經(jīng)均質(zhì)處理的連續(xù)油管性能試驗研究

張雅麗，董 健，段建良，劉志坤，高潤秋，鄭士晶，宋煥鵬

(信達科創(chuàng)(唐山)石油設(shè)備有限公司 河北 唐山 063000)

0 引 言

連續(xù)油管的材料是低碳合金鋼，具有較好的撓性，又稱撓性油管，單根長度可以達到數(shù)千米。連續(xù)油管主要用于油田修井、測井、鉆井、完井等作業(yè)，工作過程中需承受反復(fù)彎曲和多次塑性變形，因此連續(xù)油管應(yīng)具有較高的疲勞強度和較長的使用壽命。單根連續(xù)油管長達數(shù)千米，是將鋼帶端部通過焊接方式連接在一起，焊接方式采用45°斜焊縫，所以對焊接接頭的質(zhì)量就提出了更加嚴格的要求，焊接接頭的質(zhì)量和性能與焊接組織形態(tài)有著密切的關(guān)系[1]，因此改善焊接接頭組織形態(tài)具有重要意義，如何通過熱處理獲得組織均勻的連續(xù)油管是目前亟待解決的問題。

連續(xù)油管上的斜焊縫和縱焊縫由于焊接時的高溫加熱，改變了原母材組織的形態(tài)，常規(guī)的熱處理工藝是為了消除焊接和成型過程中的殘余應(yīng)力，而本試驗研究使用連續(xù)式加熱爐、淬火裝置及中頻熱處理設(shè)備生產(chǎn)制造了一種組織均勻的超高強度連續(xù)油管。

1 連續(xù)油管試驗樣品情況

試驗選取用于制造CT90，Φ50.8 mm×4.4 mm連續(xù)油管的鋼帶，用試驗設(shè)備 Labspark1000 直讀光譜儀對鋼帶進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。用萬能試驗機JB-120A對鋼帶材料進行拉伸試驗，力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2。用YJ-2000光學(xué)金相顯微鏡對鋼帶的材料進行金相分析，其金相組織如圖1所示。用G-300鋸床將試驗選取的鋼帶按照角度為45°的斜角進行分割，分割后長度約為2 m的鋼帶樣品是35個，長度約為20 m的鋼帶樣品是3個。用等離子斜焊接工藝將長度為2 m的鋼帶樣品連接成一體，然后卷成管狀，用激光焊接工藝制成連續(xù)油管。

表1 鋼帶樣品化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 鋼帶樣品力學(xué)性能

圖1 鋼帶樣品材料的金相組織

常規(guī)熱處理工藝是連續(xù)油管在縱焊縫經(jīng)過模擬正火后，對連續(xù)油管進行回火熱處理以達到所需要的性能。均質(zhì)處理工藝是連續(xù)油管在縱焊縫經(jīng)過模擬正火后，使連續(xù)油管勻速通過退火爐使其組織完全奧氏體化，退火爐實行分段加熱，依次為分段預(yù)熱區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，分段預(yù)熱區(qū)是為了加快連續(xù)油管的升溫過程，使連續(xù)油管受熱更加均勻，保證在穩(wěn)定區(qū)達到Ac3以上30～50 ℃并保溫一段時間，實現(xiàn)全部奧氏體化，然后進行淬火處理，淬火后勻速通過中頻線圈進行快速回火處理，不同回火溫度處理后，分別得到ST125T和ST140T超高強度連續(xù)油管，熱處理工藝如圖2所示。

圖2 熱處理工藝圖

2 試驗項目及結(jié)果

2.1 金相組織試驗

在未進行熱處理的試驗用連續(xù)油管的斜焊縫部位取橫向金相試樣，該金相試樣經(jīng)過研磨、剖光后，用4%的硝酸酒精溶液對其進行腐蝕，用YJ-2000光學(xué)金相顯微鏡分析其焊縫及熱影響區(qū)的金相組織，熱影響區(qū)的過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全結(jié)晶區(qū)和回火區(qū)及焊縫的金相組織如圖3所示。圖3(a)的焊縫區(qū)為粗大的貝氏體[2-3]。圖3(b)的過熱區(qū)為粒狀貝氏體及塊狀和長條狀鐵素體上分布著碳化物，同時塊狀鐵素體之間分布著針狀鐵素體。圖3(c)的正火區(qū)為均勻的多邊形鐵素體。圖3(d)的不完全結(jié)晶區(qū)為細小的鐵素體及粗大鐵素體的混合組織。圖3(e)的回火區(qū)為條帶狀鐵素體和珠光體。

