王冬林,霍 軒,馬 鑫,鐘 琦,唐浩宇,閆 凱

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077;2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司北京物資分公司 陜西 西安 710082;3.中國石油西南油氣田公司物資分公司 四川 成都 610031)

0 引 言

隨著國內(nèi)油田產(chǎn)量的日益提高,P110、N80常見鋼級油套管使用比例日益提升,R95鋼級套管目前使用需求也日益增多。與此同時(shí),隨著油套管需求的進(jìn)一步提升,對油套管性能也提出更高要求[1-4]。近期,某公司生產(chǎn)的Φ244.48 mm×13.84 mm R95套管生產(chǎn)過程中出現(xiàn)熱處理屈服強(qiáng)度不合格,幾何尺寸(主要包括壁厚、橢圓度、直度)超標(biāo)現(xiàn)象。本文結(jié)合此情況,對熱處理出現(xiàn)不合格情況進(jìn)行分析,找出原因,保證了Φ244.48 mm×13.84 mm R95套管后續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量。

1 API Spec 5CT對R95套管要求[5]

1.1 拉伸性能要求

R95套管拉伸性能包括屈服強(qiáng)度Rt0.5、抗拉強(qiáng)度Rm以及延伸率A,其中延伸率最小值按照API 5CT推薦公式進(jìn)行計(jì)算,詳細(xì)要求見表1。由表1可以看出,R95套管屈服強(qiáng)度合格范圍為655～758 MPa,允許波動(dòng)范圍為103 MPa[6],相對于API 5CT其他鋼級,屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍要小得多,例如P110鋼級屈服強(qiáng)度合格區(qū)間為758～965 MPa,屈服強(qiáng)度允許波動(dòng)范圍為207 MPa,R95允許波動(dòng)范圍不到P110鋼級的二分之一。

表1 R95套管拉伸性能要求

1.2 熱處理和矯直要求

R95套管應(yīng)采用無縫或電焊工藝(S或EW)進(jìn)行制造,熱處理要求是整體淬火+回火(Q&T),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最低回火溫度為538 ℃,詳細(xì)熱處理及矯直要求見表2。

表2 R95熱處理及矯直要求

矯直要求:除正常矯直所必需的和壓縮冷加工量不大于3%的冷加工外,R95產(chǎn)品在最終回火作業(yè)后,不得進(jìn)行拉伸或擴(kuò)徑冷加工。

1.3 幾何尺寸公差

R95套管尺寸主要包括外徑、壁厚、直度及橢圓度等尺寸,按照API 5CT要求,Φ244.48 mm×13.84 mm R95規(guī)格套管尺寸公差見表3。其中外徑、壁厚、直度是API 5CT要求,橢圓度是技術(shù)協(xié)議要求。

表3 R95套管尺寸要求

2 采用的鋼種及其化學(xué)成分

R95套管采用的鋼種為27CrMn4,采用ARL-3460直讀光譜儀、QL-CS20H型號CS分析儀對其試樣進(jìn)行成品化學(xué)分析,制樣嚴(yán)格按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,并對樣品進(jìn)行了分析前處理以防止氧化等其他因素對樣品分析結(jié)果產(chǎn)生影響,取2個(gè)試樣,其成品分析結(jié)果見表4。

表4 R95套管成品化學(xué)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表4可知:該批鋼管符合API 5CT對R95鋼級套管化學(xué)成分的要求,且化學(xué)分析結(jié)果顯示離散度很小,煉鋼和軋管工藝能精確保證化學(xué)成分的符合性和集中性。

3 R95套管熱處理分析

為了達(dá)到R95的性能要求,工廠對該批荒管進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。筆者主要根據(jù)工廠生產(chǎn)實(shí)際,對該批荒管熱處理后性能和幾何尺寸進(jìn)行具體描述(總共1 000支,10批)。

熱處理采用了調(diào)質(zhì)熱處理,其中淬火工藝為淬火加熱溫度880 ℃、淬火保溫時(shí)間60 min,水淬(噴淋)冷卻至室溫;回火工藝為回火溫度620 ℃,回火保溫時(shí)間50 min。由該熱處理工藝處理的光管力學(xué)性能出現(xiàn)批量性力學(xué)性能超標(biāo),主要表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值,10批次中有9批不合格,不合格率90%,熱處理后拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表5。而幾何尺寸發(fā)生了較大變化,部分尺寸出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為光管外徑相對于荒管增加;30%光管壁厚超標(biāo),低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限;部分光管橢圓度超過了技術(shù)協(xié)議要求;全長直度符合標(biāo)準(zhǔn),部分光管管端直度超過了標(biāo)準(zhǔn)值,詳細(xì)情況見表6。

