兩次調(diào)質(zhì)對(duì)170 ksi超高強(qiáng)度石油套管組織和力學(xué)性能的影響

張　旭，王　鑫，李恒政，扈　立，王　正（.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津30030；.重慶科技學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)級(jí)3班，重慶4033）

兩次調(diào)質(zhì)對(duì)170 ksi超高強(qiáng)度石油套管組織和力學(xué)性能的影響

張旭1，王鑫2，李恒政1，扈立1，王正1
（1.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津300301；
2.重慶科技學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)12級(jí)3班，重慶401331）

[摘要]針對(duì)一次調(diào)質(zhì)處理很難達(dá)到170 ksi鋼級(jí)套管對(duì)超高強(qiáng)度及韌性的問題，研究了兩次調(diào)質(zhì)對(duì)套管組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：兩次調(diào)質(zhì)較一次調(diào)質(zhì)顯著提高了屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以及沖擊韌性，強(qiáng)韌性達(dá)到170ksi鋼級(jí)套管的要求，細(xì)化了組織和晶粒度，基體及晶界上析出的碳化物更加彌散和細(xì)小。

[關(guān)鍵詞]兩次調(diào)質(zhì)；力學(xué)性能；組織；晶粒度；碳化物

1　引言

隨著我國(guó)能源需求的快速增長(zhǎng)，國(guó)家加大了對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)塊的開發(fā)，西部區(qū)塊油氣藏埋藏深，其超深復(fù)雜井況對(duì)套管的綜合力學(xué)性能提出了更高的要求，尤其是提高了套管對(duì)超高強(qiáng)度和高韌性的要求。要求屈服強(qiáng)度不小于1 172 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于1 241 MPa，橫向全尺寸沖擊不小于60 J，縱向全尺寸沖擊不小于80 J。普通API鋼級(jí)套管的力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)不到要求，因此，需要開發(fā)更高鋼級(jí)（170 ksi）的油氣井用套管。本文在鋼種化學(xué)成分不變的情況下，通過改變熱處理工藝制度獲得良好的綜合力學(xué)性能，達(dá)到170 ksi鋼級(jí)套管對(duì)強(qiáng)度和和韌性的要求。

2　試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用覬196.85×12.70 mm熱軋無縫鋼管?；瘜W(xué)成分（ωt%）C：0.20%～0.30%；Si：0.15%～0.45%；Mn：0.5%～2.0%；Cr：0.5%～1.8%；Mo：0.3%～1.2%。

從軋態(tài)無縫鋼管上制取6個(gè)小樣，經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)、兩次調(diào)質(zhì)（采用箱式電阻爐按照表1制度熱處理），研究不同熱處理制度對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響。熱處理后，進(jìn)行鋸切、制樣，在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行0℃沖擊試驗(yàn)，通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，借助掃描電鏡進(jìn)行高倍下的微觀組織分析。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1　熱處理制度

圖1　不同試驗(yàn)狀態(tài)下的組織和晶粒度（OM）100×

3.1顯微組織

由圖1可見，一次調(diào)質(zhì)處理的組織為回火索氏體，晶粒度8.5級(jí)；而兩次調(diào)質(zhì)后的組織同樣為回火索氏體，但是組織明顯變得更加細(xì)小、均勻，由圖1（d）更可以明顯的看出，兩次調(diào)質(zhì)處理后的晶粒度為10.5級(jí)，顯著高于一次調(diào)質(zhì)處理的晶粒度，晶粒的細(xì)化將會(huì)帶來材料的強(qiáng)度和韌性的提高。

