L80-9Cr耐腐蝕油井管用鋼基礎(chǔ)特性研究

石曉霞，任慧平，李 曉，張 昭，詹 飛

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

隨著油氣田開發(fā)井下腐蝕工況越來越復(fù)雜，石化開采與運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)τ?、套管等材料的耐腐蝕性要求越來越高［1］，油套管在含 CO2、H2S、Cl-等多種腐蝕介質(zhì)的井下高溫高壓多相環(huán)境中服役時(shí)，若不采取相應(yīng)的防護(hù)措施，往往容易發(fā)生腐蝕穿孔，導(dǎo)致管柱斷落井下，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失［2］。目前國內(nèi)外公認(rèn)腐蝕防護(hù)措施主要有三種，即添加緩蝕劑、使用防腐內(nèi)涂層及使用耐蝕合金［3-6］。然而緩蝕劑及內(nèi)防腐涂層不能完全達(dá)到工程預(yù)期效果，需配合使用耐蝕合金材料，另外緩蝕劑在高溫高壓環(huán)境下易分解變性［7-8］。L80-9Cr油井管作為 API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》鋼級(jí)，屬于耐腐蝕油井管范疇，是內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司（簡(jiǎn)稱包鋼）目前尚未開展研究及生產(chǎn)試制的產(chǎn)品，通過對(duì)L80-9Cr耐腐蝕油井管用鋼08Cr9MoVRE軋態(tài)性能及組織、熱處理態(tài)性能、高溫力學(xué)性能及耐蝕性能檢驗(yàn)結(jié)果分析研究，可為包鋼L80-9Cr油井管的試制及批量化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 技術(shù)要求

API Spec 5CT—2018標(biāo)準(zhǔn)要求L80-9Cr油井管用鋼必須進(jìn)行晶粒細(xì)化處理，應(yīng)含有一種或多種晶粒細(xì)化元素，如一定量的鋁、鈮、釩或鈦，其化學(xué)成分要求見表1，熱處理工藝要求調(diào)質(zhì)處理回火溫度不低于593℃，熱處理后力學(xué)性能要求見表2。

表1 L80-9Cr油井管用鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）要求 %

表2 L80-9Cr油井管熱處理后力學(xué)性能要求

2 試驗(yàn)材料及方法

設(shè)計(jì)鋼種小爐冶煉，原料采用低磷低硫20鋼+純鐵+合金，冶煉設(shè)備為100 kg中頻感應(yīng)熔煉爐。在感應(yīng)爐內(nèi)加入20鋼及純鐵，待20鋼及純鐵徹底熔化后，相繼加入Mo、V、Cr、Mn、Si等合金，稀土鑭鈰合金在出鋼前1 min加入，然后將鋼液注入鋼錠模中。冷卻脫模后，采用50 mm熱軋?jiān)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行軋制，開軋溫度為1 260℃，終軋溫度為955℃，軋制成20 mm厚板樣備用。切取規(guī)格為50 mm×20 mm×230 mm條狀試樣6塊（其中1塊加工成軋態(tài)試樣，5塊進(jìn)行熱處理［9］），拉伸試樣為圓棒拉伸試樣，沖擊試樣為V型縱向全尺寸試樣，具體試樣加工尺寸及檢驗(yàn)方法執(zhí)行API Spec 5CT—2018標(biāo)準(zhǔn)。另外，軋態(tài)板樣上切取高溫力學(xué)試樣，篩選熱處理后性能滿足技術(shù)要求的試樣加工成掛片腐蝕試樣。高溫力學(xué)性能采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，掛片腐蝕試驗(yàn)采用高溫高壓釜模擬腐蝕。

3 試驗(yàn)鋼基礎(chǔ)特性研究

3.1 軋態(tài)組織及性能檢測(cè)結(jié)果與分析

08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)拉伸性能檢測(cè)結(jié)果見表3，軋態(tài)硬度與沖擊性能見表4，金相顯微組織如圖1所示，沖擊斷口形貌如圖2所示，夾雜物形貌如圖3所示。

