擠壓及斜軋L80-13Cr無縫管工藝對比分析

供稿|龐于思，張亞彬，邵海麗，劉靜，王連華，王宏偉 / PANG Yu-si, ZHANG Ya-bin, SHAO Hai-li,LIU Jing, WANG Lian-hua, WANG Hong-wei

內(nèi)容導(dǎo)讀

L80-13Cr鋼管是一種耐蝕性相對較高的不銹鋼石油管材，在濕潤C(jī)O2腐蝕環(huán)境的油氣井以及海洋油氣開采中得到廣泛應(yīng)用。其生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多不足和缺陷。本文通過介紹采用擠壓工藝和AR斜軋工藝制造L80-13Cr無縫鋼管的特點(diǎn)以及對比分析兩種工藝生產(chǎn)的L80-13Cr無縫管的尺寸精度、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、硬度、沖擊功、金相組織及腐蝕等因素，為生產(chǎn)L80-13Cr無縫鋼管提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

L80-13Cr不銹鋼是一種耐蝕性相對較高的石油管材，主要是靠添加12%～14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Cr來提高材料的耐CO2腐蝕性能[1-2]，是濕潤C(jī)O2環(huán)境下使用的油井管的代表產(chǎn)品。此外L80-13Cr不銹鋼具有良好的耐海水腐蝕，使之成為海洋油氣開采中的常用鋼材[3-8]，因而被各大油氣田所使用。L80-13Cr是一種石油油井管用鋼，目前已基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，在國內(nèi)，塔里木、勝利等油田已經(jīng)在一些含CO2的油氣井中使用了L80-13Cr材料的油套管以確保油氣井的安全[9-11]。

L80-13Cr采用美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品已列入API Spec 5CT“套管和油管規(guī)范”。L80-13Cr為馬氏體不銹鋼，通過熱處理可以調(diào)整其力學(xué)性能，通俗地說，L80-13Cr是一類可硬化的不銹鋼，其化學(xué)成分要求見表1。

L80-13Cr已基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在許多不足或缺陷，需進(jìn)一步加強(qiáng)管材成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等[12]。管材質(zhì)量除了取決于材料成分與冶金質(zhì)量之外，還與微觀組織密切相關(guān)，而塑性變形和熱處理工藝直接影響著材料的微觀組織。新興鑄管股份有限公司可以根據(jù)市場需求采用熱擠壓和斜軋兩種成型方式生產(chǎn)L80-13Cr無縫管，以滿足不同產(chǎn)品規(guī)格及客戶的要求。

表 1 API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

熱成型裝備

擠壓設(shè)備

最大擠壓力：6300 t；坯料最大單重：1.5 t；坯料最大長度：1.3 m；坯料最大外徑：435 mm；成品最大外徑：325 mm；成品最大長度：20 m。

斜軋?jiān)O(shè)備

斜軋機(jī)型：219 Accu Roll機(jī)組；坯料最大單重：1.4 t；坯料最大長度：4.6 m；坯料最大外徑：220 mm；成品最大外徑：219 mm；成品最大長度：18 m。

工藝流程

熱擠壓工藝流程

擠壓整體流程為：坯料檢驗(yàn)→機(jī)加工→預(yù)熱→感應(yīng)加熱→潤滑→擴(kuò)孔→感應(yīng)加熱→潤滑→擠壓→切管→酸洗→熱處理→矯直→切管→酸洗→修磨→探傷→終檢→噴標(biāo)→包裝入庫。

擠壓工藝：金屬熱擠壓是將空心坯料放入擠壓筒中，將芯棒穿入坯料內(nèi)孔，芯棒與模子間形成環(huán)形間隙，在坯料后端施加壓力，使金屬從該環(huán)形間隙中流出而形成所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加工方法[13]，尺寸是由模子和芯棒共同決定的。熱擠壓示意圖見圖1。

圖 1 鋼管熱擠壓示意圖

斜軋工藝流程

斜軋工藝流程為：坯料檢驗(yàn)→分切→加熱→穿孔→軋管→定徑→空冷→矯直→熱處理→矯直→切管→酸洗→修磨→探傷→終檢→噴標(biāo)→包裝入庫。

斜軋工藝：金屬斜軋是圓管坯進(jìn)入軋輥后，一方面被金屬與軋輥之間的摩擦力帶動，作反軋輥旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)，同時由于軋輥軸線對管坯軸線(軋制軸線)有一傾角(前進(jìn)角)，管坯又沿軸向移動，故呈螺旋運(yùn)動[14]。穿孔工序是將實(shí)心的管坯穿成空心的毛管，再經(jīng)過AR斜軋工序軋制成控制壁厚的荒管尺寸，最后經(jīng)過定減徑軋制成需要的成品外徑。鋼管斜軋示意圖見圖2。

