（1）低碳马氏体钢[9] 20世纪50～70年代，西安交通大学系统开展了低碳马氏体的研究，表明低碳马氏体钢有较好的综合力学性能，特别是在高强度水平下仍有较大的塑性韧性和良好的工艺性能。为了满足截面较大、服役条件较恶劣的一些石油机械产品的需要，宝鸡石油机械厂先后与大冶钢厂、西安交通大学合作，研制了20SiMn2MoVA、20CrMnSiMoVA、25SiMn2Mo-VA等大截面低碳马氏体钢。其中，20SiMn2MoVA已列入合金结构钢国家标准。20SiMn2MoVA和20CrMnSiMoVA具有高强度（抗拉强度达1400MPa、屈服强度1200MPa）与大塑性韧性（-20℃时CVN达60J以上，KIC达124MPa·m1/2）相结合的特点。在淬火低温回火的板条状马氏体状态，既具有不亚于中碳合金调质钢的塑性韧性，又有比调质钢高得多而与淬火中温回火相当的强度水平。这类钢可以用于截面较大（Φ80～Φ120mm）、形状复杂、应力状态较“硬”、应力集中系数较高的构件，以及承受低周疲劳或巨大冲击载荷的重要构件，以达到减轻重量、延长寿命的目的。从20世纪70年代到现在的40多年来，宝鸡石油机械公司一直坚持吊环等产品采用20SiMn2MoVA等大截面低碳马氏体钢，取得重大经济效益和社会效益。
现代冶金技术的进步和材料科学的发展，使低碳马氏体钢又有许多进一步改进和完善的空间，低碳马氏体钢可以达到更高的技术标准，满足更严酷的服役条件。主要改进措施：①提高钢的纯净度；②调整化学成分，添加Cr、Ni等元素；③进一步细化晶粒。目标：-20℃时，CVN≥100J。
（2）无碳化物贝氏体钢[10，11] 我国是贝氏体相变研究的大国。北京科技大学、西北工业大学、清华大学等都有突出的研究成果，先后出版多部专著。而国际上首推Bhadeshia的研究成果。
Bhadeshia等研究了含一定量硅、镍等非碳化物形成元素的钢，在贝氏体相变时，碳化物的析出受到抑制，其组织由贝氏体铁素体板条束及束间富碳的残留奥氏体所构成，称为无碳化物贝氏体（Carbide-freebaiite）。这种贝氏体在形态上类似上贝氏体，但板条间析出的不是碳化物而是奥氏体薄膜。这种含碳较高的残余奥氏体薄膜有较高的热稳定性和机械稳定性。无碳化物贝氏体有较高的强韧性，膜状残余奥氏体进一步提高了塑性和韧性，改善了抗延迟断裂性能。
西北工业大学通过对低碳贝氏体钢板条内部精细结构的控制，大幅度提高了钢的强韧性（表5）。其主要措施：加硅，强烈抑制碳化物析出；BF板条间的奥氏体膜（Ar）量多、分布均匀，而且非常稳定；晶粒细化。此钢可用于吊环、吊卡、提环等产品。
表5 低碳贝氏体钢的性能
（3）无碳化物贝氏体/马氏体复相钢 20世纪70年代，宝鸡石油机械厂试制的5000m直流电驱动钻机的重量相当于3500钻机的重量，其绞车轴采用了低碳贝氏体钢（15CrMn2MoVA）。根据上述经验，深井钻机的绞车轴采用无碳化物贝氏体/马氏体复相钢是可行的。在绞车轴减轻自重的同时，绞车的其他零件，通过降低回火温度，普遍提高20%～30%的强度水平，可以降低钻机绞车自重30%以上。
（4）Q&P处理钢[12，13] Speer等人近年来发展的Q&P（淬火与碳的重新分配）处理，系将含Si或Al较高的钢经淬火至Ms-Mf间一定的温度（QT）后，再在一定温度（PT，PT≥QT）停留，使碳由马氏体扩散（分配）至残余奥氏体，使其稳定化，增加最后淬至室温的奥氏体含量，改善高强度钢的韧性（图1）。
图1 Q&P处理示意图
注：Ci、Cγ、Cm分别表示原始合金、奥氏体和马氏体内的碳含量，QT和PT分别表示淬火温度和碳分配温度。
（5）低合金调质型超高强度钢 天津钢管公司和上海宝钢分别研制了165钢级的超高强度钻杆用钢（含钼1%的低碳Cr-Mo钢）。上海宝钢BG165V数据：经调质处理后屈服强度保证值1137～1310MPa，抗拉强度≥1206MPa，伸长率≥15%，0℃时的夏比冲击功（横向）≥90J。随机抽样的实测值为：屈服强度1180MPa，抗拉强度1240MPa，伸长率19%，0℃时的横向冲击功118J、110J、115J，纵向冲击功137J、142J、140J。天津钢管的数据见表6。此钢可考虑用于海洋钻机提升系统的重要承载件，如提环、吊环、吊卡等。
表6 TP1650钻杆力学性能检验结果(www.xing528.com)