圖3 未經(jīng)熱處理的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織

圖4為未進行熱處理的試驗用連續(xù)油管縱焊縫部位的不同區(qū)域的金相組織。圖4(a)焊縫和圖4(b)熱影響區(qū)的過熱區(qū)均為粗大的貝氏體。圖4(c)熱影響區(qū)的正火區(qū)是多邊形鐵素體和少量的珠光體。圖4(d)熱影響區(qū)的不完全重結(jié)晶區(qū)為鐵素體和珠光體。圖4(e)熱影響區(qū)的回火區(qū)為鐵素體和珠光體。

圖4 未經(jīng)熱處理的連續(xù)油管縱焊縫部位的金相組織

對一段試驗用連續(xù)油管進行常規(guī)熱處理，常規(guī)熱處理后的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織如圖5所示，常規(guī)熱處理后的連續(xù)油管縱焊縫的金相組織如圖6所示。從圖5和圖6可見，特影響區(qū)的正火區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和回火區(qū)為均勻的鐵素體，圖5(f)為母材的金相組織，在經(jīng)過常規(guī)熱處理后為帶狀鐵素體和珠光體。

對一段試驗用連續(xù)油管進行均質(zhì)處理，均質(zhì)處理后的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織如圖7所示，均質(zhì)處理后的連續(xù)油管縱焊縫部位的金相組織如圖8所示。常規(guī)熱處理的目的是為了消除冶金危害及消除應(yīng)力[4]，均質(zhì)處理改善了組織的不均勻性，使焊縫組織和熱影響區(qū)組織發(fā)生了細化。焊縫、熱影響區(qū)的各區(qū)域及母材的金相組織均為回火索氏體組織，回火索氏體組織是鐵素體與粒狀碳化物的混合物，在常溫下是一種平衡組織，具有良好的塑性和韌性，同時具有較高的強度，因此具有較好的綜合力學(xué)性能[5-7]。

圖5 常規(guī)熱處理的連續(xù)油管斜焊縫部位金相組織

圖6 常規(guī)熱處理的連續(xù)油管縱焊縫部位金相組織

圖7 均質(zhì)處理的連續(xù)油管斜焊縫部位及母材金相組織

圖8 均質(zhì)處理的連續(xù)油管縱焊縫部位金相組織

2.2 力學(xué)性能試驗

在未熱處理、常規(guī)熱處理和均質(zhì)處理的連續(xù)油管上分別截取3個長度為450 mm的全管體拉伸試樣，試樣形貌如圖9所示。用JB/WAW-600D萬能試驗機對拉伸試樣進行拉伸試驗，拉伸試驗結(jié)果見表3和表4。從表3和表4可見，常規(guī)熱處理的連續(xù)油管強度等級達到CT90，而通過均質(zhì)處理工藝獲得的超高強度連續(xù)油管強度等級達到了ST125T或者ST140T。有斜焊縫的全管體試樣的屈服強度和抗拉強度近似于無斜焊縫全管體試樣的屈服強度和抗拉強度。

圖9 全管體拉伸試樣

表3 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管無斜焊縫試樣拉伸試驗結(jié)果

表4 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管斜焊縫試樣拉伸試驗結(jié)果

依據(jù)ASTM A370-2020《Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products》標準對未熱處理連續(xù)油管與ST125T連續(xù)油管進行夏比V型缺口吸收能的斷裂韌性試驗，試樣取自距焊縫周向90°的位置，取縱向試樣，試樣規(guī)格為3.3 mm×10 mm×55 mm，試驗在0 ℃的溫度下進行，試驗結(jié)果見表5。表5的試驗結(jié)果表明，ST125T連續(xù)油管的斷裂吸收能低于未熱處理連續(xù)油管的斷裂吸收能。ST125T連續(xù)油管的斷裂吸收能與未熱處理連續(xù)油管的斷裂吸收能對比結(jié)果如圖10所示。

表5 夏比V型缺口試驗結(jié)果

圖10 夏比沖擊斷裂吸收能對比

在CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管上分別取樣進行硬度試驗，硬度試驗結(jié)果見表6。

表6 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度試驗結(jié)果 HV

從表6可見，CT90的焊縫及熱影響區(qū)因為存在貝氏體組織使其硬度高于母材的硬度，但其硬度值均低于248 HV。均質(zhì)處理后的焊縫、熱影響區(qū)與母材均為回火索氏體組織，均質(zhì)處理的連續(xù)油管平均硬度值低于280 HV或者330 HV。CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖11所示。

圖11 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度數(shù)據(jù)對比

2.3 疲勞性能試驗

疲勞試驗應(yīng)在盤卷之前所截取試樣上進行，試樣長度為1.5 m，循環(huán)彎曲半徑為1 219.2 mm(48 in)，內(nèi)壓為35 MPa，疲勞試驗機如圖12所示。CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管的疲勞試驗結(jié)果見表7。從表7可見，ST125T和ST140T的連續(xù)油管的疲勞壽命是高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，同時中間位置帶有斜焊縫試樣的平均疲勞次數(shù)占無斜焊縫試樣的平均疲勞次數(shù)的百分比由78%增加到92%，常規(guī)熱處理工藝減少了降低疲勞性能的脆性成分，焊縫組織的均勻性提高了連續(xù)油管的疲勞壽命[8]。

