UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料研究

陳長(zhǎng)青，張曉慧，王顯林，紀(jì)海濤，王青林，孔令楠

（1.渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658；2.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

隨著油氣開(kāi)發(fā)的深入，為了高效勘探和開(kāi)發(fā)，超深井、定向井、大位移井及水平井等特殊結(jié)構(gòu)井需求量較大［1-4］。尤其是塔里木油田等地質(zhì)條件復(fù)雜，制約推廣特殊結(jié)構(gòu)井的因素之一是鉆具的強(qiáng)度和安全可靠性，特別是采用“上大下小”的復(fù)合鉆具時(shí)，底部小直徑鉆具因強(qiáng)度不足往往會(huì)成為事故或低效的部件［5-6］。為滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、定向井和水平井的安全可靠性要求，渤海能克鉆桿有限公司通過(guò)優(yōu)化低碳合金鋼鉆桿材料中C元素及Cr、Mo、Ni、Nb合金元素配比，突破超高強(qiáng)度材料沖擊韌性低的難題，開(kāi)發(fā)出一種超高韌性的UH165鋼級(jí)鉆桿。該UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿可適用于超深井等特殊工況井鉆進(jìn)，在發(fā)生卡鉆時(shí)可大噸位上提，有利于適時(shí)解除卡鉆，也可以應(yīng)用于復(fù)雜工況下油氣管道穿越施工作業(yè)［7］。

1 材料設(shè)計(jì)

UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿的規(guī)格覆蓋Ф73.0～193.7 mm，要求材料屈服強(qiáng)度≥1 138 MPa，材料-20℃沖擊功≥70 J（試樣尺寸10 mm×7.5 mm），屬超高強(qiáng)度高韌性型鉆桿材料。設(shè)計(jì)UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料化學(xué)成分時(shí)，以鉆桿常用普通低碳合金鋼成分為基礎(chǔ)，通過(guò)降低C含量，增加Cr、Mo、Ni、Nb合金元素，合金碳當(dāng)量為0.8%。其中，Cr、Mo的添加是為了提高淬透性，Ni用來(lái)提高韌性，V、Nb用來(lái)細(xì)化晶粒［8］，以獲得高強(qiáng)度高韌性材料體系。經(jīng)理論和多次試驗(yàn)分析，確定了UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的化學(xué)成分，具體見(jiàn)表1。

表1 UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

配備好的初始原料經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉后澆鑄成Φ150 mm圓坯，然后在800～1 100℃鍛造成Φ30 mm圓棒，終/始截面積比（鍛造后材料截面積與鍛造前材料截面積之比）為4%?，F(xiàn)有生產(chǎn)線將Φ150 mm圓坯連軋成Φ139.7 mm×10.54 mm鉆桿，終/始截面積比為24.2%。適當(dāng)降低材料終/始截面積比，有利于改善金屬的組織與性能，若將初始連鑄坯規(guī)格提高到Ф300 mm，終/始面積比為6%；連鑄坯進(jìn)一步提高到Ф370 mm，終/始截面積比為4%。因此，材料設(shè)計(jì)中加大了軋管形變量，試圖提高晶粒度，同時(shí)提高試樣組織的宏觀均勻性。

2 熱處理研究

2.1 熱模擬分析

采用Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行相變特征分析，熱模擬通過(guò)緩慢加熱及冷卻，采用膨脹參數(shù)來(lái)判別材料的相變特征，材料加熱過(guò)程中的膨脹曲線及Fe-C相圖如圖1所示。從圖1可以判斷，材料在加熱過(guò)程中的相變情況［9］：

（1）在A區(qū)，材料沒(méi)有明顯的相變，只有加熱引起的線性熱膨脹；

（2）在B區(qū)，珠光體中的二次滲碳體開(kāi)始溶解，產(chǎn)生體積收縮效應(yīng)，導(dǎo)致膨脹曲線偏離直線。當(dāng)溫度達(dá)到共析線時(shí)，珠光體開(kāi)始向奧氏體轉(zhuǎn)變，體積收縮效應(yīng)明顯，導(dǎo)致膨脹曲線急劇下降。隨著溫度的升高，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變完成后，基體加熱引起的熱膨脹增加，膨脹曲線重新上升；

