钢铁材料与石油天然气开发及井下.pptx

钢铁材料与石油天然气开 发及井下工具用钢李春福 西南石油大学 油气藏地质与开发工程国家重点实验室目录0预备知识 1、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料 2、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢 3、先进钢铁材料 4、石油天然气发展中的材料科学问题及解决前景 5、石油钻采工具与设计选材0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识0、预备知识一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料p1.1钢铁材料基础知识 p钢铁材料通常是指铁碳合金， 按含碳量的大小分类：含碳量(质量分数)大于2％的为生铁；含碳量(质量 分数)小于2％的为钢含碳量(质量分数)小于0．04％的为工业纯铁 按化学成分可将生铁分为：普通生铁和特种生铁（包括天然合金生铁和铁 合金） p生铁 按用途可将生铁分为：炼钢用生铁和铸造用生铁； p碳的含量超过2%（一般是2.5～3.5％）的铁碳合金称为铸铁铸铁一般用 铸造生铁经冲天炉等设备重熔，用于浇注机械零件。

按断口颜色一般可以把铸铁分为：灰铸铁、白口铸铁和麻口铸铁 按化学成分一般可以把铸铁分为：普通铸铁和合金铸铁 按生产工艺和组织性能可以把铸铁分为：普通灰铸铁、孕育铸铁、可锻铸 铁、球墨铸铁和特殊性能铸铁分类方法分类名称说 明1．按断 口 颜 色分(1)灰铸铁这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和 良好的被切削性能，普遍应用于工业中2)白口铸铁白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行 切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁 或冷硬铸铁3)麻口铸铁麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应 用2．按化 学成 分分(1)普通铸铁是指不含任何合金元素的铸铁，如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等2)合金铸铁是在普通铸铁内加入一些合金元素，用以提高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁如各种耐蚀、耐 热、耐磨的特殊性能铸铁3．按生 产 方法 和 组 织 性能 分(1)普通灰铸铁参见“灰铸铁”2)孕育铸铁这是在灰铸铁基础上，采用“变质处理”而成，又称变质铸铁。