表3 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)拉伸性能

表4 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)硬度及縱向沖擊功

圖1 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)的金相組織

圖2 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)的斷口宏觀及微觀形貌

從拉伸性能檢驗(yàn)結(jié)果看出，試驗(yàn)鋼08Cr9Mo-VRE強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率與斷面收縮率非常低，材料在常溫狀態(tài)下，塑性較差，因此不利于冷變形。從硬度及沖擊性能檢測(cè)結(jié)果來看，硬度在37 HRC左右，機(jī)加工有一定困難，沖擊韌性在40 J左右，貼近L80-9Cr技術(shù)要求下限。從不同放大倍數(shù)條件下的試驗(yàn)鋼08Cr9MoVRE金相組織可以看出，試驗(yàn)鋼軋態(tài)組織為板條狀馬氏體。

圖3 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)的夾雜物形貌及能譜分析

對(duì)08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼軋態(tài)試樣沖擊斷口形貌進(jìn)行分析，形貌為脆性斷裂，宏觀形貌顯示呈“河流花樣”的解理片，解理片周圍存在大量的韌帶，這些韌帶的存在，使得試驗(yàn)鋼沖擊功在40 J左右。“河流”上游，即裂紋源區(qū)，許多小臺(tái)階匯合成較大的臺(tái)階；“河流”下游，也即裂紋擴(kuò)展區(qū)，大臺(tái)階逐漸匯聚成更大的臺(tái)階。

從夾雜物分布及形貌可以看出，夾雜物數(shù)量較少，表明鋼質(zhì)潔凈，夾雜物尺寸不大于10 μm，夾雜物細(xì)小，呈球形，鑲嵌于基體中，對(duì)試驗(yàn)鋼不利影響十分有限，通過能譜分析夾雜物主要成分有硫化錳、稀土氧硫化物，屬于稀土復(fù)合夾雜。

3.2 熱處理后力學(xué)性能及組織檢測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)鋼的奧氏體化開始轉(zhuǎn)變溫度Ac1為800℃，奧氏體化轉(zhuǎn)變終了溫度Ac3為865℃，對(duì)于高合金低碳鋼，淬火溫度應(yīng)為Ac3+100～150℃，淬火溫度設(shè)定為980℃，熱處理工藝見表5，熱處理后的拉伸性能及硬度和沖擊功檢測(cè)結(jié)果見表6～7。

表5 試驗(yàn)鋼熱處理工藝

表6 試驗(yàn)鋼熱處理后拉伸性能測(cè)試結(jié)果

表7 試驗(yàn)鋼熱處理后硬度和沖擊功檢測(cè)結(jié)果

08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度隨著回火溫度升高而降低，伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及沖擊功隨回火溫度升高而增加，斷面收縮率均大于60%，試驗(yàn)鋼在620～780℃溫度范圍內(nèi)回火，均獲得良好的塑性。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，回火溫度增加160℃，強(qiáng)度僅降低250 MPa左右，這主要是由于材料含有大量的鉬、釩等回火穩(wěn)定性元素。淬火溫度為980℃，保溫60 min，回火溫度為720～780℃保溫90 min，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足L80-9Cr試驗(yàn)鋼設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

3.3 高溫力學(xué)性能檢測(cè)及分析

對(duì)08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼高溫拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度對(duì)高溫拉伸性能的影響如圖4所示。

圖4 08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼試驗(yàn)溫度對(duì)高溫拉伸性能的影響

Z=60%為門檻劃分鋼的高塑性區(qū)和低塑性區(qū)［5］，由圖4可知，800～1 275℃，08Cr9MoVRE有良好的塑性；1 225～1 250℃時(shí)，強(qiáng)度在26～30 MPa，強(qiáng)度越低，材料變形抗力越低；1 225～1 250℃時(shí)，伸長(zhǎng)率大于17%，斷面收縮率為94.3%、92.2%，材料強(qiáng)度最低，延展性最好，適合進(jìn)行穿孔變形。

3.4 耐蝕性能檢測(cè)結(jié)果及分析

腐蝕試驗(yàn)采用對(duì)比法，對(duì)比鋼為N80Q，鋼種為34Mn6，采用高溫高壓釜模擬腐蝕試驗(yàn)，腐蝕模擬溶液礦物質(zhì)含量見表8，腐蝕條件為pH=4，溫度90℃，流速2.0 m/s，CO2分壓2.0 MPa，H2S分壓50 kPa，試驗(yàn)周期為7天，試驗(yàn)結(jié)果見表9，脫膜前宏觀形貌如圖5所示，脫膜后宏觀形貌如圖6所示。