（3）在C區(qū)，是奧氏體持續(xù)轉(zhuǎn)變的加熱過(guò)程；

（4）在D區(qū)，隨著溫度升高，溫度920℃以上，合金元素碳化物開(kāi)始溶解，并且由于Cr、Mo、Nb等多種合金元素碳化物的不同物性，這些合金元素碳化物溶解產(chǎn)生體積收縮效應(yīng)，首先均衡熱膨脹，隨后超出基體的膨脹量，使膨脹曲線下降；

（5）在E區(qū)，各類相變完成后，材料在加熱驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生線性膨脹。

從圖1可以看出，材料在920℃左右可完成奧氏體化轉(zhuǎn)變，而在此溫度之上，將發(fā)生合金元素碳化物的溶解過(guò)程。因此，考慮實(shí)際生產(chǎn)線與熱模擬條件的差異性，在850℃以上，選用不同溫度和時(shí)間，利用箱式電阻爐進(jìn)行UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料小試樣熱處理，通過(guò)鑒別其組織差異，來(lái)確定最佳的熱處理工藝。

圖1 材料加熱過(guò)程中膨脹曲線及Fe-C相圖

2.2 奧氏體化溫度的研究

采用箱式電阻爐進(jìn)行不同溫度淬火處理，通過(guò)MeF3A金相顯微鏡對(duì)其金相組織進(jìn)行分析。UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料在不同溫度保溫30 min后，直接水淬，觀察其微觀組織特征。不同淬火溫度下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征如圖2所示。從圖2可以看出，在900℃以下，奧氏體化不能完全進(jìn)行，組織中存在少量鐵素體；在920℃以上，奧氏體完全進(jìn)行，但在1 000℃發(fā)生了明顯的晶粒長(zhǎng)大。因此，UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的最佳奧氏體化溫度應(yīng)該是900～950 ℃，以保留更多的彌散質(zhì)點(diǎn)［10］。

圖2 不同淬火溫度下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征

2.3 奧氏體化時(shí)間的研究

奧氏體化時(shí)間的試驗(yàn)研究與奧氏體化溫度優(yōu)化同步進(jìn)行。為了獲得可靠的保溫時(shí)間，試樣在930℃保溫不同時(shí)間后水淬，觀察其組織特征。不同保溫時(shí)間下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征如圖3所示。UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料在930℃保溫25 min可以完成奧氏體轉(zhuǎn)變，晶粒長(zhǎng)大不明顯；保溫30 min后，晶粒發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變［11］?？紤]試驗(yàn)溫度高于最佳溫度會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，因此奧氏體化時(shí)間選30 min即可。

圖3 不同保溫時(shí)間下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征

2.4 回火溫度的研究

在研究回火工藝時(shí)，也利用箱式電阻爐進(jìn)行不同溫度的回火處理，并通過(guò)MeF3A金相顯微鏡對(duì)試樣金相組織進(jìn)行分析，通過(guò)FV-700全自動(dòng)維氏硬度計(jì)對(duì)試樣硬度進(jìn)行測(cè)試。UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料試樣的淬火溫度均為930℃，奧氏體化保溫時(shí)間為30 min，水淬；在580～700℃回火60 min，回火后空冷至室溫。不同回火溫度下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征如圖4所示，材料的硬度如圖5所示。從圖4可以看出，640℃是UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料微觀組織的分界線；高于640℃，將形成黑色網(wǎng)狀組織，這種組織實(shí)際上是碳化物在晶界上分布較多而形成的偏聚，因而造成較大的微觀組織不均勻；而在640℃以下，組織相對(duì)均勻，沒(méi)有黑色網(wǎng)狀組織產(chǎn)生，具有良好的微觀均勻性。從晶粒度參數(shù)講，在 580～700℃回火 30 min，晶粒度均為 9.5～10.0級(jí)，這應(yīng)該是合金元素Mo、Nb對(duì)晶界釘扎起到細(xì)化晶粒的作用，而且晶粒度非常穩(wěn)定。從硬度參數(shù)講，隨著溫度升高，材料硬度顯著下降，這應(yīng)該是高溫下碳化物析出相增加，導(dǎo)致基體硬度下降造成的（圖5）。此外，黑色網(wǎng)狀相的顯微硬度比白色基體明顯高；因此，黑色網(wǎng)狀相將造成微觀硬度的不均勻，在載荷作用下將產(chǎn)生微觀應(yīng)力集中，不利于材料抵抗裂紋的萌生及擴(kuò)展，在生產(chǎn)上應(yīng)該避免［12］。因此，UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的調(diào)質(zhì)工藝中，回火溫度應(yīng)限制在640℃以下。

