29Mn5 調(diào)質(zhì)P110 鋼級(jí)套管熱處理工藝的研究應(yīng)用

郭海明，侯小振，冉 旭

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001）

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油工業(yè)用鋼不斷增加，石油管服役條件越來(lái)越惡劣，對(duì)油井管特別是石油套管的性能提出了更高要求［1-3］。特別是隨著石油開(kāi)采的深度不斷增加，當(dāng)井深達(dá)到5 000～6 000 m，通常選用P110 鋼級(jí)［4-5］套管，作為中高級(jí)套管，其具備較好的綜合性能。

API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》（第 10 版）對(duì)P110 鋼級(jí)石油套管的熱處理方式和性能有明確要求：采用調(diào)質(zhì)生產(chǎn)，屈服強(qiáng)度758～965 MPa，抗拉強(qiáng)度≥862 MPa，全尺寸0 ℃橫向沖擊功≥20 J，伸長(zhǎng)率根據(jù)外徑和壁厚確定。國(guó)內(nèi)外企業(yè)在選材上也有所不同，大致分為碳錳系、鉻鉬系、錳鉬系和鉻錳系，隨著鋼管行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，通過(guò)降低鋼種合金成分同時(shí)確保性能滿(mǎn)足要求來(lái)降低企業(yè)生產(chǎn)成本的呼聲日趨高漲，其中某公司采用30MnCr22代替 30CrMnMo 生產(chǎn) P110 鋼級(jí)來(lái)降低生產(chǎn)成本［6］。本文通過(guò)碳錳系29Mn5 鋼的熱處理性能試驗(yàn)，探討實(shí)現(xiàn)P110 鋼級(jí)的低合金生產(chǎn)的可行性。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

29Mn5 材質(zhì)選擇主要是碳錳系添加少量合金元素。C 可以提高淬透性和強(qiáng)度，但是容易引起淬火裂紋和變形的問(wèn)題，大部分企業(yè)為了確保其各方面質(zhì)量，C 含量基本控制在0.35%以下；Si 和Mn 都是提高強(qiáng)度最有效且經(jīng)濟(jì)的元素，Mn 對(duì)晶界的催化危害比Si 小，出于成本考慮采用多Mn 少Si，同時(shí)要考慮Mn 較高時(shí)，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆性敏感度［7-8］；同時(shí)降低P、S 元素的含量，以減少夾雜對(duì)鋼脆性的影響［9］。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)且降低成本，提高鋼管的淬火能力和綜合性能，少量添加Al 和B，可以起到明顯的細(xì)化晶粒提高其綜合性能的作用。

試驗(yàn)材料取自熱軋后的29Mn5 材質(zhì)石油套管，規(guī)格為Φ244.48 mm×11.99 mm，采用Salinger Feld 44D 直讀光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。其化學(xué)成分滿(mǎn)足API Spec 5CT（第10 版）要求。

表1 29Mn5 鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)設(shè)備

圖1 所示為29Mn5 鋼的CCT 曲線(xiàn)，可以得到Ac1為 712 ℃，Ac3為 813 ℃，Ms為 386 ℃，Mf為239 ℃，馬氏體的臨界冷速為60 ℃/s。根據(jù)CCT曲線(xiàn)和工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，制定小爐子試驗(yàn)方案：在 Φ244.48 mm×11.99 mm 鋼管上取 4 個(gè)長(zhǎng)度為500 mm 的試樣，將其中2 個(gè)試樣按軸向等分成4部分。在不同淬火溫度880 ℃、920 ℃下保溫15 min，然后在20～40 ℃水槽中水淬，隨后在不同回火溫度500 ℃、515 ℃、530 ℃、545 ℃下保溫30 min，出爐空冷。對(duì)淬火硬度、顯微組織、拉伸性能、伸長(zhǎng)率、沖擊性能、缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析。根據(jù)小爐子試驗(yàn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定P110（29Mn5）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行批量試生產(chǎn)，并對(duì)試生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行拉伸、沖擊性能檢測(cè)分析。

試驗(yàn)淬火爐為箱式爐SX2-16-12TP，溫度100～1 200 ℃；回火爐為SX2-18-14TP，溫度100～1 400℃?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)為步進(jìn)式熱處理爐，淬火爐溫度800～1 050 ℃，回火爐溫度 400～750 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬透性及分析

API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)中提到：50%馬氏體的硬度最小值計(jì)算公式HRCmin=52w（C）+21；90%馬氏體的硬度最小值計(jì)算公式HRCmin=58w（C）+27；95%馬氏體的硬度最小值計(jì)算公式HRCmin=59w（C）+29。根據(jù)C 含量0.27%，計(jì)算獲得95%馬氏體硬度最小值為44.9 HRC。P110（29Mn5）淬火硬度試驗(yàn)值見(jiàn)表2。從表2 可以看出，采用880 ℃和采用920 ℃淬火，均能得到95%以上馬氏體組織。

圖1 29Mn5 鋼CCT 曲線(xiàn)