表8 腐蝕模擬溶液礦物質(zhì)含量mg/L

表9 高溫高壓釜腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖5 脫膜前模擬工況腐蝕試樣宏觀形貌

從表9可以看出，采用08Cr9MoVRE調(diào)質(zhì)的L80-9Cr平均腐蝕速率為0.046 mm/a，而采用34Mn6碳錳鋼調(diào)質(zhì)的N80Q平均腐蝕速率為0.470 mm/a，相差近1個(gè)數(shù)量級(jí)；從圖5～6可以看出，脫膜前，08Cr9MoVRE腐蝕產(chǎn)物膜光滑、平整，表面是一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，而34Mn6對(duì)比鋼種腐蝕產(chǎn)物膜非常疏松，腐蝕產(chǎn)物呈島狀聚集于基體表面；脫膜后試驗(yàn)鋼08Cr9MoVRE基體表面存在點(diǎn)腐蝕，而34Mn6對(duì)比鋼存在輕微點(diǎn)腐蝕，但不嚴(yán)重。這說明，08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼傾向于點(diǎn)腐蝕，而34Mn6碳錳鋼傾向于均勻腐蝕。采用掃描電子顯微鏡+X射線能譜儀對(duì)試驗(yàn)鋼及對(duì)比鋼腐蝕產(chǎn)物膜去膜前后微觀形貌進(jìn)行分析。08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼腐蝕產(chǎn)物膜去膜前后的微觀形貌如圖7～8所示，能譜分析結(jié)果見表10。34Mn6對(duì)比鋼腐蝕產(chǎn)物膜去膜前后的微觀形貌如圖9～10所示，能譜分析結(jié)果見表11。

圖6 脫膜后模擬工況腐蝕試樣宏觀形貌

圖7 去膜前08Cr9MoVRE試樣表面腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

圖8 去膜后08Cr9MoVRE試樣表面腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

表10 08Cr9MoVRE試樣表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

圖9 去膜前34Mn6試樣表面腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

圖10 去膜后34Mn6試樣表面腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

表11 34Mn6試樣表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果%

從圖7～10和表10～11看出，08Cr9MoVRE微觀形貌可見明顯點(diǎn)蝕，且點(diǎn)蝕坑均勻分布在基體上，表面腐蝕產(chǎn)物主要包含F(xiàn)e、Cr、O和S元素，Cr相對(duì)于基體明顯增加，說明Cr在基體表面富集，腐蝕產(chǎn)物主要以硫化鐵、氧化鉻為主。34Mn6微觀形貌呈均勻腐蝕特征，腐蝕產(chǎn)物膜有明顯掉落的痕跡，腐蝕產(chǎn)物膜表面凹凸不平，有點(diǎn)腐蝕，但不明顯，脫膜后基體表面凹凸，表面腐蝕產(chǎn)物主要包含F(xiàn)e、O、Cl和S元素，Cl元素為腐蝕模擬溶液帶入，腐蝕產(chǎn)物膜主要為硫化鐵和氧化鐵。08Cr9MoVRE腐蝕產(chǎn)物膜中的S含量為2.73%，而對(duì)比鋼中僅為0.58%，對(duì)比鋼腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體保護(hù)作用較弱。

4 結(jié) 語

（1）08Cr9MoVRE軋態(tài)組織為板條狀馬氏體，常溫下強(qiáng)度較高，塑性較低，沖擊斷口形貌為解理片，稀土氧硫化物及硫化錳形成的非金屬夾雜物細(xì)小且呈球狀；

（2）淬火溫度980℃保溫60 min、回火溫度為740℃保溫90 min，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足L80-9Cr試驗(yàn)鋼設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求；

（3）1 225～1 250℃時(shí)，屈服強(qiáng)度在25 MPa左右，伸長(zhǎng)率大于17%，斷面收縮率為93%；此時(shí)，材料強(qiáng)度最低，延展性最好，適合穿孔變形；

（4）08Cr9MoVRE平均腐蝕速率0.046 mm/a，34Mn6為0.470 mm/a，08Cr9MoVRE試驗(yàn)鋼平均腐蝕速率是對(duì)比鋼的1/10。08Cr9MoVRE有輕微點(diǎn)腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為硫化鐵及氧化鉻；34Mn6表現(xiàn)為均勻腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為氧化鐵與硫化鐵。