3.2力學(xué)性能

表2為按照表1進(jìn)行熱處理后的試驗(yàn)結(jié)果，1#、2#、3#為一次調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)韌性指標(biāo)，4#、5#、6#為兩次調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)韌性指標(biāo)，兩次調(diào)后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于一次調(diào)質(zhì)。由表2和圖1可見，一次調(diào)質(zhì)處理后的強(qiáng)韌性指標(biāo)低于170 ksi鋼級(jí)套管的要求，兩次調(diào)質(zhì)處理后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較一次調(diào)質(zhì)有大幅度提高，屈服強(qiáng)度提高了59 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了46 MPa，一次調(diào)質(zhì)和兩次調(diào)質(zhì)的屈強(qiáng)比分別為0.94和0.95，二者的屈強(qiáng)比相同；同時(shí)，縱向沖擊值和橫向沖擊值均有較大幅度的提高，縱向沖擊值提高了46 J，橫向沖擊值提高了22 J，尤其是剪切比，一次調(diào)質(zhì)狀態(tài)下，縱向和橫向斷口剪切面積百分比均小于100%，存在一部分脆性準(zhǔn)解理面積，而兩次調(diào)質(zhì)后，縱向和橫向斷口剪切面積百分比均為100%，為全韌性斷口，斷口形貌為韌窩。

表2　不同試驗(yàn)狀態(tài)下的力學(xué)性能

3.3沖擊斷口形貌

將一次調(diào)質(zhì)和兩次調(diào)質(zhì)處理后的縱向和橫向沖擊試樣進(jìn)行0℃沖擊試驗(yàn)，在掃描電鏡下觀察沖擊斷口的低倍和高倍形貌。由圖3可見，經(jīng)過一次調(diào)質(zhì)工藝處理，低倍下觀察，縱向和橫向沖擊斷口分別帶有一部分準(zhǔn)解理，將其在高倍下放大，可以清晰看到準(zhǔn)解理斷口形貌，且在準(zhǔn)解理當(dāng)中還夾雜著少量韌窩。經(jīng)過兩次調(diào)質(zhì)處理后，低倍下縱向和橫向沖擊斷口為完全的韌窩斷口，任意區(qū)域高倍下放大后，為完全的韌窩狀，且韌窩較大較深，韌性更好。經(jīng)過兩次調(diào)質(zhì)處理后，沖擊試樣斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，斷口形貌由準(zhǔn)解理轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠖畹捻g窩，這是沖擊值和剪切比提高的重要原因。

4　分析討論

4.1兩次調(diào)質(zhì)對(duì)組織和力學(xué)性能的影響

兩次調(diào)質(zhì)處理細(xì)化了組織，提高了綜合力學(xué)性能，這是由于一次調(diào)質(zhì)析出的碳化物可以作為再次奧氏體化時(shí)有利形核位置，淬火時(shí)切變轉(zhuǎn)變過程中，又可以充當(dāng)位錯(cuò)增值源，使淬火組織具有高密度位錯(cuò)，增加了奧氏體化時(shí)形核位置以及形核數(shù)量，細(xì)化了奧氏體晶粒度，第二次淬火后得到更加細(xì)小的組織，提高了淬火后套管的強(qiáng)度。

回火過程中增加了碳化物形核的位置，如圖4所示，兩次調(diào)質(zhì)處理后，晶界和晶內(nèi)析出的碳化物更多，且更加細(xì)小，分布更加均勻。碳化物析出的同時(shí)也降低了基體合金元素含量，韌化了基體，提高了析出強(qiáng)化效果，以彌補(bǔ)固溶強(qiáng)化效果的損失，這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道一致[1]，即兩次調(diào)質(zhì)使基體中的合金元素降低，起到二次硬化作用的碳化物含量增加，得到均勻、細(xì)小的碳化物顆粒。兩次調(diào)質(zhì)處理后，通過相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化提高了材料的強(qiáng)度，并在一定程度上韌化了基體，提高了材料的韌性。

4.2兩次調(diào)質(zhì)對(duì)晶粒細(xì)化的機(jī)理分析

圖2　力學(xué)性能與熱處理工藝的關(guān)系

圖3　不同熱處理制度下的沖擊斷口形貌（SEM）

晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主要障礙之一，晶粒越細(xì)，晶界越多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越明顯，強(qiáng)度越高；同時(shí)晶粒細(xì)化使材料受到外力發(fā)生塑性變形時(shí)，可以分散到更多的晶粒，減少了變形時(shí)的應(yīng)力集中形成微觀裂紋的危險(xiǎn)，進(jìn)而提高了材料的塑性及韌性，細(xì)晶強(qiáng)韌化是提高強(qiáng)度和韌性最為有效的手段。