表5 熱處理后拉伸強(qiáng)度結(jié)果

表6 熱處理尺寸超標(biāo)情況

4 原因分析

該批鋼管進(jìn)行熱處理主要出現(xiàn)了兩方面的問題:熱處理屈服強(qiáng)度問題和幾何尺寸問題,下面就這2個(gè)問題分別進(jìn)行分析。

4.1 屈服強(qiáng)度分析

1)熱處理爐溫度控制不均勻。該熱處理爐隨后經(jīng)校驗(yàn),淬火爐溫度控制很好,偏差控制±15 ℃,但回火爐經(jīng)檢驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn),加熱有效區(qū)部分與管材擺放范圍不匹配,另外,溫度均勻性不夠,熱電偶溫度顯示溫度最大偏差在30 ℃,普遍溫度偏差20 ℃左右,回火爐只滿足GB/T 9452-2012[7]Ⅵ級熱處理爐要求,這就是造成屈服強(qiáng)度超標(biāo)的客觀原因。

2)研究表明[8-9]:屈服強(qiáng)度過高一般是由回火工藝引起的,回火溫度過低、保溫時(shí)間過短容易造成熱處理屈服強(qiáng)度超上限。從R95套管上切取試塊進(jìn)行試驗(yàn),淬火工藝不變,每次僅改變回火溫度或保溫時(shí)間單參數(shù),回火工藝其他參數(shù)不變,可以得出回火溫度、保溫時(shí)間與拉伸性能影響關(guān)系,如圖1、圖2所示。

圖1 回火溫度對屈服強(qiáng)度的影響曲線

圖2 回火保溫時(shí)間對屈服強(qiáng)度的影響曲線

由圖可以看出,隨著回火溫度升高,屈服強(qiáng)度下降;隨著回火保溫時(shí)間增加,屈服強(qiáng)度也下降,即回火溫度、回火保溫時(shí)間與屈服強(qiáng)度是負(fù)相關(guān)關(guān)系,且曲線斜率很大,可見回火溫度、回火保溫時(shí)間對屈服強(qiáng)度影響很大。回火保溫時(shí)間50 min,屈服強(qiáng)度已經(jīng)超上限,再加上回火爐溫度控制不均勻因素影響,實(shí)際熱處理溫度也可能只有590 ℃,兩種因素疊加也就造成批量屈服強(qiáng)度不合格。

3)從熱處理爐的情況可以看出,雖然制定了熱處理工藝,但實(shí)際熱處理工藝與理論值偏差較大,因此在實(shí)際熱處理時(shí)可能產(chǎn)生了不合理的組織,如魏氏組織。魏氏組織是在熱處理過程中形成的粗晶粒奧氏體在淬火水冷時(shí),一部分游離的鐵素體除了沿晶界析出外,另一部分會(huì)沿晶粒內(nèi)部獨(dú)自析出,形成分布在珠光體上的片狀鐵素體組織。魏氏組織中鐵素體和滲碳體的針片,會(huì)形成很多脆斷面,嚴(yán)重影響鋼的強(qiáng)度,增加脆性。

由上述分析可知,屈服強(qiáng)度不合格主要是由于回火爐溫度控制不均勻、回火溫度過低、回火保溫時(shí)間不夠、產(chǎn)生不合理組織等綜合因素引起的,因此對不合格9批R95套管重新熱處理。重新熱處理不改變淬火工藝,只對回火工藝進(jìn)行了改變。重新熱處理采用的回火工藝為:回火溫度630 ℃,回火保溫時(shí)間70 min,且更換溫度控制符合要求的回火爐。經(jīng)重新熱處理的光管屈服強(qiáng)度得到很好的改善,9批次屈服強(qiáng)度均合格,屈服強(qiáng)度范圍為678～740 MPa,方差為20.7 MPa,屈服強(qiáng)度穩(wěn)定性得到很大提升。

4.2 幾何尺寸分析

為了研究套管外徑、壁厚超標(biāo)情況,取其中1根套管進(jìn)行試驗(yàn)。熱處理后去除氧化皮,一根管子等間距選取10個(gè)截面,每個(gè)截面以Π尺測量外徑,每個(gè)截面選取相隔90°四點(diǎn)求平均值定為該截面壁厚,淬火、回火前后外徑、壁厚情況對比如圖3、圖4所示。