圖 2 鋼管斜軋示意圖

金屬形變對比分析

擠壓與軋制(縱軋、斜軋)生產(chǎn)方法相比，擠壓法的特點(diǎn)是金屬在變形過程中受到三向壓應(yīng)力[13]。三向應(yīng)力之所以可以提高被擠壓材料的塑性，歸納起來主要原因是：

(1)三向壓應(yīng)力狀態(tài)能遏制晶間相對移動，阻止晶間變形；

(2)三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于消除由于塑性變形所引起的各種破壞；

(3)三向壓應(yīng)力狀態(tài)能使金屬內(nèi)某些夾雜物的危害程度大為降低；

(4)三向壓應(yīng)力狀態(tài)可以抵消或減小由于不均勻變形而引起的附加應(yīng)力，從而減輕了附加應(yīng)力所造成的破壞作用；

(5)在強(qiáng)烈的三向應(yīng)力作用下金屬晶粒被破碎，原來較大的晶粒擠壓后變成為等軸細(xì)晶粒組織，因而提高了強(qiáng)度。

擠壓形變以三向壓應(yīng)力變形為主，在這種最佳狀態(tài)下，金屬密實(shí)性好，組織均勻，可以獲得較好的內(nèi)外表面質(zhì)量、金相組織和性能。而斜軋?jiān)诜墙饘賷A雜物聚集的地方，如大的中心疏松、非金屬夾雜物集聚或存在放射狀裂紋、不足的壓縮比和殘余的鑄造組織，都會使金屬塑性降低，容易產(chǎn)生管坯中心破裂，而形成內(nèi)折缺陷[15]。且斜軋?jiān)诿苌先舸嬖谝恍┤毕荩?jīng)過后面的工序也很難消除或者減輕。

產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)對比分析

產(chǎn)品表面質(zhì)量對比

根據(jù)金屬形變特點(diǎn)，擠壓使13Cr金屬受三向壓應(yīng)力，可以充分發(fā)揮金屬的高溫塑性變形條件，使表面受力均勻，質(zhì)量較好，見圖3。而AR斜軋使13Cr金屬受拉、壓應(yīng)力，以及剪切應(yīng)力作用，使金屬表面受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)斜向微裂紋，見圖4。由于內(nèi)表面缺陷不易觀察，所以采用液體滲透探傷(PT)進(jìn)行分析。從PT的結(jié)果上看，擠壓管表面未發(fā)現(xiàn)缺陷，見圖5。斜軋管出現(xiàn)了缺陷，為點(diǎn)狀內(nèi)翹皮缺陷，見圖6，需要內(nèi)磨去除缺陷。

尺寸檢測對比

根據(jù)斜軋金屬變形和流動的特點(diǎn)，鋼管表面易出現(xiàn)外螺旋道[15]，即指表面呈螺旋狀壁厚不均現(xiàn)象。斜軋鋼管時，變形區(qū)金屬會產(chǎn)生附加軸向剪切變形，荒管壁厚越薄，產(chǎn)生的彎曲變形越大，金屬的變形量越大，橫向?qū)挾纫苍酱?，在輥縫處易形成堆積，降低荒管壁厚精度。另外，斜軋管壁厚均勻性差不多和整個工藝過程都有關(guān)，根據(jù)變形特點(diǎn)，不如擠壓工序壁厚均勻性好。擠壓管橢圓度平均為0.64 mm，斜軋管橢圓度平均為0.7625 mm，兩者相差不多，擠壓管略優(yōu)。擠壓管偏壁量平均為0.675 mm，斜軋管偏壁量平均為0.985 mm，擠壓管偏壁量明顯較小，壁厚更加均勻。

圖 3 擠壓管表面質(zhì)量

圖 4 斜軋管表面質(zhì)量

圖 5 擠壓管內(nèi)表面PT探傷圖片

理化性能檢測對比

13Cr擠壓管和斜軋管調(diào)質(zhì)處理后分別從頭、中、尾各取300 mm長的樣環(huán)，經(jīng)過鋸、車、銑等方式加工出拉伸樣、硬度樣和沖擊功樣，并進(jìn)行了檢測分析。