其强度、塑性和韧性均比一般灰铸铁好得多 ，组织也较均匀主要用于制造力学性能要求较高，而截面尺寸变化较大的大型铸件3)可锻铸铁可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成，比灰铸铁具有较高的韧性，又称韧性铸铁它并 不可以锻造，常用来制造承受冲击载荷的铸件4)球墨铸铁简称球铁它是通过在浇铸前往铁液中加入一定量的球化剂和墨化剂，以促进呈球状石墨结晶而获得 的它和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料，在机械工 程上应用广泛5)特殊性能铸 铁这是一种有某些特性的铸铁，根据用途的不同，可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等大都属于合 金铸铁，在机械制造上应用较广泛一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料p1.1钢铁材料基础知识 Ø钢的定义：钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.06%之间的铁碳合金的 统称 钢的化学成分可以有很大变化，只含碳元素的钢称为碳素钢（碳钢）；在实际 生产中，钢往往根据用途的不同含有不同的合金元素，比如：锰、镍、钒等等 ，称为合金钢 Ø钢的分类: 化学成分分类-碳素钢，合金钢，微合金钢、低合金钢（合金含量小于5%）， 中合金钢（5-10%），高合金钢（大于10%）；Cr钢，Mn钢等，纯净钢，超级 纯净钢等 用途分类：建筑用钢，结构钢、工具钢（碳素工具钢，合金工具钢，高速工具钢），轴承钢，模具钢（冷作和热作模具钢）不锈钢（F/A/M/A+M双相不锈 钢）超纯不锈钢等 按照晶粒尺度分类，常规晶粒（GB）、细晶粒钢和超细晶粒钢 按照制备及使用方式，热轧钢冷轧钢，相变诱发塑性钢TRIP钢、TWIP孪生诱 发塑性钢以及易切削钢等钢一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料 Ø钢的冶炼与轧制 冶炼与精炼（二次精炼、特种冶炼包括真空、重熔、离子轰击，VOD等） 钢的成型与控制：热轧与冷轧，热挤压与冷挤压，控制轧制控制冷却，TMCP热机械处理( Thermo-Mechanical Control Process)等 Ø钢的常规化学和表面热处理： 热处理定义：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后， 然后冷却的工艺过程 钢的退火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然 后通过炉冷或者缓慢冷却的工艺过程 正火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后，然后在 空气中冷却的工艺过程 淬火和回火：将钢材加热到高温临界点以上使其奥氏体化后， 然后快速冷却的工艺过程较淬火，淬火后在加热到一定温度， 是淬火后的钢材脆性降低的工艺过程（包括低温中温高温回火 ）一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料 钢的调质：淬火加上高温回火得到强韧配合良好的索氏体组织的工艺方法被称为调 质，的这是机械设计工程师中最常用的工艺方法名词，实际上是现代机械 设计局限性的误区 钢的强韧化处理（包括细晶超细晶处理，控轧控冷CC、热机械处理TMCP） 钢的化学热处理：包括渗碳、渗氮、渗铬、渗硼、渗铝、碳氮共渗、多元素复合渗等 钢的表面热处理包括：1）感应加热表面处理，包括：高频、中频、工频2）电化学脉冲表面处理3） 激光表面处理4）热喷涂表面处理（火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂）5）表面滚压处理6）发黑与磷化一、钢铁材料基础知识与现代钢铁材料Ø钢的基本组织： 铁的两种晶体结构：α铁与γ铁α铁—体心立方铁（铁的低温晶体结构溶碳量很低，727℃0.0218%）γ铁---面心立方铁（铁的高温晶体结构） 铁素体，Ferrite，碳在α铁—体心立方铁中的固溶体,包括岛状、针状 渗碳体，铁与碳元素的化合物，Fe3C 奥氏体，Austenite，碳在γ铁—面心立方铁中的固溶体 珠光体，Pearlite，铁素体与渗碳体的复相物，衍生组织细珠光体也 叫索氏体，及细珠光体也叫屈氏体火托氏体 马氏体，Martensite，钢材淬火后的硬化组织，是碳在α铁中的过饱 和固溶体，包括低碳马氏体和高碳马氏体，也叫板条状马氏体和针状 马氏体 回火马氏体，Tempered martensite： 现代先进钢铁材料二、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢p1钢铁材料在石油天然气开发中的重要地位在是由天然气开发中铁材料是占据主导地位的结构材料，是石 油天然气工业发展的物质基础 p2、石油天然气用钢石油天然气勘探、开发、储运过程中所应用的机械装备、工 具、管道用钢材的总称可分为 Ø石油天然气装备用钢 包括钻探钻井采油采气用的装备，如：钻机、抽油机、各种泵 类，井口装置及储油罐体等 Ø石油天然气管线用钢包括钻井管柱中的钻杆、钻铤，完井管柱、输运管道等 Ø石油天然气钻采工具用钢包括钻井工具，完井工具以及修井工具等二、石油天然气与钢铁材料-石油天然气用钢Ø石油天然气工业的发展对钢材提出了更高的要求随着现代科学技术的发展，近年来，国内外石油天然气的需求极大 地促进了我国石油天然气的科技的进步，包括油气勘探理论，钻井完 井工艺技术以及开下测试技术等 钻探：从深井( 超过4 000 m) 、超深井( 超过6 000 m) 的钻探成功并找 到高产油气资源，以及特深井( 超过9 000 m) 钻探， 钻井、建井、完井和修井新技术新工艺的产生如套管钻井、可膨胀管 技术、连续油管技术等 复杂油气藏与高含酸性气体油气田开发，高含二氧化碳油气田，高含 硫化氢油气田等 页岩气、煤层气、可燃冰的开发等都对钻采装备、配套工具和工艺技术都提出了更高的要求。

