N80Q 鋼級油管伸長率不穩(wěn)定原因探討

張友鵬，吳宇新，李大航，劉 璇，周洪慶，朱義軒，趙 剛

（鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114009）

按API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》組織生產(chǎn)的N80 鋼級油井管在我國大量使用［1］。近期國內(nèi)某公司采用熱軋工藝，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理所生產(chǎn)的Φ73.02 mm×5.51 mm N80Q 油管，出現(xiàn)了屈服強度、抗拉強度值波動較大，較多批次伸長率不合格的情況，伸長率合格率僅80%左右。筆者著手研究，找出了產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的措施。

1 力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析

API Spec 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)中對N80Q 的化學(xué)成分只有P 和S 要求，均為≤0.030%。該公司生產(chǎn)N80Q 鋼級油管時采用C-Mn 鋼，牌號為27Mn，具體化學(xué)成分見表1。

對調(diào)質(zhì)處理后的N80Q 油管的力學(xué)性能進(jìn)行統(tǒng)計，如圖1 所示。

根據(jù)API Spec 5CT—2018 產(chǎn)品規(guī)范，N80Q 鋼級產(chǎn)品需進(jìn)行全長淬火+回火，屈服強度為552～758 MPa，抗拉強度≥689 MPa，伸長率≥16%。通過統(tǒng)計力學(xué)性能的檢測結(jié)果來看，生產(chǎn)的Φ73.02 mm×5.51 mm N80Q 油管屈服強度和抗拉強度雖然都合格，但是波動較大；而伸長率的波動更大，最小值與最大值差距明顯。N80Q 鋼級油管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表1 某公司生產(chǎn)的N80Q 鋼級油管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 N80Q 鋼級鋼管力學(xué)性能

表2 N80Q 鋼級油管力學(xué)性能檢測結(jié)果

2 顯微組織分析

分別在同一批次伸長率性能合格及不合格樣管上沿縱向各取2 塊顯微試樣檢驗：1 號樣（屈服強度735 MPa、抗拉強度815 MPa、伸長率23%，試樣號 1－1、1－2）及 2 號樣（屈服強度 630 MPa、抗拉強度 740 MPa、伸長率 13.5%，試樣號 2－1、2－2）。

1 號樣顯微組織均為回火索氏體，內(nèi)壁、中間位置、外壁組織差異不大。

2－1 試樣組織為回火索氏體+少量先共析鐵素體，內(nèi)壁、中間位置、外壁組織差異不大；2－2 試樣組織不均勻，在整個縱向檢驗面上發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域組織為回火索氏體+較多先共析鐵素體，由于鐵素體的強度較低，變形阻力小，在外力作用下成為應(yīng)力集中位置，導(dǎo)致在晶界斷裂［2］。因此，鋼管縱向的組織差異，是造成伸長率不穩(wěn)定的直接原因。伸長率性能合格樣及不合格樣顯微組織如圖2 所示。

圖2 伸長率性能合格樣及不合格樣顯微組織

3 生產(chǎn)現(xiàn)場實地考察情況

通過分析兩個樣的顯微組織表現(xiàn)的差異，判斷應(yīng)該是其淬火時的差異帶來的。該N80Q 油管制定的淬火工藝要求為：采用外噴淋+內(nèi)軸流工藝，淬火外噴淋水量≥2 000 m3/h、內(nèi)軸流水量≥500 m3/h。而在現(xiàn)場觀察實際淬火外噴淋水量僅700 m3/h 左右，而且外噴淋水流間距較大，外噴淋與內(nèi)軸流的匹配不合理，現(xiàn)場實測管材在外噴淋5～6 s 后才開始內(nèi)軸流，這時管材已冷卻變黑，淬火后鋼管外觀呈“竹節(jié)”狀，表現(xiàn)出縱向淬火不均，淬火鋼管外表面宏觀照片如圖3 所示。

圖3 淬火鋼管外表面宏觀照片

衡量淬火處理成敗的關(guān)鍵就是淬火后馬氏體的轉(zhuǎn)變率，即可通過淬火后顯微組織及硬度試驗判定，標(biāo)準(zhǔn)為馬氏體轉(zhuǎn)變率≥90%，硬度≥48.5 HRC［3－15］。筆者對淬火鋼管進(jìn)行取樣檢驗，顏色較淺位置處洛氏硬度約49 HRC，而顏色較深位置處洛氏硬度約45 HRC。淬火鋼管表面顏色較淺位置的組織為板條馬氏體，如圖4 所示；顏色較深位置的組織為馬氏體+沿晶界析出的鐵素體，為淬火時高溫段冷卻速度較慢所致，如圖5 所示。

圖4 淬火鋼管表面顏色較淺處組織

圖5 淬火鋼管表面顏色較深處組織

4 結(jié) 論

（1） Φ73.02 mm×5.51 mm N80Q 鋼級油管在淬火處理時，外噴淋效果較差導(dǎo)致高溫段冷卻速度不夠，發(fā)生縱向淬火不均勻現(xiàn)象，管體縱向顯微組織差異明顯，從而引起其力學(xué)性能波動較大，特別是伸長率指標(biāo)受到嚴(yán)重影響。

（2） 在淬火時，外噴淋和內(nèi)軸流要及時打開并且使鋼管均勻冷卻，尤其是要保證高溫段冷卻速度，得到理想的淬火馬氏體組織，才能使最終回火后的伸長率等性能穩(wěn)定。