根據(jù)霍爾-佩奇（Hall-petch）公式[2]，細(xì)小的組織和晶粒度決定兩次處理后鋼管具有更加優(yōu)異的綜合力學(xué)性能：

式中，σ為屈服強(qiáng)度；σ0為位錯(cuò)在單晶體中移動(dòng)阻力；d為晶粒直徑；k為晶界障礙強(qiáng)度系數(shù)。

圖4　不同熱處理制度下的碳化物析出物形貌（SEM）

晶粒細(xì)化的重要原因是第二次奧氏體化時(shí)奧氏體發(fā)生自發(fā)再結(jié)晶。馬氏體的結(jié)構(gòu)缺陷遺傳給了奧氏體，第一次回火處理破壞了馬氏體條的位相關(guān)系，在馬氏體板條邊界及板條內(nèi)析出了大量細(xì)小的碳化物，均勻的分布在分布在鐵素體中，形成索氏體組織，索氏體組織繼承了大量馬氏體組織的結(jié)構(gòu)缺陷[3]，索氏體組織及晶界上存在大量位錯(cuò)、空位、夾雜物等缺陷，這些晶體缺陷成為奧氏體再結(jié)晶形核的有利位置，如鐵素體和碳化物界面、合金元素的碳氮化物、位錯(cuò)纏結(jié)處等。這些有利的形核位置為形成細(xì)小的奧氏體晶粒創(chuàng)造了條件。

奧氏體自發(fā)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)硬化[4]。加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，相變引起的體積變化（組織應(yīng)力）和熱應(yīng)力，使鋼得到了內(nèi)硬化。這種內(nèi)硬化產(chǎn)生的應(yīng)變能，成為奧氏體發(fā)生自發(fā)再結(jié)晶的儲(chǔ)能，即自發(fā)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。因此，兩次調(diào)質(zhì)后形成了更加細(xì)小的組織和晶粒度。

5　結(jié)論

兩次調(diào)質(zhì)提高了套管的強(qiáng)度和沖擊韌性，達(dá)到170ksi鋼級(jí)套管的要求。屈服強(qiáng)度提高了59 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了46 MPa，縱向沖擊值提高了46 J，橫向沖擊值提高了22 J，斷口由非全韌性斷口轉(zhuǎn)變?yōu)槿g性斷口。兩次調(diào)質(zhì)細(xì)化了組織和晶粒度，晶粒度由8.5級(jí)提高到10.5級(jí)。兩次調(diào)質(zhì)增加了碳化物析出數(shù)量，析出的碳化物更加細(xì)小，彌散。

參考文獻(xiàn)

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Influence of Two Times Hardening and Tempering on Structure and Mechanical Property of 170ksi Ultra High Strength Oil Casing

ZHANG Xu1, WANG Xin2, LI Heng-zheng1, HU Li1and WANG Zheng1
(1.Technology Center of Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China;
2.Chongqing University Of Science & Technology, Chongqing 401331, China)

AbstractSince it is difficult to reach the ultra high strength and toughness of 170ksi graded oil casing by one time hardening and tempering, the influence of two times hardening and tempering on the structure and mechanical property of the oil casing is studied. Compared with one time process, two times hardening and tempering remarkably improves yield strength, tensile strength and impact toughness. The high toughness meets the requirement by 170 ksi graded oil casing. The structure and grain are refined and the carbide precipitating from base and boundary, more disperse and finer.

Key wordstwo times hardening and tempering; mechanical property; structure; grain size; carbide

作者簡(jiǎn)介：張旭（1984—），男，碩士，工程師，主要從事油井管開發(fā)方面的研究工作。

收稿日期：2015- 01- 10修回日期：2015- 01- 30

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.003