（6）高强韧性铸钢 20世纪70年代，宝鸡石油机械厂研制了一种高强度高韧性铸钢18CrMnSiMoVA，其屈服强度达到900MPa以上，-20℃时的CVN达到40J以上，已成功用于钻机大钩体和液压防喷器壳体。
在上述成果基础上，进一步采取如下技术措施：①提高钢的纯净度；②调整钢的成分（目的：提高淬透性、细化晶粒、增加韧性）。其目标是：淬透性满足大钩体的需要，-20℃时的CVN≥60J。
另一个可考虑的方案是双相钢铸钢。双相钢有F+M、A+M、A+B等多种。拟采用F+M双相钢，以铁素体为基体，嵌以孤岛状的马氏体。在成分设计上，采用低碳、适当提高Mn/C比，加入Ni、Cr、Mo等合金元素。
无论采用何种成分、组织方案，在铸造工艺上推荐采用可视化铸造技术。该技术首先采用计算机模拟软件，模拟铸件充型和凝固过程；其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程；最后通过实际浇注铸件与模拟监测结果对比，确定浇注系统的设计。中科院金属研究所采用该技术获得了高质量的铸件，已用于三峡工程的重要合金铸钢件。
（7）微合金化控轧控冷（TMCP）钢 管线钢是处于低合金钢前沿的一个重要分支。西气东输工程使用的X70管线钢属针状铁素体型，具有优良的强韧性、较高的形变强化能力和小的包申格效应、良好的焊接性和耐腐蚀性。经对60多万吨国产螺旋焊管的大量检验数据统计表明，在抗拉强度≥590MPa、屈服强度≥485MPa的前提下，管体的夏比冲击功平均值297.4J，焊缝176J，HAZ250J，FATT50＜-70℃。将X70管线钢引用于井架和底座，在保证安全可靠性的前提下，可大大减轻井架和底座的自重。在改变钢种的同时，应采用H型钢、方形和矩形管取代工、槽、角钢，以保障井架的刚度。
（8）低温用钢 API SPEC 8C规定，常规钻机的最低工作温度为-18℃。因此，常规钻机用钢（特别是提升设备用钢）的FATT必须低于-18℃。一般钢铁材料是容易达到的。工作温度低于-18℃的油田设备（特别是钻机提升设备），应规定严格的低温韧性要求。国外一般规定钢的FATT低于“工作温度-10℃”。在该温度下的CVN值应根据零件的应力水平、应力状态及钢的强度水平确定，也可以用断裂力学方法计算。某些油田设备即使静置状态，部分零部件也要承载，因此应对这部分零部件用钢规定在极限环境温度下（北疆地区为-49.8℃）的CVN≥27J。改进低合金钢低温韧性的措施：①提高钢的纯净度（特别要降低S、P）；②细化晶粒；③降低碳含量；④添加Ni等。
低温钢大致可分为四类：①低碳铝镇静钢：如16MnDR、16MnNiDR、09MnNiDR等。美国的ASMEA202、日本的SLA235也属此类；②低温高强度钢：我国研制的DG50（0.09～0.15C、1.00～1.4Mn、≤0.60Ni、≤0.30Cr、≤0.30Mo、≤0.06V，σs≥490MPa、σb：610～755MPa，-46℃时CVN≥47J）。日本的N-TUF50和RIVERACE60L也属此类；③镍系低温钢：美国1932年发明了在-46℃使用的2.5%Ni钢，随后又发明了-101℃使用的3.5%Ni钢，1944年美国国际镍公司研制了可使用到-196℃的9%Ni钢，逐渐形成了2.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni、9%Ni低温Ni钢系列；④奥氏体不锈钢。
（9）表面激光熔覆 这类零部件应该充分发挥材料表面工程的优势。表面工程种类繁多，近年来，又涌现出一些新的工艺，例如激光熔覆。该技术利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬时将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的、不同于基体的新的表面耐磨、耐蚀合金层；
激光熔覆的特点：①与基体冶金结合，结合强度不低于基体材料强度的90%；②热影响区小（0.1～0.2mm），基本无热变形；③易实现自动化控制；④防护层组织致密，并且可得到非晶态金属表面。
泥浆泵易损件（缸套、活塞杆、阀体、阀座）可采用高铬耐磨铸铁粉在易磨损部位形成熔覆层，缸套采用此法可降低成本（与双金属缸套）相比。而活塞杆、阀体、阀座采用此法，可大幅度提高使用寿命（与渗碳及表面淬火相比）。
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