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 力學(xué)性能

隨著材料強(qiáng)度等級(jí)的提升，材料沖擊韌性一般指標(biāo)達(dá)到1 138 MPa以上，為提高該材料強(qiáng)度和韌性綜合性能，要求其-20℃沖擊功≥70 J（試樣尺寸10 mm×7.5 mm），以降低鉆桿斷裂風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2，示波沖擊曲線如圖6所示。

3.2 金相分析結(jié)果

在調(diào)質(zhì)后的UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料上取樣，對(duì)其縱向截面和橫向截面進(jìn)行打磨、拋光，在金相顯微鏡下觀察其非金屬夾雜物情況；再利用苦味酸溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，觀察其晶粒度大小情況；最后用4%的硝酸酒精溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，觀察其金相組織情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料橫（縱）向截面的非金屬夾雜物為環(huán)狀氧化物類D0.5（細(xì)系），金相組織為回火索氏體S回，晶粒度10.0級(jí)（要求晶粒度≥6.0級(jí)）。

圖4 不同回火溫度下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的組織特征

圖5 不同回火溫度下UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的硬度

表2 UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的力學(xué)性能

圖6 UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的示波沖擊曲線

3.3 布氏硬度測(cè)試

將UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料硬度試樣的兩端面進(jìn)行打磨、拋光，利用布氏硬度計(jì)測(cè)試硬度試樣外表面、中間位置、內(nèi)表面3個(gè)位置的硬度。UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的布氏硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，硬度分布很均勻。

表3 UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性材料布氏硬度測(cè)試結(jié)果 HB

3.4 室溫空氣環(huán)境中的彎曲疲勞評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》對(duì)UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿疲勞試樣實(shí)物如圖7所示。切削過(guò)程中應(yīng)不斷通冷卻液，避免表面過(guò)熱引起殘余應(yīng)力。試樣的試驗(yàn)部分（腰鼓狀部分）要用成型砂輪磨削加工，粗糙度一般控制在0.08左右，肉眼看上去應(yīng)該呈鏡面。采用PQ-6型彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，在室溫25℃、常壓、空氣環(huán)境下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)的彎曲應(yīng)力水平按材料50%平均抗拉強(qiáng)度（1 335 MPa）考核（即667.5 MPa），旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命∧107轉(zhuǎn)；結(jié)合UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿在井下的實(shí)際工作狀態(tài)，調(diào)整試驗(yàn)應(yīng)力循環(huán)頻率為2 Hz（即120 r/min）。室溫下空氣環(huán)境中UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿的彎曲疲勞性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。測(cè)試結(jié)果表明：UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料在室溫空氣中的彎曲疲勞強(qiáng)度約為703 MPa，大于一般可接受的按50%平均抗拉強(qiáng)度考核指標(biāo)（即667.5 MPa）。

圖7 UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿疲勞試樣實(shí)物

表4 室溫下空氣環(huán)境中UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿的彎曲疲勞性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）以低碳合金鋼鉆桿材料的化學(xué)成分為基礎(chǔ)，通過(guò)降低碳含量，提高材料韌性，添加Cr、Mo等合金元素提高淬透性，適當(dāng)添加Nb、V等細(xì)化晶粒元素，實(shí)現(xiàn)第二相彌散分布，同時(shí)添加Ni提高材料的韌性，開(kāi)發(fā)出一種UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料。

（2）通過(guò)研究UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料的熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)材料的微觀組織工藝優(yōu)化，提高了材料強(qiáng)度和韌性，性能滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、定向井和水平井的安全可靠性要求。

（3）通過(guò)對(duì)UH165鋼級(jí)高強(qiáng)度高韌性鉆桿材料進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，其力學(xué)性能、金相組織、硬度測(cè)試結(jié)果均滿足其材料指標(biāo)要求，在室溫空氣中的彎曲疲勞強(qiáng)度約為703 MPa，大于一般可接受的按50%平均抗拉強(qiáng)度考核指標(biāo)。