Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的試制生產(chǎn)

張 然

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過(guò)程進(jìn)行和完井后整個(gè)油井的正常運(yùn)行。每一口井根據(jù)不同的鉆井深度和地質(zhì)情況，要使用幾層套管。套管下井后要采用水泥固井，其與油管、鉆桿不同，不可以重復(fù)使用。隨著深井、超深井的開(kāi)發(fā)量日益增大，采油條件越來(lái)越惡劣，對(duì)油井管的性能要求也越來(lái)越高，高鋼級(jí)套管的需求量也在加大［1-12］。API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》中的石油套管鋼級(jí)按使用條件分為4組，其中Q125鋼級(jí)石油套管屬于高強(qiáng)度、高韌性套管，制造方法為無(wú)縫工藝或電焊工藝，熱處理方式由制造廠選擇進(jìn)行全長(zhǎng)淬火+回火熱處理。PSL-2類石油套管是在API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)PSL-1類石油套管要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)其適用環(huán)境對(duì)各鋼級(jí)提出了額外要求，在產(chǎn)品的性能指標(biāo)上主要增加了統(tǒng)計(jì)沖擊功的要求。為了滿足市場(chǎng)需求，適應(yīng)油田的工作條件，設(shè)計(jì)生產(chǎn)滿足API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的Q125鋼級(jí)石油套管勢(shì)在必行。

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）試制生產(chǎn)Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管時(shí)，以Mn-Cr-Mo中碳鋼為基礎(chǔ)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)、控制合金元素總含量，采用電爐冶煉→精煉→真空脫氣→連鑄工藝生產(chǎn)連鑄圓管坯，然后在連軋管機(jī)組軋制成型，后續(xù)采用淬火+回火的熱處理方式調(diào)整產(chǎn)品組織性能，使產(chǎn)品的機(jī)械性能、硬度、統(tǒng)計(jì)沖擊功等滿足API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PSL-2類Q125鋼級(jí)的性能要求。這里主要論述Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的試制生產(chǎn)情況［13］。

1 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

天津鋼管依據(jù)API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PSL-2類Q125鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和沖擊功要求，結(jié)合天津鋼管生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的力學(xué)性能指標(biāo)，Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的力學(xué)性能指標(biāo)

2 材料的設(shè)計(jì)及制管工藝設(shè)計(jì)

2.1 材料成分設(shè)計(jì)

材料以Mn-Cr-Mo中碳鋼為基礎(chǔ)，通過(guò)合理配比合金元素的含量，保證合金元素總含量≤2.5%。合金元素的加入，首要的目的是提高鋼的淬透性，保證在淬火時(shí)全壁厚容易獲得馬氏體；其次是提高鋼的回火穩(wěn)定性，使淬火鋼在回火時(shí)析出的碳化物更細(xì)小、均勻和穩(wěn)定，經(jīng)自然冷卻后獲得更高的強(qiáng)度；同時(shí)降低P、S元素的含量，以減少夾雜物對(duì)鋼脆性的影響［14-15］。冶煉采用電爐冶煉+精煉+真空脫氣+連鑄的工藝流程，主要化學(xué)元素成分控制范圍見(jiàn)表2。

表2 Q125鋼主要化學(xué)元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制范圍 %

Mn和Fe形成固溶體，提高鐵素體和奧氏體鋼的硬度與強(qiáng)度；同時(shí)Mn在鋼中使珠光體細(xì)化，也能夠間接提高鋼的強(qiáng)度，Mn具有穩(wěn)定奧氏體組織的能力，能夠很好地增加鋼的淬透性，并且Mn可以使鋼在熱處理后的組織均勻、細(xì)化，避免滲碳層中碳化物的聚集成塊。

Cr元素可以顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，減緩?qiáng)W氏體的分解速度，通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理提高鋼材的淬透性；防止回火脆性，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使鋼經(jīng)淬火、回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，并提高材料表面的耐磨性。

Mo在鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，Mo是縮小奧氏體相區(qū)的元素，在鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性，在調(diào)質(zhì)鋼中，Mo能夠促使管材淬深、淬透，提高鋼管的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使管材可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。

通過(guò)對(duì)鋼中合金元素Mn+Cr+Mo進(jìn)行合理控制，能夠起到細(xì)化晶粒、優(yōu)化鋼材組織結(jié)構(gòu)的作用，有助于提高鋼管淬透性，提高鋼管的拉伸及沖擊性能。