Ø这对石油天然气用钢提出了更高的要求，原有的钢材那与满足新的更 高的要求 Ø石油天燃气用钢三、先进钢铁材料石油天然气钻探开发以及石油装备、配套工的进步，在很大程 度上依赖钢铁等金属材料的发展 在最近20 年中，钢铁等金属材料领域的科学与工艺技术也得到 长足的进步，从20 世纪后期的微合金化非调质钢、无间隙原子 钢和双相钢的诞生与应用，到20 世纪末21 世纪初通过热机械控 制工艺获得超细晶粒钢以及相变诱发塑性钢( TRIP) 、孪生诱发 塑性钢( TWIP) 等先进高强度钢概念的推出 到2009 年我国开展的高性能钢的M3 组织调控理论与技术研究 ，对当代科学技术及各工业部门的技术进步、节能减排都起到 巨大的作用 以汽车工业为例，近年来汽车工业在节能、安全和轻量化方面 ，为钢材的选用和新钢铁材料的开发开辟了一条现代高科技之 路 先进的汽车用钢，新一代汽车用钢铁材料的理念提出，为汽车 工业的发展注入了强大的生命力三、先进钢铁材料石油天然气工业在现代新的先进钢铁材料应用上虽然取得了一定的进 展，如在抽油杆上使用非调质钢，石油天然气输送管道用钢中引入针 状铁素体管线钢概念等 但总体上说，在针对石油天然气工业提出的新理念、新要求，从材料 学科的角度缺乏相应的研究，从推广应用的角度缺乏总体要求与规 划。

以至于在石油天然气领域，从钻采装备的设计思想到材料的选用大多延续着20 世纪中后期的观念 作为钢铁与金属材料重要的应用领域石油天然气工业，应该在石油天 然气工业中建立与当前先进的钢铁与金属材料相适应的先进石油天然气用钢的概念; 在石油天然气工业推广应用已经在其他领域中成 功应用的先进钢铁材料; 结合石油天然气领域中的特殊需求设计开发新的石油天然气用钢，以 解决新世纪石油天然气安全高效开发，包括深井、超深井、特深井钻探; 高含H2S 和CO2的酸性油气田以及复杂油气藏开发; 提高采收率等 新技术中遇到的种种难题降低开发成本，提高经济效益，同时达到 节能减排，保护环境的目的三、先进钢铁材料Ø新一代钢铁材料新一代钢铁材料是指充分利用人类100 多年来在物理冶金、化学冶 金和力学冶金上的研究成果，使钢铁材料的合金化作用和生产工艺技 术进步相结合，发展的新一代钢铁材料产品并进行的基础理论研究 其主要特征为: 在充分考虑经济性的条件下，使钢材具有高洁净度( 钢 中的杂质元素S、P、O、N、H 的总质量分数小于8. 0 × 10 － 5 ) 、超 细晶粒( 钢的晶粒尺寸在0. 1 ～ 10. 0 μm 之间) 、高均匀度( 钢的化学 成分、组织和性能均匀) 的特征，强度、使用寿命比常用钢材提高1 倍。

并在钢的化学成分-制备工艺-组织结构-性能的关系中，重点强调组织 的主导地位，即其超细微组织表现出的优异的综合性能新一代钢铁材料的基础理论研究表现在2 个方面: ①超细晶粒理论和实现方法的研究; ②M3 组织调控理论及工艺技术的研究多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（Multi- scale）＂（简称M3）三、先进钢铁材料国家重点基础研究发展计划（973计划）＂高性能钢的组织调控理论与 技术基础研究＂项目 研究目标和内容该项目以提高钢的服役安全性为目标,研究提高钢的性能之组织调控 理论和技术研究内容包括了温度和应力作用下的亚稳奥氏体相变机制、相变过程中碳扩散、相变组织多尺度特征、相变组织在温度-应力-腐蚀作用下的稳定性 获得高洁净度和高均匀度钢坯的化学冶金学和凝固技术基础 建立以＂多相（Multi-phase）、亚稳（Meta-stable）、多尺度（ Multi-scale）＂（简称M3）为特征的组织调控理论, 形成以第3代低合金钢、第3代汽车用钢和第3代马氏体耐热钢为代表的 高性能原型钢技术,为大幅度提高建筑设施、汽车、能源装备的服役安 全性奠定钢铁材料技术基础。

三、先进钢铁材料近几十年的新。