圖12 疲勞試驗機

表7 CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管疲勞試驗結(jié)果

2.4 高溫高壓腐蝕試驗

對ST125T和CT90連續(xù)油管進行高溫高壓腐蝕試驗，取環(huán)形試樣，測試環(huán)境為5%的氯化鈉溶液和CO2氣體，測試壓力為3.45 MPa(500 psi)，試驗溫度為120 ℃，試驗周期96 h，ST125T和CT90連續(xù)油管的高溫高壓腐蝕試驗結(jié)果見表8。

由表8可以看出，CT90焊縫的平均腐蝕速率高于母材的平均腐蝕速率，而經(jīng)均質(zhì)處理工藝處理的ST125T連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。

表8 CT90與ST125T連續(xù)油管高溫高壓腐蝕試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果綜合分析

將用于制造CT90，Φ50.8 mm×4.4 mm連續(xù)油管的鋼帶焊接成連續(xù)油管后，分別進行常規(guī)熱處理、均質(zhì)處理兩種不同的熱處理工藝，并與沒有進行熱處理的連續(xù)油管進行對比試驗。鋼帶間的斜焊縫、連續(xù)油管的縱焊縫在三種不同試驗條件下的金相組織試驗結(jié)果表明，連續(xù)油管焊接時在斜焊縫和縱焊縫的焊縫及熱影響區(qū)都會產(chǎn)生粗大的貝氏體組織，常規(guī)熱處理后焊縫及熱影響區(qū)的粗大貝氏體仍然存在，并不能改善焊縫、熱影響區(qū)及母材組織間的均勻性，均質(zhì)處理后連續(xù)油管的焊縫、熱影響區(qū)及母材均為回火索氏體，金相組織是均勻形態(tài)。

通過對試驗用連續(xù)油管進行力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)熱處理工藝獲得CT90連續(xù)油管，均質(zhì)處理在淬火后采用不同的回火溫度分別獲得ST125T和ST140T連續(xù)油管，屬于超高強度連續(xù)油管，因為連續(xù)油管存在斜焊縫，使存在斜焊縫的連續(xù)油管拉伸試樣延伸率出現(xiàn)了降低，但屈服強度和抗拉強度近似于沒有斜焊縫的連續(xù)油管的屈服強度和抗拉強度。將均質(zhì)處理獲得的ST125T連續(xù)油管與沒有進行熱處理的連續(xù)油管進行夏比V型缺口試驗對比，發(fā)現(xiàn)ST125T連續(xù)油管的平均斷裂吸收能為49.7 J，低于沒有進行熱處理的連續(xù)油管的平均斷裂吸收能53.3 J，說明在提高強度的同時保證了連續(xù)油管的韌性。將均質(zhì)處理獲得的ST125T和ST140T超高強度連續(xù)油管與常規(guī)熱處理獲得的CT90連續(xù)油管進行硬度試驗和疲勞性能試驗對比，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)處理后的超高強度連續(xù)油管硬度值明顯增加，CT90連續(xù)油管的最大硬度值為245.7 HV，ST125T和ST140T超高強度連續(xù)油管的最大硬度值分別為273.0 HV和325.1 HV。ST125T和ST140T超高強度連續(xù)油管的疲勞壽命明顯高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，將中間位置帶有斜焊縫的疲勞試樣的平均疲勞次數(shù)占無斜焊縫疲勞試樣的平均疲勞次數(shù)的百分比由78%提高至92%。CT90連續(xù)油管與ST125T超高強度連續(xù)油管的高溫高壓腐蝕試驗對比結(jié)果為，ST125T超高強度連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。從以上試驗結(jié)果可以看出均質(zhì)處理后獲得了均勻回火索氏體組織，回火索氏體是鐵素體與粒狀碳化物的混合物，在常溫下是一種平衡組織，具有良好的塑性和韌性，同時具有較高的強度，因此具有較好的綜合力學(xué)性能，與常規(guī)熱處理獲得的連續(xù)油管的綜合性能進行對比，均質(zhì)處理的超高強度連續(xù)油管的綜合性能得到了顯著提高[9-10]。

4 結(jié) 論

1)均質(zhì)處理后連續(xù)油管的焊縫、熱影響區(qū)及母材均為回火索氏體。

2)均質(zhì)處理工藝使連續(xù)油管強度達到ST125T或ST140T，該ST125T或ST140T連續(xù)油管具有較好的綜合力學(xué)性能。

3)均質(zhì)處理的ST125T和ST140T的連續(xù)油管的疲勞壽命高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，均質(zhì)處理的ST125T連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。