采用控軋工藝生產(chǎn)N80 1類鋼級(jí)石油套管

張 然

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

N80 1類石油套管屬于高強(qiáng)度套管，制造方法為無縫工藝或電焊工藝，熱處理方式由制造廠選擇進(jìn)行全長(zhǎng)正火或正火+回火熱處理［1-5］。國(guó)內(nèi)無縫油井管主要采用20世紀(jì)90年代較為先進(jìn)的熱連軋管機(jī)組成型，也有部分無縫鋼管企業(yè)采用自動(dòng)軋管機(jī)組或Assel軋管機(jī)組熱軋成型，熱處理方式采用熱軋后離線正火或在線正火（在線?；?］的方式達(dá)到API Spec 5CT—2011對(duì)N80 1類鋼級(jí)的性能要求。

本文主要論述采用中碳Mn-V鋼為主要合金元素，通過控軋工藝在熱連軋管機(jī)組生產(chǎn)N80 1類石油套管，其中軋管機(jī)組主要變形工序?yàn)椋哄F形穿孔機(jī)—限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)—張力定（減）徑機(jī)。鋼管加熱到奧氏體狀態(tài)下采用“高溫大變形”軋制，終軋溫度控制在835～890℃［7］，軋后鋼管在冷床上空冷至室溫［7］，采用此種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量如果能滿足API Spec 5CT—2011對(duì)N80 1類鋼級(jí)的性能要求，將是一種更為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的熱加工工藝。

1 材料的選擇和制管工藝流程及主要設(shè)備

1.1 材料成分的選擇

以中碳錳鋼的化學(xué)成分為基礎(chǔ)，輔以較高的錳含量成分組合保證材料的基本強(qiáng)度，通過碳化物形成元素V元素的合金強(qiáng)化原理提高材料的韌性指標(biāo)，同時(shí)降低磷、硫元素的含量以減少夾雜物對(duì)鋼脆性的影響。冶煉采用電爐+精煉+真空脫氣+連鑄的工藝流程，N80 1類石油套管主要化學(xué)成分控制范圍見表1。

1.2 制管工藝流程及主要設(shè)備

制管工藝流程為：管坯鋸切→管坯加熱→斜軋穿孔→毛管吹噴砂→高壓水除鱗→連軋→高壓水除鱗→定（減）徑→冷床冷卻→鋸切→矯直→探傷→檢驗(yàn)→取樣→入庫。對(duì)控軋控冷工藝起主要影響作用的工序包括：管坯加熱、斜軋穿孔、高壓水除鱗、連軋、定（減）徑及冷床冷卻。各工序主要設(shè)備能力參數(shù)及其對(duì)控軋控冷工藝的影響見表2。

表1 N80 1類石油套管主要化學(xué)元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制范圍 %

表2 主要工藝設(shè)備能力參數(shù)及其對(duì)控軋控冷工藝的影響

2 控軋工藝的應(yīng)用

2.1 環(huán)形加熱爐加熱

鋼坯加熱溫度的高低影響軋制前原始奧氏體晶粒的大小，從而影響鋼材抗脆性斷裂的能力［8］。為了使控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼材具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼坯加熱溫度應(yīng)控制在1 250～1 280℃。根據(jù)坯料直徑不同，加熱溫度變化范圍為±5℃。

2.2 坯料除鱗

加熱后坯料在入穿孔機(jī)前進(jìn)行初次除鱗，連軋時(shí)利用連軋管機(jī)前機(jī)架間的高壓水噴管進(jìn)行二次除鱗，連軋后的荒管在進(jìn)入微張力定（減）徑機(jī)前再次除鱗，保證鋼管表面質(zhì)量良好，高壓水壓力根據(jù)斷面幾何尺寸控制在13～20 MPa。

