提高C110套管熱處理性能合格率及穩(wěn)定性

申 鵬，高旭東，陳建偉

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

1 引言

由于世界石油供應(yīng)形勢日趨嚴(yán)峻，一些地質(zhì)和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田相繼開發(fā)，鉆井和完井新技術(shù)、新工藝陸續(xù)投入使用，從而導(dǎo)致油井管服役條件日益復(fù)雜和嚴(yán)酷。C110套管產(chǎn)品作為抗硫化氫系列管材，是API 5CT標(biāo)準(zhǔn)第九版新增的鋼級，為公司近年重點(diǎn)開發(fā)的抗腐蝕類套管產(chǎn)品，利潤較高，市場前景廣闊。由于產(chǎn)品理化性能要求嚴(yán)格，且要求逐支鋼管兩端做硬度試驗(yàn)，因此工序復(fù)雜，生產(chǎn)難度較大，熱處理一次合格率較低（7#熱處理線生產(chǎn)初期熱處理一次合格率僅有88%左右），給合理安排生產(chǎn)及合同的順利執(zhí)行帶來極大的困難。因此提高熱處理一次性能合格率成為了進(jìn)一步提升C110套管生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

2 C110鋼級套管產(chǎn)品分析

C110鋼級套管產(chǎn)品要求包括：制造工藝及熱處理方式、矯直、化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度、淬透性、晶粒度、硫化氫應(yīng)力開裂試驗(yàn)、生產(chǎn)制造中的控制要求等。其中與熱處理生產(chǎn)相關(guān)的要求主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 力學(xué)性能

API 5CT第九版標(biāo)準(zhǔn)[1]中以Rt0.7作為C110鋼級的屈服強(qiáng)度值，其要求為758～828 MPa，僅有70 MPa范圍；抗拉強(qiáng)度要求為≥793 MPa。由于國內(nèi)外眾多研究表明，屈服強(qiáng)度高極易導(dǎo)致抗硫鋼管的SSC試驗(yàn)通過率過低[2]，因此C110套管的公司內(nèi)控屈服強(qiáng)度上限已逐步壓低至800 MPa，42 MPa的屈服強(qiáng)度范圍也使C110套管成為力學(xué)性能要求最為嚴(yán)格的產(chǎn)品。

此外，標(biāo)準(zhǔn)要求全尺寸沖擊功橫向≥20J，縱向≥41J，且按ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)要求剪切面積≥75%。硬度逐支兩端取樣試驗(yàn)，要求≤30HRC，硬度變化≤3.0HRC。

2.2 淬透性

標(biāo)準(zhǔn)要求C110套管的淬火態(tài)平均硬度值由下式確定，相對應(yīng)于95%馬氏體的最小硬度：

HRCmin=59×（C%）+29

從之前生產(chǎn)的TP110S鋼級套管的淬透性數(shù)據(jù)看，完全可以達(dá)到最小硬度要求，但鋼管的淬透性與產(chǎn)品的抗硫化氫性能密切相關(guān)，因此實(shí)際生產(chǎn)中，對于淬火后鋼管的要求不能僅限于滿足最小硬度，同時(shí)也需要盡量得到均勻穩(wěn)定的淬火組織。

2.3 矯直溫度

標(biāo)準(zhǔn)要求C110套管矯直出口溫度不低于規(guī)定的最終回火溫度（649℃）165℃的條件下旋轉(zhuǎn)矯直，即矯直后溫度≥484℃。因?yàn)榱蚧瘹鋵?yīng)力作用非常敏感，只有有效地控制矯直溫度，才能有效減少殘余應(yīng)力，使得抗硫化氫性能得到保證。

2.4 化學(xué)成分

API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中對于C110鋼級的成分（質(zhì)量百分比%）要求如表1所示：

表1 C110化學(xué)成分要求（wt%）

3 C110套管熱處理工藝研究

3.1 目前使用的成分

通過對之前生產(chǎn)TP110S鋼級套管產(chǎn)品的性能及所采用鋼種成分進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證，技術(shù)中心人員在其基礎(chǔ)上對部分成分進(jìn)行微調(diào)，逐步淘汰了2014年使用的27CrMo27s及27CrMo27s/1鋼種，2015年后C110套管均采用了27CrMo47Vs的鋼種，其化學(xué)成分如表2所示：

