N80膨脹管熱處理工藝研究

田小江 ，羅卓輝 ，馬佼佼 ，梁 航

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008;4.中國石油天然氣集團公司，北京100007）

0 前 言

膨脹管技術是近年發展起來的一項實用鉆井技術[1]，是21世紀石油天然氣工業中的關鍵性技術之一[2-3]。

我國對可膨脹管技術的研究起步較晚，1999年才開始對可膨脹割縫管進行研究，2001年開始對可膨脹管進行實體研究，但還僅停留在跟蹤國外技術階段[4-6]。

膨脹管是一種特殊的石油專用管，具有良好的塑形變形能力[7]，膨脹管在塑性變形區域內膨脹[8]，這就要求其材料在膨脹過程中應具有良好的塑性變形能力，沖擊韌性和抗腐蝕、磨損及斷裂等性能[9-11]。除了具備良好的膨脹性能（易膨脹性及膨脹過程均勻變形）外，須確保膨脹后達到API相應標準的其他性能要求[12]。為了得到高性能N80膨脹管材料，獲得軟硬相混合匹配的目標組織，在材料成分控制范圍、組織設計和工藝設計的基礎上[13-15]，改變熱處理工藝參數，使組織達到良好的匹配從而使性能達到設計要求。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料使用自主研發的膨脹套管卷板，通過HFW焊接和熱張減工藝等，得到準139.7mm×7.72 mm膨脹管管坯。對試驗管坯進行常規性能檢測取樣，不同檢測項目的取樣位置見表1。試樣化學成分檢測結果見表2。

表1 不同檢測項目的取樣位置

表2 化學成分 %

1.2 試驗方法

將管坯加工成L0=50 mm，b=12.7 mm的拉伸試樣，使用ZWICK 1200E型電子萬能試驗機進行拉伸性能試驗。用PSW750沖擊試驗機對試樣進行沖擊試驗。取金相試樣研磨，拋光后用4%的硝酸酒精浸蝕，用Olympus-PMG3型光學顯微鏡進行金相分析。用Durascan-70維氏硬度計測試管坯顯微硬度。然后，對管坯進行熱處理參數調節，在不同淬火、回火、回火時間下進行熱處理試驗。對熱處理后的管段取樣進行拉伸性能試驗，用S-3700N掃描電鏡進行組織形貌分析。

2 試驗結果和討論

2.1 管坯拉伸性能

管坯拉伸性能檢測結果見表3。試驗結果表明，盡管進行了熱張減加工工藝，但準139.7mm×7.72 mm管坯的強度指標僅達到API 5CT J55鋼的下限要求，未能達到API 5CT N80鋼的要求。要獲得N80膨脹管材料，需要對管坯進一步進行熱處理，以提高鋼的強度及性能。

表3 管坯母材縱向拉伸性能檢測結果

2.2 管坯沖擊韌性

母材及焊縫中心的沖擊韌性檢測結果見表4。

表4 管坯的沖擊韌性 （0℃全尺寸試樣沖擊功/J）

2.3 管坯金相組織

焊縫及母材的金相組織如圖1所示。由圖可見，微觀組織均為F+P，晶粒尺寸較為粗大，這是管材強度和韌性普遍不高的原因。

2.4 管坯顯微硬度

由表5可見，管坯熱張減工藝后，焊縫、母材和熱影響區的硬度基本一致。

隨后將熱張減管坯截成300 mm長的管段，進行了熱處理試驗，重點考核不同的熱處理工藝參數對管材顯微組織和力學性能的影響。

2.5 淬火溫度的影響

試驗選用四組不同的淬火溫度A1～A4，溫度逐次升高，之后在B℃同時進行回火，得到的金相組織如圖2所示，拉伸性能見表6。

圖1 焊縫及母材的金相組織

表5 管坯顯微硬度 HV10

圖2 不同淬火溫度下管坯的金相組織

可見，隨著淬火溫度的升高，析出的合金碳化物顆粒粗化較嚴重，影響了材料的均勻延伸率。因此，淬火溫度不宜太高。

表6 不同淬火溫度下管坯的拉伸性能

2.6 回火溫度的影響

試驗在A℃淬火，選用三組不同的回火溫度B1～B3，溫度逐次升高，回火時間相同。得到的顯微組織如圖3所示，拉伸性能見表7。可見，隨著回火溫度的升高，軟相鐵素體充分多邊形化，同時小顆粒合金碳化物溶解，大顆粒合金碳化物聚集球化，大小均勻且分布更彌散，提高了材料的均勻延伸率。因此，應選擇較高的回火溫度。