2.2 制管工藝流程設(shè)計(jì)及主要工序描述

2.2.1 制管工藝流程設(shè)計(jì)

天津鋼管根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，制定的制管工藝為：管坯鋸切→環(huán)形爐加熱→斜軋穿孔→Φ168 mm PQF連軋管機(jī)連軋［16-20］→再加熱爐加熱→SRM張力定（減）徑機(jī)定（減）徑→冷床冷卻→管排鋸機(jī)鋸切→矯直→過(guò)程探傷→中間庫(kù)→熱處理（淬火+回火）→熱矯直→超聲波探傷→車(chē)絲→水壓、通徑→測(cè)長(zhǎng)及稱重→噴標(biāo)打印→成品打捆入庫(kù)。

2.2.2 試制過(guò)程主要工序描述

對(duì)產(chǎn)品試制成功起主要影響作用的工序有：冶煉工序中的精煉、真空脫氣、連鑄；軋管機(jī)組熱軋工序中的管坯加熱、斜軋穿孔、連軋、SRM張力定（減）徑機(jī)定（減）徑；熱處理工序中的淬火、回火。

（1）冶煉工序。精煉工序保證坯料成分精確控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，且波動(dòng)量較少，為熱處理后產(chǎn)品的性能指標(biāo)及性能穩(wěn)定性提供了有力保障；真空脫氣工序可保證材料中氣體含量、有害元素、夾雜物含量處于較低水平；連鑄工序中采用多極液壓式結(jié)晶器振動(dòng)及液面自動(dòng)控制技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)，可保證成品管坯無(wú)成分偏析，坯料內(nèi)部皮下裂紋、皮下氣泡、中部裂紋、心部裂紋、縮孔、潔凈度、翻皮、白點(diǎn)、異金屬夾雜物等符合相關(guān)要求［21-23］。

（2）熱軋工序。加熱管坯時(shí)，要保證管坯加熱到奧氏體化溫度，應(yīng)避免過(guò)熱、過(guò)燒，以免在熱成型或熱處理后出現(xiàn)裂紋等表面缺陷，以及降低熱處理后產(chǎn)品的延展性；在斜軋穿孔、連軋工序，應(yīng)保證在奧氏體區(qū)實(shí)現(xiàn)高溫大變形［24］；在張力定（減）徑工序，應(yīng)保證產(chǎn)品的幾何尺寸符合API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）熱處理工序。淬火、回火工序是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品具有良好機(jī)械性能和高韌性最關(guān)鍵的工序。淬火工序應(yīng)保證鋼管在加熱到完全奧氏體化之后，采用內(nèi)噴+外淋的水淬方式或浸入式淬火方式，使鋼管縱向及徑向組織均勻且完全淬透；高溫回火時(shí)，根據(jù)材質(zhì)化學(xué)成分將鋼加熱到一定溫度，并根據(jù)成品外徑及壁厚保溫一定時(shí)間，然后空冷，使淬火后的馬氏體組織完全轉(zhuǎn)化為回火索氏體組織［25］。

3 產(chǎn)品試制情況及結(jié)果分析

天津鋼管試制Q125鋼級(jí)Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強(qiáng)度石油套管時(shí)，使Φ210 mm合格圓管坯經(jīng)Φ168 mm PQF連軋管機(jī)組軋制，然后淬火（920℃±10℃保溫17 min）+回火（620℃±10℃保溫35 min）熱處理。從試制產(chǎn)品的管端取樣，按照API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)其縱向拉伸性能、沖擊性能和硬度。Q125鋼級(jí)Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強(qiáng)度石油套管的拉伸性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，沖擊性能和硬度檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

表3 Q125鋼級(jí)Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強(qiáng)度石油套管的拉伸性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 Q125鋼級(jí)Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強(qiáng)度石油套管的沖擊性能和硬度檢測(cè)結(jié)果

從表3可以看出：此次生產(chǎn)的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊功均符合API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)PSL-2類產(chǎn)品要求；屈服強(qiáng)度高出API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求50～80 MPa，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值；抗拉強(qiáng)度高出API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求65～90 MPa；屈強(qiáng)比在0.90以上；伸長(zhǎng)率約為API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍，材料的延展性較好。

從圖1可以看出：此次生產(chǎn)的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管，其縱向沖擊試驗(yàn)（取樣30個(gè)樣本，每個(gè)樣本3組，共90組試驗(yàn)值）最小值84 J，平均值94 J，高出API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求值39 J的兩倍有余。

