兩次調質對170 ksi超高強度石油套管組織和力學性能的影響

張　旭，王　鑫，李恒政，扈　立，王　正（.天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津30030；.重慶科技學院油氣儲運級3班，重慶4033）

兩次調質對170 ksi超高強度石油套管組織和力學性能的影響

張旭1，王鑫2，李恒政1，扈立1，王正1
（1.天津鋼管集團股份有限公司技術中心，天津300301；
2.重慶科技學院油氣儲運12級3班，重慶401331）

[摘要]針對一次調質處理很難達到170 ksi鋼級套管對超高強度及韌性的問題，研究了兩次調質對套管組織和力學性能的影響。結果表明：兩次調質較一次調質顯著提高了屈服強度和抗拉強度以及沖擊韌性，強韌性達到170ksi鋼級套管的要求，細化了組織和晶粒度，基體及晶界上析出的碳化物更加彌散和細小。

[關鍵詞]兩次調質；力學性能；組織；晶粒度；碳化物

1　引言

隨著我國能源需求的快速增長，國家加大了對地質條件復雜區塊的開發，西部區塊油氣藏埋藏深，其超深復雜井況對套管的綜合力學性能提出了更高的要求，尤其是提高了套管對超高強度和高韌性的要求。要求屈服強度不小于1 172 MPa，抗拉強度不小于1 241 MPa，橫向全尺寸沖擊不小于60 J，縱向全尺寸沖擊不小于80 J。普通API鋼級套管的力學性能指標達不到要求，因此，需要開發更高鋼級（170 ksi）的油氣井用套管。本文在鋼種化學成分不變的情況下，通過改變熱處理工藝制度獲得良好的綜合力學性能，達到170 ksi鋼級套管對強度和和韌性的要求。

2　試驗材料和方法

試驗材料選用覬196.85×12.70 mm熱軋無縫鋼管。化學成分（ωt%）C：0.20%～0.30%；Si：0.15%～0.45%；Mn：0.5%～2.0%；Cr：0.5%～1.8%；Mo：0.3%～1.2%。

從軋態無縫鋼管上制取6個小樣，經過一次調質、兩次調質（采用箱式電阻爐按照表1制度熱處理），研究不同熱處理制度對微觀組織和力學性能的影響。熱處理后，進行鋸切、制樣，在萬能拉伸試驗機上進行拉伸試驗，在沖擊試驗機上進行0℃沖擊試驗，通過光學顯微鏡進行金相觀察，借助掃描電鏡進行高倍下的微觀組織分析。

3　試驗結果及分析

表1　熱處理制度

圖1　不同試驗狀態下的組織和晶粒度（OM）100×

3.1顯微組織

由圖1可見，一次調質處理的組織為回火索氏體，晶粒度8.5級；而兩次調質后的組織同樣為回火索氏體，但是組織明顯變得更加細小、均勻，由圖1（d）更可以明顯的看出，兩次調質處理后的晶粒度為10.5級，顯著高于一次調質處理的晶粒度，晶粒的細化將會帶來材料的強度和韌性的提高。

3.2力學性能

表2為按照表1進行熱處理后的試驗結果，1#、2#、3#為一次調質后的強韌性指標，4#、5#、6#為兩次調質處理后強韌性指標，兩次調后的綜合力學性能優于一次調質。由表2和圖1可見，一次調質處理后的強韌性指標低于170 ksi鋼級套管的要求，兩次調質處理后的屈服強度和抗拉強度較一次調質有大幅度提高，屈服強度提高了59 MPa，抗拉強度提高了46 MPa，一次調質和兩次調質的屈強比分別為0.94和0.95，二者的屈強比相同；同時，縱向沖擊值和橫向沖擊值均有較大幅度的提高，縱向沖擊值提高了46 J，橫向沖擊值提高了22 J，尤其是剪切比，一次調質狀態下，縱向和橫向斷口剪切面積百分比均小于100%，存在一部分脆性準解理面積，而兩次調質后，縱向和橫向斷口剪切面積百分比均為100%，為全韌性斷口，斷口形貌為韌窩。

表2　不同試驗狀態下的力學性能

3.3沖擊斷口形貌

將一次調質和兩次調質處理后的縱向和橫向沖擊試樣進行0℃沖擊試驗，在掃描電鏡下觀察沖擊斷口的低倍和高倍形貌。由圖3可見，經過一次調質工藝處理，低倍下觀察，縱向和橫向沖擊斷口分別帶有一部分準解理，將其在高倍下放大，可以清晰看到準解理斷口形貌，且在準解理當中還夾雜著少量韌窩。經過兩次調質處理后，低倍下縱向和橫向沖擊斷口為完全的韌窩斷口，任意區域高倍下放大后，為完全的韌窩狀，且韌窩較大較深，韌性更好。經過兩次調質處理后，沖擊試樣斷裂方式由脆性斷裂轉變為韌性斷裂，斷口形貌由準解理轉變為大而深的韌窩，這是沖擊值和剪切比提高的重要原因。