圖3 不同回火溫度下管坯的顯微組織

表7 不同回火溫度熱處理試樣的拉伸性能

2.7 回火時間的影響

試樣在A℃淬火后，在B℃分別回火保溫30min，60 min，120 min和240 min，立即空冷。得到的管坯拉伸性能見表8。

表8 不同回火時間熱處理試樣的拉伸性能

可見，隨著回火時間的延長，小顆粒合金碳化物溶解、大顆粒合金碳化物聚集粗化嚴重，由于軟相鐵素體多邊形化越充分，均勻延伸率較高、強度下降。因此，綜合考慮性價比，應選擇回火時間1 h左右。

3 結 論

（1）軟硬相組織的合理匹配是鋼管獲得可膨脹性能的關鍵。

（2）通過特殊熱處理工藝可以獲得以多邊形鐵素體為軟相、以馬氏體、合金碳化物或逆轉變奧氏體為硬相的雙相或者多相組織。其中，淬火、回火的溫度及其保溫時間的選擇對材料的組織性能均有較大的影響。

（3）形成了N80鋼膨脹管重要的熱處理工藝參數控制范圍，即 “淬火溫度 （略高于材料的Ac3轉變點）+回火溫度 （略低于 A1轉變點）”，通過該熱處理工藝可使得鋼管在滿足基本強度性能要求的同時，均勻延伸率還能穩定保持在9%以上的水平，實現良好的強塑性匹配。

[1]李鶴林.油井管發展動向及若干熱點問題[J].石油機械，2004，32（特刊）：1-5，11.

[2]CALES G L.The Development and Applications of Solid Expandable Tubular Technology [C]//Canadian International Petroleum Conference.Calgary，Alberta：Society of Petroleum Engineers，2003：134-136.

[3]GRANT T，BULLOCK M.The Evolution of Solid ExpandableTubularTechnology：LessonsLearnedOverFiveYears[C]//Offshore Technology Conference.Houston：Enventure Global Technology LLC，2005：17442-MS.

[4]李霄，豆峰，裴勇毅，等.可膨脹管技術及其管材性能[J].石油礦場機械，2005，34（04）：61-63.

[5]張全勝.套管膨脹過程數值模擬與試驗研究[J].石油礦場機械，2008，37（09）：68-70.

[6]劉金亭，劉榮志，黃遠濱.作業設備的技術現狀與發展趨勢[J].石油礦場機械，2008，37（08）：94-98.

[7]畢宗岳，李遠征，韋奉，等.γ+α兩相區熱處理對膨脹管材組織性能的影響[J].焊管，2013，36（02）：10-13.

[8]馬建民，劉智飛，劉永紅.新型可膨脹低碳雙相合金鋼管材[J].石油礦場機械，2009，38（07）：20-23

[9]韓會全，劉炎春，張弛，等.兩相區熱處理對不同初始組態鋼板組織性能的影響[J].東北大學學報：自然科學版，2008，29（03）：379-342.

[10]李作會.膨脹管關鍵技術研究及首次應用[J].石油鉆采工藝，2004，26（03）：17-19.

[11]孟慶昆.可膨脹套管技術概述 [J].鉆采工藝，2003，26（04） ： 67-68.

[12]韋奉，畢宗岳，張峰，等.膨脹套管的研究現狀[J].鋼管，2013，42（01）：6-10.

[13]API SPEC 5CT：2012，套管和油管規范[S].

[14]李濤，陳強，韓偉業，等.膨脹管抗外壓強度試驗研究[J].石油機械，2012，40（09）：12-14.

[15]韋奉，畢宗岳，李遠征，等.國產 80鋼級SEW膨脹管實物試驗研究[J].鋼管，2014，43（03）：34-38.