稠油熱采井用25CrMoBVRE 鋼管的調(diào)質(zhì)工藝研究

石曉霞，李 曉，任慧平，李 靜，趙艷輝

（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）

稠油在我國石油資源儲備中占30%以上，遼河油田、勝利油田、克拉瑪依油田、中原油田及江漢油田稠油資源豐富，國外加拿大、委內(nèi)瑞拉、美國、印尼等國家稠油資源也非常豐富。由于稠油黏度大，所以采油難度大，主要采用熱力開采的方法，開采過程中，套管工作環(huán)境溫度高達(dá)320 ℃左右，有的井高達(dá)375 ℃［1］，另外，開采過程中套管注氣壓力高達(dá)17 MPa。受高溫、應(yīng)力的綜合作用，稠油油井套損非常嚴(yán)重，大大增加了開采的成本。API 中沒有稠油熱采專用套管，國內(nèi)外也只有小部分廠家開發(fā)成功，大多油田只能選用普通API 套管［2-5］。25CrMoBVRE 是內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司（簡稱包鋼）自主研發(fā)的、具有知識產(chǎn)權(quán)的非API稠油熱采套管BT100H 用鋼，為了保證良好的綜合力學(xué)性能，需要對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，立足節(jié)能與降本，開展25CrMoBVRE 鋼調(diào)質(zhì)工藝研究意義深遠(yuǎn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為包鋼生產(chǎn)的稠油熱采專用套管BT100H 用鋼25CrMoBVRE，其主要化學(xué)成分見表1。其生產(chǎn)工藝為：90%高爐鐵水+10%廢鋼→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐外精煉→VD 真空處理→圓坯連鑄→環(huán)形爐加熱→錐形穿孔機(jī)穿孔→MPM 連軋管→定（減）徑均整，軋制成規(guī)格為Ф177.8 mm×9.19 mm×1 000 mm 無縫鋼管。

表1 25CrMoBVRE 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

截取Ф177.8 mm×9.19 mm×300 mm 樣管5 支用于試驗(yàn)，其中1 支用于檢測樣管軋制態(tài)力學(xué)性能及組織，另外4 支沿縱向三等分切割成12 塊瓦狀試樣，根據(jù)不同熱處理工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。淬火試驗(yàn)采用箱式電阻爐加熱及保溫，淬火在水槽中進(jìn)行，為保證試樣淬火時(shí)能夠均勻冷卻，將試樣快速放入水槽，同時(shí)進(jìn)行攪動，并定期更換冷卻水，保證冷卻水溫低于30 ℃，回火試驗(yàn)采用空氣爐加熱保溫，冷卻方式為空冷。調(diào)質(zhì)處理后的試樣按照API Spec 5CT—2018《油管與套管規(guī)范》加工成條狀拉伸試樣及沖擊試樣，根據(jù)研究內(nèi)容，采用線切割切取不同淬火溫度淬火后及調(diào)質(zhì)工藝不同回火溫度條件下金相試樣，切取尺寸為15 mm×10 mm×9.19 mm，采用WAW-600C 型伺服液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率，采用NI 750 型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行0 ℃沖擊試驗(yàn)。金相試樣通過砂磨及拋光，采用4%硝酸酒精腐蝕顯微組織，利用蔡司顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察顯微組織；采用苦味酸+洗潔劑腐蝕原始奧氏體晶粒，采用OM 觀察原始奧氏體晶粒。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火工藝對25CrMoBVRE 組織的影響

淬火工藝要在不使奧氏體晶粒過分長大的前提下，選擇足夠高的溫度，保溫時(shí)間充分，使碳和合金元素充分固溶于奧氏體，保證工件淬透，使套管的截面性能均勻一致。淬火工藝主要參數(shù)為加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻時(shí)間，國內(nèi)各大鋼廠生產(chǎn)的80 鋼級及以上的油井管均采用水冷，因此對冷卻方式不做研究。淬火加熱溫度是根據(jù)鋼的化學(xué)成分來決定的，對于亞共析鋼而言主要取決于鋼的臨界溫度Ac3（該鋼種的Ac3為805 ℃），一般情況下，若加熱溫度過高，使馬氏體組織粗化，強(qiáng)韌性下降；反之，若加熱溫度在Ac1與Ac3之間，則有原始組織未能全部溶入奧氏體中，因而淬火后的組織中除了有馬氏體組織外，還存在殘留組織，因此淬火加熱溫度設(shè)定為860～900 ℃。淬火保溫時(shí)間通常與鋼的成分、原始組織、工件形狀、加熱介質(zhì)及爐溫等因素有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）確定保溫時(shí)間：