該鋼種對比原鋼種，Cr成分提升明顯（27CrMo27s鋼種要求Cr含量為0.45～0.60%，其AC3溫度為837℃左右，臨界冷卻速度為50～60℃/s），這極大地提高了淬透性，從而保證了回火后的性能穩(wěn)定。

3.2 淬火加熱溫度的確定及改進(jìn)

圖1為27CrMo47Vs鋼種的CCT曲線，其AC3溫度為853℃左右，臨界冷卻速度為25～30℃/s。

C110套管性能要求極為嚴(yán)格，為保證性能穩(wěn)定，采用一次細(xì)化晶粒預(yù)調(diào)質(zhì)處理，之后進(jìn)行第二次調(diào)質(zhì)處理。細(xì)晶預(yù)處理的目的是使鋼管的晶粒及組織更加均勻，為之后的調(diào)質(zhì)處理打好基礎(chǔ)，因此溫度的選擇要求并不嚴(yán)格，實(shí)際生產(chǎn)中，采用940℃淬火充分奧氏體化+650℃回火的工藝。

圖1 27CrMo47Vs連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線

C110套管熱處理工藝的選擇難點(diǎn)在于細(xì)晶預(yù)處理后的調(diào)質(zhì)處理工藝如何確定。通過對鋼種進(jìn)行分析，結(jié)合7#熱處理線現(xiàn)場設(shè)備情況，生產(chǎn)初期，將200.03×10.92 mm規(guī)格的C110套管淬火溫度確定為900℃，使鋼管充分奧氏體化的前提下，既保證了淬火前鋼管實(shí)際溫度高于AC3溫度，又不至于奧氏體化溫度過高，增大晶粒長大傾向。高溫爐生產(chǎn)節(jié)拍為95秒（由于水淬火設(shè)備所限，95秒為最低節(jié)拍），鋼管到溫后的保溫時(shí)間為20分鐘左右。采用此工藝實(shí)際生產(chǎn)淬火后硬度（HRC）如表3所示：

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采用此淬火溫度，鋼管淬火后硬度雖然可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（44.9HRC），但噴淬尾端明顯硬度均勻性要差很多，且有兩個(gè)點(diǎn)明顯偏低，這樣的淬火性能勢必造成回火后鋼管兩端性能差異，對于性能要求嚴(yán)格的C110套管，這樣的差異是難以容忍的。且期間生產(chǎn)產(chǎn)品出現(xiàn)SSC試驗(yàn)失敗的情況，經(jīng)分析與淬火不均勻有關(guān)。

因此，提高淬火溫度成為淬火均勻性的有效手段，經(jīng)過考慮，將淬火溫度提高至920℃，并確定為C110套管的淬火溫度。采用此工藝淬火的鋼管，其兩端硬度值明顯均勻，數(shù)值如4所示：

3.3 淬火參數(shù)的選擇

從圖1曲線來看，27CrMo47Vs鋼種的臨界冷卻速度為25～30℃/s，淬透性較好，常規(guī)的淬火參數(shù)可保證達(dá)到完全淬透的要求，因此淬火參數(shù)的選擇應(yīng)更傾向于保證淬火后幾何尺寸及設(shè)備穩(wěn)定。

表2 27CrMo47Vs化學(xué)成分，質(zhì)量百分比%

表3 900℃淬火后硬度（HRC）

表4 920℃淬火后硬度（HRC）

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整，將內(nèi)外噴流量分別控制在800 m3/h及1 000 m3/h左右，可保證鋼管淬火后具有良好的幾何尺寸，經(jīng)過測量，冷卻速度可達(dá)到80～100℃/s，完全可滿足淬火要求。

3.4 回火工藝的選擇

為滿足C110套管的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，不斷調(diào)整回火溫度和節(jié)拍，具體調(diào)整方案以及其主要力學(xué)性能參數(shù)如表5所示：

表5 回火工藝調(diào)整及力學(xué)性能

生產(chǎn)初期，采用728℃的回火溫度，配合高溫爐節(jié)拍，采用93秒的回火節(jié)拍，小批量生產(chǎn)后，結(jié)果屈服強(qiáng)度在 780～808 MPa，硬度普遍在 26～28.5HRC，屈服強(qiáng)度偏上限，但硬度過高，雖不至于超標(biāo)準(zhǔn)要求，但根據(jù)之前的研究，如此高的硬度下，SSC的合格率難以保證。為降低硬度，之后調(diào)整回火工藝，將高低溫爐節(jié)拍分別提高到115″、113″，試生產(chǎn)兩爐，屈服強(qiáng)度及硬度有所下降，但仍偏高（屈服強(qiáng)度 772～800 MPa；硬度 25.5～28.2HRC）。