2.3 控制軋制

根據(jù)熱軋過程中變形奧氏體再結(jié)晶狀態(tài)和相變機(jī)制的不同［9］，一般將控制軋制劃分為3個(gè)階段：①在奧氏體再結(jié)晶區(qū)的控制軋制—奧氏體再結(jié)晶型控制軋制；②在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制—奧氏體未再結(jié)晶型控制軋制；③在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)的控制軋制—兩相區(qū)控制軋制［10］。在再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，為控制變形奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量，應(yīng)盡可能達(dá)到完全再結(jié)晶，在設(shè)備能力許可的條件下，在高溫區(qū)盡可能采取大的道次壓下量，提高變形量，以增加奧氏體的再結(jié)晶數(shù)量，細(xì)化晶粒。再結(jié)晶區(qū)軋制的終軋溫度應(yīng)為1 000～1 050℃，總變形率應(yīng)控制在60%以上。在部分再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，得到的奧氏體晶粒不均勻，特別是在某一特定變形量的條件下，由于應(yīng)變誘發(fā)晶界遷移，在奧氏體中產(chǎn)生少量特大晶粒，引起組織中出現(xiàn)嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，導(dǎo)致管材性能下降，因此要避免在部分再結(jié)晶區(qū)軋制。對(duì)于低合金鋼，部分再結(jié)晶區(qū)的溫度一般認(rèn)為是950～1 000℃。在未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，鋼不發(fā)生奧氏體再結(jié)晶過程，變形使奧氏體晶粒拉長(zhǎng)、壓扁，利于二次再結(jié)晶。變形奧氏體的晶界是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)優(yōu)先形核的部位，被拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒將阻礙鐵素體晶粒長(zhǎng)大。隨著變形量加大，晶體內(nèi)變形帶數(shù)量增多，在晶體內(nèi)的分布也更加均勻，這些變形帶也提供相變時(shí)的形核地點(diǎn)，因而相變后的鐵素體更加細(xì)小均勻。對(duì)于低合金鋼，未再結(jié)晶區(qū)溫度范圍一般認(rèn)為是Ar3～950℃，在未再結(jié)晶區(qū)軋制的總變形率35%～60%，盡可能采用大的道次變形量，為隨后奧氏體向鐵素體相變形核創(chuàng)造條件，增加形核數(shù)量，達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒和減少珠光體球團(tuán)尺寸的目的，終軋溫度應(yīng)高于Ar3相變溫度。

無縫鋼管主要變形工序?yàn)椋捍┛?、連軋、微張力定（減）徑，采用控軋工藝的關(guān)鍵是合理分配工序延伸率及道次延伸率，對(duì)N80 1類鋼管，必須滿足“終軋溫度高于鋼材上臨界溫度（Ar3），且管子經(jīng)過空冷”，材料經(jīng)DT1000膨脹儀加熱到奧氏體化溫度880℃后，以200℃/h速度冷卻，經(jīng)測(cè)定，此材料的Ar3溫度為725℃。

在滿足終軋溫度高于725℃的前提下，以Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格為例，各工序主要變形特點(diǎn)及控軋工藝措施如下。

（1）斜軋穿孔。斜軋穿孔因受三向應(yīng)力的作用，變形過程中存在著兩種變形，即基本變形（宏觀變形），附加變形（不均勻變形）［11］，延伸變形、切向變形和徑向變形（壁厚壓縮）。壁厚壓縮這三種變形都是宏觀變形，表示外觀形狀和尺寸變化。附加變形是指材料內(nèi)部的變形，包括扭轉(zhuǎn)變形、縱向剪切變形，是由于金屬各部分的變形不均勻產(chǎn)生的，附加變形會(huì)帶來一系列的后果，如造成變形能量增加，以及由于附加變形所引起的附加應(yīng)力，容易導(dǎo)致毛管內(nèi)、外表面和內(nèi)部產(chǎn)生缺陷等。因此，斜軋穿孔變形量應(yīng)適中，管坯經(jīng)斜軋穿孔后，毛管延伸系數(shù)應(yīng)控制在1.72～3.66，管坯延伸系數(shù)控制在2.45左右；為便于生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試，同一斷面的管坯經(jīng)斜軋穿孔后具有相同的外徑，其擴(kuò)徑率最大為11%，變形過程伴有升溫，采用機(jī)架間沖淋水管對(duì)毛管沖水加強(qiáng)降溫，溫度控制在1 070～1 150℃。

（2）連軋。穿孔后毛管經(jīng)5機(jī)架PQF限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)軋管，每個(gè)軋輥由1臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。連軋管機(jī)機(jī)架采用伺服液壓壓下控制，實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)整模型化。連軋采用“高溫大壓下”，延伸系數(shù)控制在1.60～3.67，此規(guī)格管坯延伸率控制在3.0左右，并合理分配道次延伸率［12］；保證在奧氏體再結(jié)晶區(qū)域內(nèi)完成大變形，連軋溫度控制在1 020～1 140℃。