圖3 淬火、回火對套管外徑影響曲線

圖4 淬火、回火對套管壁厚影響曲線

通過上述分析,幾何尺寸變化原因如下。

1)由圖3可知:各截面經(jīng)淬火后外徑均增大,增大程度各有不同,增大百分比在0.1%～0.25%之間;但經(jīng)過回火后外徑減小,減小百分比在0.01%～0.02%之間(幾乎可以忽略不計(jì))。這是由于淬火形成體積更大的馬氏體,回火時(shí)雖然馬氏體轉(zhuǎn)變成體積更小的索氏體,但淬火體積增大程度遠(yuǎn)大于回火體積減小程度,最終表現(xiàn)為外徑增大。建議在回火工序后增加定徑工序,外徑最大可以減徑1%,完全可以抵消熱處理之后外徑增大量。為了達(dá)到更大的減徑效果,應(yīng)增加定徑機(jī)數(shù)量,要求≥4臺架。

2)由圖4可知:各截面經(jīng)過淬火后壁厚增大,增大百分比在0.2%～0.5%之間,但經(jīng)過回火后壁厚減小,減小百分比在1%～1.9%之間?；鼗鸨诤駵p小程度遠(yuǎn)大于淬火壁厚增大程度,最終表現(xiàn)為壁厚減少。經(jīng)調(diào)查,該批套管采購合同是按照長度結(jié)算價(jià)格,所以工廠為了節(jié)約原材料成本,壁厚盡量按照下偏差進(jìn)行生產(chǎn),由于熱處理壁厚減薄,造成部分套管壁厚不合格。圖4顯示壁厚未出現(xiàn)低于下限的原因是,每個(gè)截面選取相隔90°四點(diǎn)求平均值定為該截面壁厚,由于軋制壁厚偏析性,每個(gè)截面最小點(diǎn)壁厚遠(yuǎn)小于該規(guī)定截面壁厚。

3)管端因?yàn)殚L時(shí)間高溫受熱,而引起了管端“坍塌”(“坍塌”現(xiàn)象為管端長時(shí)間受高溫加熱,由于重力以及變軟等原因形成橢圓),從而造成橢圓度明顯增大。特別對于外徑與壁厚比值過大的鋼管,因“坍塌”而引起的端部橢圓度變化更加明顯。而本規(guī)格套管外徑與壁厚之比不算大,“坍塌”現(xiàn)象不明顯,所以僅有10%光管橢圓度超標(biāo),而且超出得也很小。為了解決橢圓度增大問題,一般要保證鋼管在加熱過程中一直保持勻速旋轉(zhuǎn)。

4)熱處理后直度不合格原因主要為:當(dāng)淬火溫度大于馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度Ms時(shí),就容易發(fā)生形狀畸變。該形狀畸變是由熱應(yīng)力造成的,表現(xiàn)為在錯(cuò)綜復(fù)雜的應(yīng)力綜合作用下,由不均勻的塑性變形而引起[10]。再加上熱處理爐溫度控制不均勻,增強(qiáng)了管材各部位熱應(yīng)力效果,這些應(yīng)力作用加速了形狀畸變程度。對于形狀畸變,一般熱處理后采取矯直工藝進(jìn)行解決。一般采用溫矯工藝,溫度控制在560 ℃,對于直度超差不大的鋼管也可以采取冷矯工藝。

5 結(jié)論與建議

1)屈服強(qiáng)度不合格主要是由于回火爐溫度控制不均勻、回火溫度過低、回火保溫時(shí)間不夠等綜合因素引起的。

2)幾何尺寸不合格原因:外徑、壁厚淬火后數(shù)值增大,回火后數(shù)值減小,主要是由于熱處理組織變化以及淬火、回火影響程度不同而引起;橢圓度超標(biāo)是因?yàn)楣芏碎L時(shí)間高溫受熱而發(fā)生了“坍塌”;熱處理后直度不合格主要是由于熱處理發(fā)生了形狀畸變。

3)針對屈服強(qiáng)度不合格,修正回火工藝并且更換溫度控制符合要求的回火爐(回火爐經(jīng)過檢定,溫度控制符合GB/T 9452-2012[7]Ⅲ級),重新熱處理的光管屈服強(qiáng)度得到很好的改善。9批次屈服強(qiáng)度均合格,而且屈服強(qiáng)度范圍為678～740 MPa,方差為20.7 MPa,屈服強(qiáng)度穩(wěn)定性得到很大提升。建議制定更加精細(xì)的回火工藝,并制定更合理的熱處理檢定頻次。

4)針對幾何尺寸不合格,提出了增加定徑機(jī)數(shù)量、鋼管加熱時(shí)保持勻速旋轉(zhuǎn)、采用合適矯直工藝等方式進(jìn)行解決。