式中 t —— 保溫時(shí)間，min；

a —— 鋼種系數(shù)，合金鋼取1.5；

K —— 裝爐方式系數(shù)，箱式爐取1.3；

D —— 試樣的有效厚度，mm。

試驗(yàn)鋼厚度為9.19 mm，因此保溫時(shí)間為20 min。25CrMoBVRE 試驗(yàn)鋼分別進(jìn)行860，880，900 ℃淬火+保溫20 min 淬火工藝熱處理，不同淬火溫度處理后的25CrMoBVRE 試驗(yàn)鋼金相組織如圖1 所示，原始奧氏體晶粒如圖2 所示。

由圖1 可見，組織均為板條狀馬氏體，隨著淬火溫度的提高，板條狀馬氏體長度及寬度增加。從圖2 可以看出，860 ℃淬火試驗(yàn)鋼原始奧氏體晶粒度為10.5 級，880 ℃淬火試驗(yàn)鋼原始奧氏體晶粒度為10.0 級，900 ℃淬火，原始奧氏體晶粒度為9.5級，奧氏晶粒大小不均勻，奧氏體晶粒尺寸在5～25 μm。淬火保溫時(shí)間不變，隨著淬火溫度的增加，原始奧氏體晶粒長大。晶粒細(xì)小，有利于提高材料的強(qiáng)度和韌性，從而提高試驗(yàn)鋼綜合力學(xué)性能。25CrMoBVRE 試驗(yàn)鋼采用硼、釩及稀土進(jìn)行了微合金化，由于硼是表面活性元素，非常容易在非金屬夾雜物周圍吸附，使夾雜變得細(xì)小、圓整，有夾雜物變形的特點(diǎn)，從而改善了材料的韌性。但硼含量加入過高時(shí)，會在晶界產(chǎn)生網(wǎng)狀的“硼相”，反而降低了沖擊韌性［6-8］。為了避免這種缺點(diǎn)，可以和Ti、V、Nb 配合使用生成高熔點(diǎn)的硼化物；另外一種則是加入微量的RE 元素，吸附在共晶硼化物表面，從而使共晶碳化物孤立、細(xì)化［9］。添加釩的目的在于提高屈服比及低溫韌性。當(dāng)然，合理的淬火工藝不僅能保證奧氏體晶粒細(xì)小均勻，還能減少網(wǎng)狀硼化物的形成，使已網(wǎng)狀析出的硼化物回溶，有效地提高沖擊韌性。鋼中固溶和析出的釩會影響組織演變，這些組織特征將會影響到鋼的各種性能［10-12］。在900 ℃以下，碳氮化釩可完全溶于奧氏體中［13-15］。

圖1 不同淬火溫度條件下25CrMoBVRE 金相組織

圖2 不同淬火溫度條件下25CrMoBVRE 原始奧氏體晶粒

2.2 回火工藝對25CrMoBVRE 組織性能的影響

工件經(jīng)淬火后，一般都要及時(shí)進(jìn)行回火，這是因?yàn)榇慊鸷蟮玫降鸟R氏體，存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時(shí)回火，時(shí)間久了有可能使工件發(fā)生開裂。另外，要想獲得良好的綜合力學(xué)性能，需要對淬火后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行高溫回火，也就是將淬火后的工件重新加熱到Ac1～550 ℃（試驗(yàn)鋼Ac1為668 ℃）某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后以一定的方式冷卻。為了保證試驗(yàn)鋼調(diào)質(zhì)的稠油熱采專用套管低的殘余應(yīng)力，需要對回火后的油井管進(jìn)行熱矯直，矯直溫度不小于500 ℃，Ф177.8 mm×9.19 mm 油井管回火后到矯直前溫降100 ℃左右，因此回火溫度設(shè)計(jì)為600～660 ℃。除了回火溫度這個(gè)主要因素以外，回火保溫時(shí)間也是保證工件回火后機(jī)械性能的一個(gè)重要因素?；鼗馃崽幚砉に囈姳?，對每組熱處理后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，分別測定其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和沖擊功，回火溫度對屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及沖擊功的影響如圖3所示。不同回火保溫時(shí)間對屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度、延伸率及沖擊功的影響如圖4 所示，回火溫度對金相組織的影響如圖5 所示，不同回火保溫時(shí)間對金相組織的影響如圖6 所示。