（3）定（減）徑。采用24機(jī)架張力減徑機(jī)或14機(jī)架微張力定（減）徑機(jī)保證最終幾何尺寸公差符合API Spec 5CT—2011對(duì)石油套管的幾何尺寸要求。根據(jù)鋼管的來料和成品尺寸，合理選擇機(jī)架數(shù)和每機(jī)架的減徑率，單機(jī)架減徑率最大控制在5.7%，對(duì)張力定（減）徑，在秒流量相等的原則下，通過合理調(diào)節(jié)主疊加電機(jī)的轉(zhuǎn)速來保證一定張力，進(jìn)行壁厚微調(diào)。張力定（減）徑入口采用高壓水除鱗，并實(shí)現(xiàn)對(duì)荒管的降溫，鋼管入口及出口溫度控制在890～830℃，終軋溫度在Ar3之上100℃左右，保證在未再結(jié)晶區(qū)完成最終變形。

（4）冷床冷卻。熱軋后鋼管在步進(jìn)式冷床上空冷到室溫，由于在張力定（減）徑后到冷床的位置沒有快速冷卻裝置，空冷冷卻能力小，目前為止不能滿足控軋控冷的工藝要求。

3 產(chǎn)品的綜合性能分析

3.1 拉伸性能分析

隨機(jī)抽取近兩年生產(chǎn)的Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格N80 1類成品管的試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1可知，采用控軋工藝生產(chǎn)的N80 1類鋼級(jí)石油套管力學(xué)性能非常穩(wěn)定。屈服強(qiáng)度平均值約608 MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)要求56 MPa；抗拉強(qiáng)度平均值851 MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)要求約23.5%；斷后伸長(zhǎng)率平均值26%，高出API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)要求10%。

3.2 成品組織結(jié)構(gòu)分析

隨機(jī)抽取Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格的成品管管料，經(jīng)研磨、浸蝕后用金相顯微鏡放大后觀察金相組織，如圖2所示。從圖2可以看出：該成品管的顯微組織為鐵素體顆粒均勻分布在滲碳體基體之上，形成P（珠光體）+F（鐵素體）的組織，晶粒度為7.5級(jí)，在雙相區(qū)金相組織中沒有出現(xiàn)因變形形成貝氏體而造成的混晶現(xiàn)象［13-14］。

3.3 脆韌性分析

N80鋼級(jí)石油套管為高強(qiáng)度套管，對(duì)材料的韌性要求不高，因此API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其沖擊功無強(qiáng)制要求。

如執(zhí)行API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)附錄SR16要求時(shí)，對(duì)沖擊韌性提出了明確要求，縱向全尺寸沖擊功≥27 J。對(duì)Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格統(tǒng)計(jì)823爐次的平均沖擊功約28.1 MPa（換算為全尺寸要求）；對(duì)Ф177.8 mm×9.19 mm規(guī)格統(tǒng)計(jì)160爐次的平均沖擊功值22.5 MPa（換算為全尺寸要求）；由此可見，采用控軋工藝生產(chǎn)的N80 1類鋼級(jí)石油套管沖擊韌性指標(biāo)已接近API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)附錄SR16的要求，達(dá)到預(yù)期效果。

圖1 Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格N80 1類成品管力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

圖2 Ф139.7 mm×9.17 mm規(guī)格N80 1類成品管金相組織

4 結(jié) 語

中碳Mn-V鋼采用控軋工藝在奧氏體再結(jié)晶區(qū)及未再結(jié)晶區(qū)“高溫大變形”軋制生產(chǎn)N80 1類鋼級(jí)套管，相對(duì)于在線正火或離線正火來說是一種生產(chǎn)流程更短、更為經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝，現(xiàn)在生產(chǎn)工藝成熟，對(duì)于壁厚≤10.36 mm規(guī)格的API Spec 5CT—2011石油套管均可采用此工藝生產(chǎn)。由此可見，采用控軋工藝，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)材料成分，能夠生產(chǎn)出符合API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)N80 1類鋼級(jí)的合格鋼管，且該生產(chǎn)工藝流程短、成本低。