表2 P110（29Mn5）淬火硬度試驗(yàn)值

采用880 ℃淬火后硬度值比920 ℃淬火后硬度值高，主要是由于淬火溫度過(guò)高引起。原始奧氏體晶粒尺寸VD主要與淬火溫度［10］和保溫時(shí)間有關(guān)。

式中 D0—— 常數(shù)；

Q —— 激活能，J；

k —— 玻爾茲曼常數(shù)，1.380 649×10-23J/K；

T —— 淬火加熱溫度，K。

隨著淬火溫度的升高，晶粒逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)固溶在α 鐵素體中的C 元素和合金元素增加，增加了α 鐵素體的晶格畸變，由于晶粒尺寸對(duì)性能的影響相對(duì)于C 和合金元素固溶強(qiáng)化作用較弱，淬火后硬度隨著淬火溫度的增加而增加。但是隨著淬火溫度進(jìn)一步增加，會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶?？焖匍L(zhǎng)大，而此時(shí)C 和合金元素的固溶強(qiáng)化遠(yuǎn)低于晶粒長(zhǎng)大對(duì)性能的影響，導(dǎo)致硬度隨著淬火溫度增加而降低，通常情況下淬火溫度為Ac3+30～50 ℃，淬火溫度可以隨著合金元素增加適當(dāng)提高，但是淬火溫度設(shè)定過(guò)高反而引起晶粒粗大，這種粗大現(xiàn)象對(duì)回火后的性能產(chǎn)生影響。

880 ℃和920 ℃淬火金相組織如圖2 所示，其淬火后組織均為馬氏體+少量鐵素體，920 ℃淬火后馬氏體條狀較大，而880 ℃淬火后馬氏體條狀短小分散，主要是淬火溫度過(guò)高，導(dǎo)致奧氏體晶粒較大，并且淬火冷卻后會(huì)反映到低溫馬氏體組織上。

圖2 不同淬火溫度淬火組織

2.2 試驗(yàn)性能及分析

采用880 ℃淬火和920 ℃淬火，隨后在500～545 ℃回火，均能得到滿(mǎn)足性能要求的P110 鋼級(jí)，其中伸長(zhǎng)率是標(biāo)準(zhǔn)的1.39～1.65 倍，沖擊韌性是標(biāo)準(zhǔn)的2.7～3.4 倍，塑性余量較大，具體見(jiàn)表3。確保屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度處于P110 鋼級(jí)性能要求范圍的中間值，采用880 ℃淬火和920 ℃淬火熱處理理想工藝為：①淬火880 ℃、保溫15 min+回火530 ℃、保溫30 min；②淬火920 ℃、保溫15 min+回火515 ℃、保溫30 min。采用相同的回火溫度，880 ℃淬火與920 ℃淬火對(duì)比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本都偏高，主要是由于淬火溫度較高導(dǎo)致奧氏體晶粒較大，致使綜合性能下降。相同淬火溫度，隨著回火溫度從500 ℃增加到545 ℃，屈服強(qiáng)度分別降低了120 MPa 和134 MPa，屈服強(qiáng)度按照2.7 MPa/℃，3 MPa/℃速率下降；抗拉強(qiáng)度分別降低了108 MPa和128 MPa，抗拉強(qiáng)度按2.4 MPa/℃和2.8 MPa/℃速率下降；伸長(zhǎng)率和沖擊韌性的變化不明顯。以上性能隨溫度變化的速率規(guī)律的研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝的調(diào)整具有一定的指導(dǎo)作用。

表3 不同溫度參數(shù)調(diào)質(zhì)工藝處理后鋼管機(jī)械性能性能數(shù)據(jù)

不同工藝參數(shù)調(diào)質(zhì)處理后試樣的金相組織如圖3 所示，調(diào)質(zhì)后組織為回火索氏體+少量鐵素體。性能的變化主要是由于微觀(guān)組織隨著溫度變化引起的，隨著加熱溫度的增加，原子的擴(kuò)散能力得到提高，α 鐵素體中固溶的碳元素和合金元素析出動(dòng)力和析出量都會(huì)增加，碳原子的固溶強(qiáng)化作用不斷降低。同時(shí)，回火過(guò)程中析出的合金碳化物不斷聚集并長(zhǎng)大，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減弱，從而降低了材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度［11-13］。