表2 回火熱處理工藝

由圖3～4 可見，隨著回火溫度的增加，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯降低，延伸率與沖擊功得到了明顯改善，回火溫度提高40 ℃，屈服強(qiáng)度降低約120 MPa，抗拉強(qiáng)度降低約125 MPa，延伸率增加1.2%，沖擊功提高了30 J 左右；隨著回火保溫時(shí)間的延長，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低30 MPa 左右，延伸率及橫向沖擊功略有改善，延伸率平均提高了1%，沖擊功提高了6.5 J。

從圖5 可以看出，組織均為回火索氏體，從620 ℃回火顯微組織看，試驗(yàn)鋼晶粒依然保持馬氏體板條位相，碳化物主要在晶界上呈連續(xù)狀態(tài)分布，660 ℃回火的顯微組織，明顯發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶，晶粒趨于多邊形，且碳化物顆粒均勻彌散分布在晶界和晶內(nèi)。從圖6 可以看出，隨著回火保溫時(shí)間的延長，碳化物以顆粒狀析出愈發(fā)明顯，規(guī)律與提高回火溫度相似?；鼗饻囟壬呋虮貢r(shí)間的延長，碳元素以碳化物顆粒析出，碳原子的固溶強(qiáng)化作用消失，強(qiáng)度降低，塑性和韌性得到改善；另一方面，隨著回火溫度的升高或保溫時(shí)間的延長，碳化物逐漸聚集并長大，對位錯(cuò)運(yùn)動的阻礙作用減弱，從而使強(qiáng)度降低，這兩方面綜合作用的結(jié)果，使材料的強(qiáng)度指標(biāo)隨著回火溫度的升高而下降，延伸率和沖擊功則變化不大。

圖3 回火溫度對強(qiáng)度、延伸率及沖擊功的影響

圖4 回火保溫時(shí)間對強(qiáng)度、延伸率及沖擊功的影響

圖5 不同回火溫度下試驗(yàn)鋼顯微組織

圖6 不同回火保溫時(shí)間下試驗(yàn)鋼顯微組織

3 現(xiàn)場試生產(chǎn)效果

25CrMoBVRE 試驗(yàn)鋼軋制成無縫管，通過調(diào)質(zhì)處理達(dá)到API Spec 5CT—2018 標(biāo)準(zhǔn)110 鋼級套管的技術(shù)要求，且375 ℃高溫屈服強(qiáng)度降幅不能超過10 %。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝研究結(jié)果，設(shè)定現(xiàn)場熱處理生產(chǎn)工藝為880 ℃淬火，保溫20 min，650 ℃回火，保溫60 min，淬火回火均采用步進(jìn)式加熱爐加熱，淬火后采用內(nèi)噴外淋水冷，回火后空冷，熱處理后的試驗(yàn)鋼抽取3 支試樣，頭尾常溫力學(xué)性能及350 ℃條件下屈服強(qiáng)度檢測結(jié)果見表3。

從表3 可見，試生產(chǎn)的鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足110 鋼級稠油熱采專用套管技術(shù)要求。

4 結(jié) 論

（1） 880 ℃淬火后的試驗(yàn)鋼，回火溫度提高40℃，屈服強(qiáng)度降低約120 MPa，抗拉強(qiáng)度降低約125 MPa，延伸率變化不明顯，沖擊功提高了30 J左右。回火保溫時(shí)間延長20 min，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略有下降，而延伸率及橫向沖擊功改善不明顯；

（2） 現(xiàn)場熱處理工藝采用880 ℃淬火，保溫20 min，650 ℃回火，保溫60 min 對試驗(yàn)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，試驗(yàn)鋼各項(xiàng)力學(xué)性能檢測結(jié)果滿足110 鋼級稠油熱采套管技術(shù)要求。

表3 現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能檢測結(jié)果