超高強度石油套管低溫沖擊韌性淺析

張 旭,李恒正,扈 立,王 正,黃蓓蓓

(天津鋼管集團股份有限公司技術(shù)中心,天津300301)

超高強度石油套管低溫沖擊韌性淺析

張 旭,李恒正,扈 立,王 正,黃蓓蓓

(天津鋼管集團股份有限公司技術(shù)中心,天津300301)

通過三種熱處理工藝獲得140ksi、155ksi和170ksi三個不同鋼級,并分別對這三個鋼級進行系列低溫沖擊試驗(20℃～-80℃),研究熱處理工藝、鋼級和軋制對高強度石油套管低溫沖擊韌性的影響。對低溫脆性產(chǎn)生原因進行機理分析。結(jié)果表明:回火溫度升高,室溫韌性儲備增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低;鋼級升高,高溫和低溫沖擊值差值減小,脆性面積百分比增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高;140ksi和155ksi橫縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度相同,170ksi鋼級套管的橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度;軋制工藝導(dǎo)致鋼管的縱向沖擊韌性優(yōu)于橫向。

低溫沖擊韌性;韌脆轉(zhuǎn)變溫度;回火溫度;鋼級;軋制

1 引言

我國西部地區(qū)石油、天然氣資源儲備豐富,其埋藏地層深,地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,要求套管具有較強的抗軸向載荷、抗擠毀和抗內(nèi)壓能力,開采需要高強度高韌性石油套管,強調(diào)套管具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,卻忽視了套管的低溫沖擊性能,西部地區(qū)漫長寒冷的氣候?qū)μ坠艿臎_擊韌性產(chǎn)生一定的影響,因此要求套管具有良好的低溫沖擊性能。

2 試驗材料及方法

取熱軋態(tài)無縫鋼管?244.48mm× 11.99mm,化學(xué)成分(Wt%)為: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%。

試驗鋼經(jīng)870℃淬火保溫40min水淬,回火溫度為600℃、640℃、680℃保溫80min后空冷。按照ASTM A370標準加工試樣及試驗,拉伸試樣加工成板狀試樣,在室溫下進行試驗;沖擊試樣加工成夏比V型缺口沖擊試樣,系列沖擊試驗溫度分別為20℃,0℃, -10℃,-20℃,-40℃,-60℃,-80℃。冷卻介質(zhì)為低溫冷卻油,每個溫度做三個試樣,取平均值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 系列低溫沖擊值和剪切比比較

表1為小樣熱處理后性能,3個小樣都獲得了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。由圖1和圖2可見,隨著試驗溫度的降低,140ksi,155ksi, 170ksi鋼級套管的縱向和橫向沖擊韌性逐漸降低;隨著鋼級的提高,沖擊韌性降低的幅度逐漸加大,且155ksi和170ksi沖擊韌性較140ksi有大幅度的降低;橫向沖擊值降低的幅度稍大于縱向沖擊值。

各個鋼級在低溫下的剪切比與沖擊值具有相似的變化規(guī)律,剪切比更能直觀的反映韌性的變化情況,以及確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度。由圖3和圖4可見,隨著試驗溫度的降低140ksi鋼級的縱向和橫向的剪切比只在-80℃有所下降,但仍高于90%;155ksi和170ksi鋼級套管的剪切比出現(xiàn)大幅度的降低,鋼級升高,降幅加大;170ksi鋼級套管的橫向剪切比較縱向下降更快。

3.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定

隨著試驗溫度的降低,沖擊試樣斷裂方式由韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?脆性斷裂面積逐漸增大,如果脆性斷裂面積降到50%以下,并且擬合曲線有較為明顯的上下平臺,將50%脆性面積對應(yīng)的試驗溫度定為韌脆轉(zhuǎn)變溫度,同時也用該方法確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度[1]。

由圖3和圖4可見,140ksi鋼級套管縱向和橫向在-80℃剪切比約為90%,對應(yīng)的脆性面積約為10%,按照上述定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法140ksi的韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該在-80℃以下;圖5和圖6確定了155ksi鋼級套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,縱向為-41℃,橫向為-42℃;圖7和圖8確定了170ksi鋼級套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,縱向為-25℃,橫向為-18℃。

表1 140ksi、155ksi、170ksi鋼級套管小樣力學(xué)性能值

圖1 縱向沖擊值比較

圖3 縱向剪切比比較

圖4 橫向剪切比比較

圖5 155ksi縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度

圖6 155ksi橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度

圖7 170ksi縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度

圖8 170ksi橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度

3.3 低溫沖擊韌性的影響因素

3.3.1 回火溫度的影響

由圖9到圖11可見,隨著回火溫度的升高170ksi鋼級降到155ksi鋼級及140ksi鋼級,相應(yīng)的組織狀態(tài)發(fā)生變化,組織變得越來越均勻,沖擊韌性不斷提高。這是由于淬火時產(chǎn)生的高密度位錯,在回火過程中,α相中的位錯胞和胞內(nèi)位錯線逐漸消失,降低了晶體中的位錯密度。當回火溫度升高到600℃以上時,α相發(fā)生再結(jié)晶,由板條晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e密度低的等軸晶[2],通過回復(fù)再結(jié)晶,降低了材料中的空位、位錯等缺陷的數(shù)量,從而提高材料的沖擊韌性儲備,不但保證了具有足夠高的室溫沖擊韌性,在低溫環(huán)境下也具有較高的韌性儲備,降低了沖擊韌性的下降率?？梢?回火溫度的變化對室溫沖擊韌性有重大影響,而且會延續(xù)到對低溫沖擊韌性的影響。