根據(jù) API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn) A.7節(jié)（SR12統(tǒng)計(jì)沖擊試驗(yàn)）要求，對(duì)PSL-2類 Q125鋼級(jí)石油套管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)沖擊試驗(yàn)，具體計(jì)算公式如下：

式中Smin——批試驗(yàn)沖擊功的最小值，J；

S平均——批試驗(yàn)沖擊功的平均值，J；

F——系數(shù)，由API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)表C.51或E.51確定；

σlot——批試驗(yàn)沖擊功的標(biāo)準(zhǔn)偏差，J。

從圖1可知，批試驗(yàn)沖擊功的平均值S平均為93.611 1 J，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.764 7 J，F(xiàn)取4.022；因此可由公式（1）計(jì)算出該Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的批試驗(yàn)沖擊功的最小值Smin為78 J，滿足API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低要求39 J，剪切面積百分比全部達(dá)到100%，證明統(tǒng)計(jì)沖擊功完全滿足API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

由圖1還可以看出：此次生產(chǎn)的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的硬度平均值為34 HRC，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.659 2 HRC，內(nèi)表面、中部、外表面的硬度值變化≤4 HRC。

此外，金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該材料的微觀組織全部為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)，達(dá)到預(yù)期目的。

4 工業(yè)推廣情況

影響管材性能的主要因素有：材料的化學(xué)成分，淬火、回火溫度及其保溫時(shí)間等。在生產(chǎn)Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管時(shí)，Mn、Cr、Mo均是能夠影響奧氏體相區(qū)的元素，通過(guò)合理的合金加入量，可以提高鋼管淬透性，保證鋼管各項(xiàng)性能。淬火溫度（920±10）℃，保溫時(shí)間控制在17 min，能夠在不影響批量生產(chǎn)節(jié)奏的前提下，保證管材組織的奧氏體成分均勻化。同時(shí)，經(jīng)過(guò)（620±10）℃回火后，Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管的組織為回火索氏體，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期；當(dāng)回火溫度繼續(xù)升高，組織發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，并逐漸出現(xiàn)少量的多邊形鐵素體，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度有一定幅度下降，雖然仍能夠達(dá)到API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，但效果不佳。綜合考慮，將熱處理制度制定為淬火（溫度920℃±10℃，保溫17min）+回火（溫度620℃±10℃，保溫35 min），能夠符合生產(chǎn)實(shí)際，并保證產(chǎn)品性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

近三年，天津鋼管生產(chǎn)了Φ88.9，101.6，177.8，244.48，339.72 mm規(guī)格的油套管及配套接箍料共2 500 t以上，其產(chǎn)品的力學(xué)性能全部符合API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q125鋼級(jí)的要求。統(tǒng)計(jì)不同規(guī)格產(chǎn)品的力學(xué)性能，結(jié)果顯示：Φ88.9，101.6，177.8 mm規(guī)格油套管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的上限水平，伸長(zhǎng)率約為該標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍，沖擊韌性指標(biāo)高出該標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍有余，硬度變化值≤4 HRC；Φ244.48，339.72 mm規(guī)格油套管的壁厚相對(duì)較厚，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度在API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求的中下限水平，伸長(zhǎng)率接近該標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍，沖擊韌性指標(biāo)高出該標(biāo)準(zhǔn)要求的2倍，硬度變化值≤5 HRC。由此可以看出，天津鋼管生產(chǎn)的Q125鋼級(jí)油套管產(chǎn)品，其綜合性能良好，完全能夠滿足API Spec 5CT—2011對(duì)PSL-2類Q125鋼級(jí)的要求。

此外，API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PSL-3類Q125鋼級(jí)石油套管的屈服強(qiáng)度上限值為965 MPa；因此，若后續(xù)開(kāi)發(fā)PSL-3類Q125鋼級(jí)石油套管，應(yīng)對(duì)材料化學(xué)成分或熱處理制度進(jìn)行重新調(diào)整，以降低其屈服強(qiáng)度目標(biāo)值及變化范圍。

5 結(jié) 語(yǔ)

天津鋼管生產(chǎn)的Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度石油套管，其產(chǎn)品的力學(xué)性能、硬度、統(tǒng)計(jì)沖擊功等指標(biāo)處于API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)PSL-2類Q125鋼級(jí)的中上限水平。目前，天津鋼管已實(shí)現(xiàn)了Φ88.9～339.72 mm各規(guī)格Q125鋼級(jí)高強(qiáng)度油套管的工業(yè)化生產(chǎn)。