圖 6 斜軋管內(nèi)表面PT探傷圖片

(1)力學(xué)性能。

擠壓及斜軋管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2，擠壓管頭、中、尾抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率波動較小，性能均勻一致；斜軋管頭、中、尾屈服強(qiáng)度和延伸率波動比擠壓管略大，13Cr擠壓管和斜軋管兩種生產(chǎn)方式的產(chǎn)品性能均符合API 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。

表 2 擠壓及斜軋管力學(xué)性能檢測結(jié)果數(shù)據(jù)對比

(2)硬度。

擠壓及斜軋管硬度檢測結(jié)果見表3，擠壓管和斜軋管同一象限內(nèi)、中、外層硬度偏差基本都在1 HRC范圍內(nèi)，偏差較小，但斜軋管各部位四象限硬度偏差略大，均勻性不如擠壓管好。

(3)沖擊功。

兩種工藝的13Cr管材縱向沖擊功基本一致，但采用擠壓工藝的管材橫向沖擊功明顯要比斜軋管的高。這說明采用擠壓工藝生產(chǎn)的13Cr金屬組織更加致密和均勻。

金相組織對比

(1)擠壓管組織。

13Cr擠壓管內(nèi)、中、外層組織分布一致，均為回火索氏體，且組織粒度均勻細(xì)小，不同方向組織及晶粒度分布均勻，從組織上看13Cr擠壓管的物理性能內(nèi)、中、外一致，金相圖見圖7。

表 3 擠壓及斜軋管硬度檢測數(shù)據(jù)對比(四象限硬度, HRC)

(2)斜軋管組織。

13Cr斜軋管金相圖見圖8，可以看出斜軋金相組織內(nèi)、中、外差別較大，內(nèi)、中為具有馬氏體位相的回火索氏體，內(nèi)層分布有少量針狀馬氏體位相，中層針狀馬氏體位相含量較高，外層回火索氏體中無針狀馬氏體位相存在。13Cr斜軋管材內(nèi)、中、外層組織差別較大，從物理性能方面來看，不如擠壓管均勻。

圖 7 擠壓管：(a)內(nèi)層組織；(b)中層組織；(c)外層組織

圖 8 斜軋管：(a)內(nèi)層組織；(b)中層組織；(b)外層組織

腐蝕檢測對比

依據(jù)ASTM G48“用氯化鐵溶液測定不銹鋼和相關(guān)合金點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的試驗(yàn)方法”A法——三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)對13Cr管材進(jìn)行點(diǎn)腐蝕速率檢測。試驗(yàn)溶液為6% FeCl3溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，試驗(yàn)溫度為22 ℃，試驗(yàn)時間24 h。13Cr擠壓管和斜軋管腐蝕速率檢測結(jié)果見表4。擠壓管腐蝕速率平均為0.032 g?cm?2?h?1，斜軋管腐蝕速率平均為0.040 g?cm?2?h?1，結(jié)果表明，采用擠壓工藝生產(chǎn)的管子腐蝕速度更低，優(yōu)于斜軋工藝生產(chǎn)的管子。

表 4 腐蝕速率檢測結(jié)果

結(jié)束語

(1)擠壓L80-13Cr無縫管的變形特點(diǎn)優(yōu)于斜軋工藝，擠壓管表面質(zhì)量較好，斜軋管容易出現(xiàn)表面斜向微裂紋，且經(jīng)過酸洗后容易暴露在表面。

(2)擠壓管橢圓度和斜軋管橢圓度相差不多，擠壓管略優(yōu)。擠壓管偏壁量平均為0.675 mm，斜軋管偏壁量平均為0.985 mm，擠壓管偏壁量明顯較小，壁厚更加均勻。

(3)擠壓管和斜軋管調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能、硬度、沖擊等性能均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)，擠壓管性能更均勻。

(4)擠壓管和斜軋管調(diào)質(zhì)后金相組織，擠壓管的內(nèi)、中、外組織基本一致，斜軋管的內(nèi)中外組織有一定差異。

(5)擠壓管點(diǎn)腐蝕速率平均為0.032 g?cm?2?h?1，斜軋管點(diǎn)腐蝕速率平均為0.040 g?cm?2?h?1，擠壓管的耐點(diǎn)蝕性能更優(yōu)。