總結(jié)前面的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，由于7#熱的探傷設(shè)備所限，探傷速度較慢，以200.03×10.92 mm規(guī)格為例，單支管探傷時(shí)間大概為90秒，加上探傷前后運(yùn)送鋼管的時(shí)間，將超過100秒，加之四小時(shí)一次的校驗(yàn)樣管時(shí)間及修磨鋸切的時(shí)間，平均下來，單支鋼管需要120秒以上，超過高低溫爐節(jié)拍，因此經(jīng)常造成整個(gè)生產(chǎn)線壓滿管，不得不暫停裝爐，為探傷留出時(shí)間，以致于破壞裝爐連續(xù)性，造成部分批次性能波動較大。為避免這種影響，加上之前生產(chǎn)屈服強(qiáng)度普遍偏高，決定調(diào)整工藝，將兩爐節(jié)拍增加到130″、128″，在之后的近三個(gè)月時(shí)間里，采用此工藝制度工生產(chǎn)47爐，全部為200.03×10.92 mm規(guī)格，屈服強(qiáng)度比較理想，大多在770～790 MPa范圍內(nèi)，硬度大多低于28HRC。在此期間生產(chǎn)的產(chǎn)品，出現(xiàn)4爐SSC實(shí)驗(yàn)失敗，其中一爐掛樣僅19小時(shí)即斷裂。

為保證淬火均勻性而提高淬火加熱溫度后，回火溫度同樣也需要相對調(diào)整。淬火溫度提高到920℃，以保證淬火效果及合金元素的充分固溶，鑒于屈服強(qiáng)度偏低，將回火溫度降低2℃，調(diào)整到726℃，節(jié)拍仍然保持130″及128″。此后一個(gè)月內(nèi)共生產(chǎn)21爐，拉伸性能較為理想，普遍為770～790 MPa，穩(wěn)定性顯著提高，在此期間出現(xiàn)一爐SSC實(shí)驗(yàn)失敗。

夏季的時(shí)候，淬火水溫度及爐溫控制系統(tǒng)精度均有不同程度的波動，其中淬火水溫度提升尤其明顯，達(dá)到30℃左右，較之年初的22℃，對于鋼管淬火影響顯著。針對季節(jié)性的生產(chǎn)條件變化，工藝制度也應(yīng)作出相應(yīng)改變，將回火溫度降低到722℃，并且針對現(xiàn)場情況，制定出該產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化操作方法，嚴(yán)格控制設(shè)備參數(shù)，穩(wěn)定爐壓、側(cè)墻溫度、水淬流量壓力等參數(shù)，采用此工藝生產(chǎn)了將近2個(gè)月，結(jié)果比較理想，C110套管的月均合格率達(dá)到96%以上。

3.5 硫化氫應(yīng)力腐蝕（SSC）試驗(yàn)

到目前為止，7#熱處理線生產(chǎn)的C110套管，共出現(xiàn)5爐SSC試驗(yàn)失敗，具體明細(xì)如表6所示：

表6 SSC試驗(yàn)失敗明細(xì)

5批SSC失敗批次從力學(xué)性能結(jié)果看，屈服、抗拉強(qiáng)度，硬度高低對比，并未發(fā)現(xiàn)絕對規(guī)律，而初步懷疑夾雜物對其影響較為明顯，待后續(xù)生產(chǎn)時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）對于27CrMo47Vs鋼種，為保證其性能穩(wěn)定性及SSC試驗(yàn)的合格率，宜采用較高的淬火溫度。

（2）增加回火保溫時(shí)間，有利于性能穩(wěn)定性的提高，并且能夠降低硬度，從而提高SSC合格率。

（3）對于 7#熱處理線而言，920 ℃×130″水淬火+726℃×128″回火的熱處理制度較為成熟，成功地將C110套管熱處理一次性能合格率從生產(chǎn)之初的88%提高到96%以上，效果明顯。

[1]套管和油管規(guī)范API SPEC 5CT（第九版）[S].2012.1.1

[2]畢永德，許文妍，趙游云.抗硫化氫應(yīng)力腐蝕石油套管系列產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用[J].天津鋼管，2005，23-26.