.5ppm下模铸成锭坯，通过锻造成液缸所需的坯料，锻后缓冷，探伤，正火880±15℃，保温10±1小时；退火，粗加工处理，二次探伤处理，调质处理，精加工处理，终检探伤，形成液缸。

作为改进，所述调制处理时依次设置包括淬火和两次回火，其中所述淬火温度850±15℃，保温10±2小时，一次回火温度595±30℃，保温20±5小时，二次回火温度550±30℃，保温15±4小时。

作为改进，锻造时，工件压裂泵液缸的锻造比≥5；锻造后进行依次进行正火，淬火温度880±15℃，保温10±1小时，一次回火温度595±20℃，保温20±5小时，二次回火，温度550±20℃，保温15±3小时处理，夹渣物按GB/T10561中要控制级别在i＝1.5级，奥氏体晶粒度细于等于7.0。

作为改进，调质处理前还包括正火处理，设置正火温度高于调质处理的淬火温度20～40℃，淬火时水冷过程采用水淬、油淬，工件入水水温≤30℃，水温≤40±15℃，浸水6-8分钟，入油，入油温度≤40±10℃，工件出油温度在70-80℃；其中水冷时采用水冷循环装置，循环补充冷水。

有益效果：本发明提供的结构钢及制备生产方法，用来制造压裂泵的液缸，能够使得液缸与常规材料液钢相比，机械性能、材料强度、硬度都大幅提升，在页岩气开采的恶劣工况下，可提升产品的使用寿命，降低使用成本，质量稳定、可靠，避免了作业过程中非预测的开裂失效和生产事故，降低了在页岩气开采作业过程中频繁更换液缸的劳动成本和时间成本，更适合油气田深井压裂和页岩气开采需求。

具体实施方式

下面对本发明结合实施例作出进一步说明。

一种压裂泵液缸用高强度合金结构钢，钢的化学元素组成及各组分占有的重量百分比为：C 0.30-0.36，Mn 0.23-0.28，P≤0.015，S≤0.010，Si 0.05-0.10，Ni 3.20-3.30；Cr1.40-1.50；Mo 0.55-0.60，V 0.11-0.15，其他为Fe。该材料严格控制化学成分，减少钢中有害元素As、Sn、Sb、Bi、Pb含量，对P、S含量、非金属夹杂物和H、O、N气体含量进行严格控制，H≤1.5ppm，O≤112ppm，N≤70-120ppm，提高纯净度；对C、Cr、Mo、Ni、V等化学成分进行控制，以达到良好的强韧性匹配。

上述材料钢能够获得力学性能为抗拉强度为1100～1300Mpa，屈服强度为950～1200Mpa，伸长率为18～22％，硬度为341～388HBW，冲击试验：-30℃AKV2≥31ft-lb，优选地设置为66-71ft-lb。

作为本发明的具体实施方式，还提供了上述压裂泵液缸用高强度合金结构钢的制备方法，按上述结构钢的化学成分配比计算和称取原材料，将该原料采用电弧炉冶炼，电渣重熔EF，经LF炉精炼，VD真空除气，采用氩气保护，EF+LF+VD，模铸成锭坯，通过锻造成液缸所需的坯料，锻后缓冷，探伤，正火880±15℃，保温10±1小时，退火，粗加工处理，二次探伤处理，调质处理(淬火温度850±15℃，保温10±2小时，优选为10～12h；一次回火温度595±30℃，保温20±5小时，优选为19～21h；二次回火温度550±30℃，保温15±4小时，优选为15～19h)，精加工处理，终检探伤，形成液缸。

锻造时，在锻造过程中严格操作，锻造比≥5，优选为5～100，保证锻透、压实、变形均匀。

锻后及时装炉进行正火、回火，达到细化晶粒，均匀组织，扩散去氢的目的；锻造后进行正火，(淬火温度850±15℃，保温10±1小时，一次回火温度595±20℃，保温20±1小时，二次回火，温度550±20℃，保温15±1小时)处理，非金属夹杂物控制按GB/T10561中A,B,C,D,Ds≤4.5级，夹渣物控制在i＝1.5级，奥氏体晶粒度细于等于7.0。

调质处理前先正火，正火温度比调质淬火温度高20℃，优选地设置高20～40℃，使合金元素固溶、均匀，进一步细化晶粒，均匀组织，为调质处理做好组织准备。

调质处理前还包括正火处理，设置正火温度高于调质处理的淬火温度20～40℃，淬火时水冷过程采用水淬、油淬，工件入水水温≤30℃，水温≤40±15℃，浸水6-8分钟，入油，入油温度≤40±10℃，工件出油温度在70-80℃；其中水冷时采用水冷循环装置，循环补充冷水。

为保证锻件机械性能满足要求，冷却方式采用水淬、油冷，严格控制水温，工件入水水温≤30℃，水温≤40±15℃，浸水6-8分钟，入油，入油温度≤40±10℃，工件出油温度在70-80℃。在水冷过程中开启水冷循环装置，并不断补充新鲜冷水，与此同时，工件在水中上下窜动，严格控制水冷时间，确保工件在Ms点以上快速冷却，在Ms点以下缓慢冷却，以避免较大的淬火应力，降低变形和开裂的风险，同时保证工件的机械性能。

本发明中的结构钢的化学成分作为实施例与对照组进行比较，进一步地对本发明的技术方案进行说明。

实施例1

其中序号1-6为本发明的实施例组，7-9为对照组，余量均为Fe，对照组7-9中，不添加V，添加了不大于0.2wt％铜，然后对上述成分的合金钢进行力学测试实验，获得以下结果和数据。

序号1-6中测量的抗拉强度1100～1300Mpa，屈服强度为950～1200Mpa，伸长率为18～22％，硬度为341～388HBW。

对照组7-9的机械性能：抗拉强度(MPa)：755～900，屈服强度(MPa)：590～785，延伸率(％)：12～14，硬度(HBW)：241～341。

从上面可以清楚的得到，本发明的力学性能要比对照组的优良很多，对比可知，抗拉强度由900MPa提高到1130MPa、屈服强度由785MPa提高到965MPa，延伸率由12％提高到19％；硬度由241-341提高到341-388。

液缸材料的机械性能大幅提高，用本发明材料制造的液缸使用寿命和可靠性都大幅提高，在中低压(60-80MPa)工况下平均寿命约为250-300小时；在高压(80-105MPa)情况下，使用寿命稳定，可达100小时，质量稳定、可靠，避免了作业过程中非预测的开裂失效和生产事故，降低了页岩气开采作业的设备使用成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。