圖9 140ksi回火索氏體組織100×

圖10 155ksi回火索氏體組織100×

圖11 170ksi回火索氏體組織100×

3.3.2 強度的影響

強度等級對套管的低溫沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度有重要影響。當鋼級從140ksi提高到155ksi直至170ksi,高溫、低溫沖擊差值逐漸減小由58J降到53J直至46J;而低溫脆性面積百分比在逐漸加大,其韌脆轉(zhuǎn)變溫度不斷升高。對于155ksi以下鋼級套管的縱向和橫向確定的韌脆轉(zhuǎn)變溫度基本相同,但170ksi鋼級套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度橫向相對縱向有所不同,這是由于隨著鋼級的提高,橫向沖擊較縱向沖擊具備的韌性儲備不同,低溫下,韌性損失更大,韌脆轉(zhuǎn)變溫度更高。可見,強度等級對低溫沖擊韌性及韌脆轉(zhuǎn)變溫度有很大的影響。

3.3.3 軋制的影響

我們還發(fā)現(xiàn)170ksi鋼級套管的橫縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度存在一定的差異,這與無縫鋼管的制造工藝有很大關(guān)系。無縫鋼管經(jīng)過穿孔、連軋和定徑三大變形工序,鋼管的徑向變形受到芯棒和軋輥的很大限制,管體的主要變形量都沿著縱向伸展,導(dǎo)致鋼管縱向和橫向變形不均勻,縱向變形量遠高于橫向。熱軋時的再結(jié)晶軋制,以及后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理,使得室溫下獲得等軸晶粒,排除晶粒尺寸對性能的影響。但是鑄坯本身存在的冶金缺陷、夾雜物等沿縱向分布,形成帶狀組織,使得縱向缺陷的數(shù)量相對的要小于橫向,所以,縱向的沖擊韌性好于橫向沖擊,170ksi套管的縱向韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于橫向。

3.4 低溫脆性的機理分析

由上文分析可見,隨試驗溫度的降低,韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。這是由于體心立方結(jié)構(gòu)的晶體,隨試驗溫度的降低,位錯運動速度降低,表現(xiàn)為材料韌性下降,當局部存在應(yīng)力集中時,容易發(fā)生由應(yīng)力集中導(dǎo)致的低溫脆性斷裂。其本質(zhì)是隨著試驗溫度的降低,屈服強度不斷上升,但斷裂強度卻維持不變,材料未屈服先斷裂[3]。

材料的屈服強度升高,即晶體發(fā)生滑移、塑性變形的臨界分切應(yīng)力變大。派納力(τp)是臨界分切應(yīng)力的重要組成部分。對于體心立方結(jié)構(gòu)的金屬,臨界分切應(yīng)力與溫度有很大關(guān)系,如圖12所示,臨界分切應(yīng)力分為與溫度有關(guān)的量τ和與溫度無關(guān)的量τ*,即τc=τ+τ*[4]。位錯在晶格中移動時,要受到派納力的影響,位錯核心能是周期性變化的,在低溫下,位錯處于peierls勢能谷,運動能力下降,位錯想要運動需要整根翻越peierls勢能才能繼續(xù)發(fā)生塑性變形,這時的臨界分切應(yīng)力增大,材料的屈服強度隨之增加,以至超過斷裂強度,發(fā)生低溫脆性解理斷裂。

圖12 臨界分切應(yīng)力與溫度的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)隨著回火溫度升高,細化、均勻化組織,降低空位和位錯等缺陷的數(shù)量,提高了韌性儲備,降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

(2)鋼級升高,沖擊韌性下降,韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。

(3)軋制時,晶粒、空位等缺陷沿縱向擇優(yōu)取向,導(dǎo)致縱向低溫沖擊韌性優(yōu)于橫向。

(4)體心立方結(jié)構(gòu)金屬,低溫下臨界分切應(yīng)力變大,高于材料的斷裂強度,發(fā)生低溫脆性斷裂。

[1] 羅曉蓉,陳晨楓,丁欲曉,等.基于Origin軟件正確評定韌脆轉(zhuǎn)變溫度[J].物理測試,2010, 28(2):37-43.

[2] 崔忠圻,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].機械工業(yè)出版社,2010.

[3] 那順桑,李杰,艾立群.金屬材料力學(xué)性能[M].冶金工業(yè)出版社,2011.

[4] 余永寧.金屬學(xué)原理[M].冶金工業(yè)出版社,2000.

Study on the Low Temperature Impact Toughness of Ultra-high Strength Casing

ZHANG Xu,LI Heng-zheng,HU Li,WANG Zheng,HUANG Bei-bei
(Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The three different grades for 140ksi、155ksi and 170ksi were obtained through three kinds of heat treatment.A series of low temperature impact tests(20℃～-80℃)for three grades were carried out.The influence of heat treatment、grade and rolling on the low temperature impact toughness of high strength casing was studied,the mechanism of low temperature brittleness was analysed.The results show:The room temperature toughness reserve increase with tempering temperature increase;The difference of high temperature and low temperature impact toughness value decreases,and the percentage of the brittle area increase,and the ductile-brittle temperature(DBTT)increases with the grade increases;The transverse DBTT is the same as the longitudinal DBTT of 140ksi and 155ksi.The transverse DBTT lower than the longitudinal DBTT of 170ksi casing;The longitudinal impact toughness is better than the transverse impact toughness because of the rolling.

low temperature impact toughness;DBTT;tempering temperature;grade;rolling

TG335.7

:A

1001-5108(2015)06-0035-05

張旭,碩士,工程師,主要從事油井管開發(fā)方面的工作。