2.3 探傷缺陷及分析

采用880 ℃淬火+535 ℃回火工藝和采用920℃淬火+535 ℃回火工藝分別對(duì)500 mm 試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)，再采用濕磁粉對(duì)P110 鋼級(jí)Φ244.48 mm×11.99 mm 規(guī)格不同工藝試驗(yàn)樣進(jìn)行探傷。對(duì)采用淬火920 ℃+回火535 ℃調(diào)質(zhì)工藝處理后的試樣進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，在鋼管內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)存在縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)度 35～250 mm，深度為 1～2 mm，如圖4（a）所示。對(duì)采用淬火880 ℃+回火535 ℃調(diào)質(zhì)工藝處理后的試樣進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)存在裂紋。從圖4（b）中可以看出裂紋與鋼管橫截面基本垂直，開(kāi)口較窄，在徑向上較深，尾部呈彎曲尖細(xì)狀態(tài)，裂紋兩側(cè)沒(méi)有明顯的脫碳現(xiàn)象，未經(jīng)過(guò)高溫氧化，是典型的淬火裂紋特征［14］。920 ℃淬火鋼管出現(xiàn)裂紋主要是由于淬火溫度過(guò)高，水淬過(guò)冷度增加，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力都同時(shí)得到增加。同時(shí)，淬火溫度升高，出現(xiàn)晶粒偏大，整體晶界數(shù)量降低，裂紋擴(kuò)展的阻力降低的趨勢(shì)，有利于裂紋的形成和快速開(kāi)裂。

圖3 不同工藝參數(shù)調(diào)質(zhì)處理后試樣的金相組織

圖4 920 ℃淬火裂紋

3 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)及結(jié)果分析

根據(jù)小爐子試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)采用淬火（870～890 ℃）+回火（530～550 ℃）調(diào)質(zhì)P110 鋼級(jí)Φ244.48 mm×11.99 mm 套管，具體工藝控制參數(shù)見(jiàn)表4。

按照API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)涉及到熱處理始、中、末的9 支鋼管取樣進(jìn)行縱向拉伸性能和沖擊性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。為了確保鋼管整體性能檢測(cè)的均勻性，在10 m 長(zhǎng)度鋼管上距離噴水端 0，2，4，6，8，10 m 位置取 300 mm 長(zhǎng)樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

從表5 可以看出，現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn) P110 鋼級(jí)Φ244.48 mm×11.99 mm 規(guī)格套管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性均滿(mǎn)足API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求。屈服強(qiáng)度波動(dòng)為48 MPa，距標(biāo)準(zhǔn)上限的余量約70 MPa；抗拉強(qiáng)度波動(dòng)39 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值高60 MPa；屈強(qiáng)比在0.91～0.93；伸長(zhǎng)率是標(biāo)準(zhǔn)要求的1.4 倍以上；沖擊性能是標(biāo)準(zhǔn)要求的3 倍以上?，F(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)的綜合性能較好，機(jī)械性能、沖擊值波動(dòng)較小且均有較大余量，可以較大范圍調(diào)整回火溫度得到良好的綜合性能，滿(mǎn)足API標(biāo)準(zhǔn)要求。現(xiàn)場(chǎng)淬火（880 ℃、步進(jìn)周期55 s）+回火（540 ℃、步進(jìn)周期55 s）工藝生產(chǎn)與小爐子淬火（880 ℃、保溫 15 min）+回火（535 ℃、保溫 30 min）工藝試驗(yàn)機(jī)械性能、沖擊值基本相同，現(xiàn)場(chǎng)回火溫度高于實(shí)驗(yàn)室回火溫度主要與現(xiàn)場(chǎng)水淬環(huán)境、爐子保溫方式不同有關(guān)。鋼管全長(zhǎng)的機(jī)械性能滿(mǎn)足API Spec 5CT（第10 版）標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)控制要求，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率波動(dòng)分別為29 MPa、26 MPa 和3.4%，全長(zhǎng)的均勻性較好，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。2019 年采用29Mn5 調(diào)質(zhì)P110 生產(chǎn)Φ114.3～339.72 mm×6.35～13.84 mm 規(guī)格套管共15 000 t 以上，產(chǎn)品性能均符合API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求。跟蹤近一年交付P110 鋼級(jí)29Mn5 材質(zhì)鋼管驗(yàn)收使用情況，反饋驗(yàn)收完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求且使用質(zhì)量良好。

表4 29Mn5 調(diào)質(zhì)P110 鋼級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)工藝參數(shù)

表5 P110 鋼級(jí)Φ244.48 mm×11.99 mm 規(guī)格套管拉伸、沖擊性能檢測(cè)結(jié)果

圖5 P110 鋼級(jí) Φ244.48 mm×11.99 mm 規(guī)格套管全長(zhǎng)機(jī)械性能

4 結(jié) 論

（1） 采用 C-Mn 系 29Mn5 鋼淬火（920，880 ℃，保溫15 min）+回火（500～545 ℃，保溫 30 min）工藝可以獲得滿(mǎn)足API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求的P110 鋼級(jí)石油套管，機(jī)械性能隨回火溫度的升高而下降。

（2） 采用920 ℃淬火會(huì)導(dǎo)致晶粒較大，水淬過(guò)程相變應(yīng)力和熱應(yīng)力都較大，易產(chǎn)生淬火裂紋。

（3） 現(xiàn)場(chǎng)采用淬火（870～890 ℃、步進(jìn)周期 55 s）+回火（530～550 ℃、步進(jìn)周期 55 s）工藝生產(chǎn)出的石油套管機(jī)械性能和沖擊值波動(dòng)較小且余量較大，符合API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求。