4　分析討論

4.1兩次調質對組織和力學性能的影響

兩次調質處理細化了組織，提高了綜合力學性能，這是由于一次調質析出的碳化物可以作為再次奧氏體化時有利形核位置，淬火時切變轉變過程中，又可以充當位錯增值源，使淬火組織具有高密度位錯，增加了奧氏體化時形核位置以及形核數量，細化了奧氏體晶粒度，第二次淬火后得到更加細小的組織，提高了淬火后套管的強度。

回火過程中增加了碳化物形核的位置，如圖4所示，兩次調質處理后，晶界和晶內析出的碳化物更多，且更加細小，分布更加均勻。碳化物析出的同時也降低了基體合金元素含量，韌化了基體，提高了析出強化效果，以彌補固溶強化效果的損失，這與相關文獻報道一致[1]，即兩次調質使基體中的合金元素降低，起到二次硬化作用的碳化物含量增加，得到均勻、細小的碳化物顆粒。兩次調質處理后，通過相變強化和析出強化提高了材料的強度，并在一定程度上韌化了基體，提高了材料的韌性。

4.2兩次調質對晶粒細化的機理分析

圖2　力學性能與熱處理工藝的關系

圖3　不同熱處理制度下的沖擊斷口形貌（SEM）

晶界是位錯運動主要障礙之一，晶粒越細，晶界越多，對位錯的阻礙作用越明顯，強度越高；同時晶粒細化使材料受到外力發生塑性變形時，可以分散到更多的晶粒，減少了變形時的應力集中形成微觀裂紋的危險，進而提高了材料的塑性及韌性，細晶強韌化是提高強度和韌性最為有效的手段。

根據霍爾-佩奇（Hall-petch）公式[2]，細小的組織和晶粒度決定兩次處理后鋼管具有更加優異的綜合力學性能：

式中，σ為屈服強度；σ0為位錯在單晶體中移動阻力；d為晶粒直徑；k為晶界障礙強度系數。

圖4　不同熱處理制度下的碳化物析出物形貌（SEM）

晶粒細化的重要原因是第二次奧氏體化時奧氏體發生自發再結晶。馬氏體的結構缺陷遺傳給了奧氏體，第一次回火處理破壞了馬氏體條的位相關系，在馬氏體板條邊界及板條內析出了大量細小的碳化物，均勻的分布在分布在鐵素體中，形成索氏體組織，索氏體組織繼承了大量馬氏體組織的結構缺陷[3]，索氏體組織及晶界上存在大量位錯、空位、夾雜物等缺陷，這些晶體缺陷成為奧氏體再結晶形核的有利位置，如鐵素體和碳化物界面、合金元素的碳氮化物、位錯纏結處等。這些有利的形核位置為形成細小的奧氏體晶粒創造了條件。

奧氏體自發再結晶驅動力是內硬化[4]。加熱時鐵素體轉變為奧氏體時，相變引起的體積變化（組織應力）和熱應力，使鋼得到了內硬化。這種內硬化產生的應變能，成為奧氏體發生自發再結晶的儲能，即自發再結晶驅動力。因此，兩次調質后形成了更加細小的組織和晶粒度。

5　結論

兩次調質提高了套管的強度和沖擊韌性，達到170ksi鋼級套管的要求。屈服強度提高了59 MPa，抗拉強度提高了46 MPa，縱向沖擊值提高了46 J，橫向沖擊值提高了22 J，斷口由非全韌性斷口轉變為全韌性斷口。兩次調質細化了組織和晶粒度，晶粒度由8.5級提高到10.5級。兩次調質增加了碳化物析出數量，析出的碳化物更加細小，彌散。

參考文獻

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[3]李陽華，趙延闊，武岳，等.回火溫度對超高強高韌V150套管組織性能的影響[J].中南大學學報（自然科學版），2012，43（6）：2 134-2 135.

[4]林昭淑.鋼的組織遺傳性[J].湖南大學學報，1985，12（4）：76- 77.

Influence of Two Times Hardening and Tempering on Structure and Mechanical Property of 170ksi Ultra High Strength Oil Casing

ZHANG Xu1, WANG Xin2, LI Heng-zheng1, HU Li1and WANG Zheng1
(1.Technology Center of Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China;
2.Chongqing University Of Science & Technology, Chongqing 401331, China)

AbstractSince it is difficult to reach the ultra high strength and toughness of 170ksi graded oil casing by one time hardening and tempering, the influence of two times hardening and tempering on the structure and mechanical property of the oil casing is studied. Compared with one time process, two times hardening and tempering remarkably improves yield strength, tensile strength and impact toughness. The high toughness meets the requirement by 170 ksi graded oil casing. The structure and grain are refined and the carbide precipitating from base and boundary, more disperse and finer.

Key wordstwo times hardening and tempering; mechanical property; structure; grain size; carbide

作者簡介：張旭（1984—），男，碩士，工程師，主要從事油井管開發方面的研究工作。

收稿日期：2015- 01- 10修回日期：2015- 01- 30

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.003