穿越用高韌性V150 鋼級鉆桿管體的研究

劉聰

（渤海石油裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

V150 鋼級作為已經(jīng)投用的最高鋼級油井管，得到了油井管行業(yè)內(nèi)重點關(guān)注與開發(fā)，已經(jīng)有廠家開發(fā)出高韌性V150鋼級油井管，V150 鋼級套管在使用中由于沖擊韌性不足等引發(fā)了質(zhì)量問題，在API 5CT 標準中已經(jīng)取消，但是在DS-1標準中仍然有V150 鋼級鉆桿。

中石油管道局穿越分公司已經(jīng)采用V150 鋼級鉆桿進行管道穿越施工作業(yè)，并采用該鋼級鉆桿創(chuàng)造了多項穿越施工世界紀錄。該V150 鋼級鉆桿為第一機械廠2011 年開始研究開發(fā)的高新產(chǎn)品，經(jīng)過這兩年的改進，在滿足V150 鋼級要求的情況下，提高了管體沖擊韌性，20℃、7.5x10mm 沖擊功達到90J 以上，在穿越施工現(xiàn)場應(yīng)用2 年多以來沒有發(fā)生因產(chǎn)品本身導致的質(zhì)量問題。

1 V150 鋼級標準

鉆桿業(yè)基本采用美國石油協(xié)會的鉆桿規(guī)范，最新版本為ANSI/API Spec 5DP—2009 標準（簡稱API 5DP—2009）第1 版，該標準沒有V150 鋼級。DS-1TM標準（鉆井用管材產(chǎn)品規(guī)范）第三版中標重鉆桿管體、厚壁鉆桿管體均有V150 鋼級，該標準對拉伸性能（表1）、夏比V 形缺口縱向沖擊共（表2）進行了規(guī)定。

表1 DS-1 標準對鉆桿拉伸的要求

表2 DS-1 標準對夏比V 形缺口縱向沖擊功的要求 J

2 鉆桿管體用鋼、實驗設(shè)備

國內(nèi)鉆桿用管多采用天津某鋼管公司生產(chǎn)的無縫鋼管，本次公司和該鋼管公司合作開發(fā)V150 鋼級鉆桿管體。該公司用于高鋼級鉆桿的材料（S135）常用的27CrMo44、28CrMo47、24CrMo45V 等鋼種，單純通過降低回火溫度可以達到150Ksi 屈服強度要求，但是沖擊韌性將下降，見圖1，這種產(chǎn)品已經(jīng)證明會出現(xiàn)質(zhì)量問題。對此，針對V150 鋼級，在已經(jīng)應(yīng)用的高韌性S135 材料24CrMo45V 材料上進行開發(fā)出新材料，通過調(diào)整合金元素的方案提高產(chǎn)品的強度和韌性。

圖1 24CrMo45V 性能

鋼種技術(shù)方案為：

（1）提高鉬元素含量：鉬元素是碳化物形成元素，在合金鋼種可以提高鋼的硬度，可以起到抑制回火脆性，細化晶粒的作用有利于改善鋼的韌性。

（2）降低錳元素含量：降低錳元素可以減少鋼的回火敏感性，提高鋼的韌性，也有利于后續(xù)與鉆桿接頭的摩擦壓接焊。

（3）改進釩元素含量：釩元素能夠細化晶粒度，提高提高合金鋼的強度和韌性，還具有提高回火穩(wěn)定性的作用。

通過以上思路，設(shè)計出高韌性V150 鋼級用無縫鋼管用鋼，產(chǎn)品牌號為24CrMo45V。

將無縫鋼管兩端加厚成型制成鉆桿管體，隨后進行鉆桿管體熱處理。熱處理爐采用蓄熱式步進式熱處理爐，淬火機為臺架式淬火機。熱處理工藝采用淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)熱處理。

熱處理試驗用管規(guī)格為Φ168.3mm×10.92mm，熱處理試驗后依據(jù)API 5DP 標準進行加工取樣。拉伸試樣：管體條形W=25.4±1.575(mm)，標距G=50.0±0.10(mm)；夏比沖擊試樣：管體7.5×10×55mm。

拉伸試驗機：WES-600，沖擊試驗：ZBC2752N-3，晶粒度和組織分析：OLYMPUS GX-51 金相顯微鏡。

3 熱處理工藝方案

在車間生產(chǎn)時，在保證淬透的前提下，主要通過回火溫度的變動來調(diào)整管體性能符合要求。本文采用僅改變回火溫度的技術(shù)方案進行研究，擬定技術(shù)方案見表3。

表3 熱處理工藝方案

4 鉆桿管體性能

試驗時每3 支管體為一組進行，圖2 所示分別為在不同工藝方案下管體屈服強度、夏比沖擊功（7.5×10mm）。

圖2 在不同回火溫度下管體性能

進一步分析可知，對于該鋼種，當回火溫度低于660℃時，屈服強度滿足V150 鋼及要求；當回火溫度超過660℃時，屈服強度不合格并且有明顯的下降趨勢。對于沖擊韌性，當回火溫度小于660℃時，產(chǎn)品的韌性值較低；當回火溫度大于660℃時，韌性呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

綜合比較相關(guān)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)方案三（回火溫度660℃）屈服強度、沖擊韌性比較理想，將方案三作為批量生產(chǎn)時的方案。

5 生產(chǎn)時鉆桿管體性能

采用方案三，制定出生產(chǎn)工藝，并進行了多個批次的生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)格為Φ168.3mm×10.92mm，長度8900±100mm，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4。

分析表中數(shù)據(jù)可以看出，生產(chǎn)的機械性能符合V150 技術(shù)要求，沖擊韌性能夠達到90J 以上。

在管體熱處理方案實施過程中，對淬火、回火后管體金相組織進行了分析，照片如圖3 所示。淬火后的管體金相組織為95%以上的馬氏體組織（圖3a）；回火后的管體金相均能達到95%以上的回火索氏體組織（圖3b），晶粒度在9 級以上。

6 討論與分析

6.1 產(chǎn)品設(shè)計性能

高韌性V150 鋼級鉆桿管體產(chǎn)品主要性能指標是沖擊韌性。通過開發(fā)的鋼種，配合合理的熱處理方式能夠達到高強度與高韌性匹配的效果，管體生產(chǎn)性能滿足客戶要求。

6.2 生產(chǎn)中遇到問題

采用該材料已經(jīng)生產(chǎn)V150 鋼級鉆桿管體1000 噸左右，產(chǎn)品全部應(yīng)用于穿越施工，在西氣東輸二線南昌—上海支干線林頭村撫河、贛江兩項穿越工程中均取得了良好的效果。V150 鋼級強度高，屈服強度上下限范圍僅有月100MPa，生產(chǎn)中出現(xiàn)3 個批次強度不合格，2 次超上限，1 次低于下限，生產(chǎn)中不易控制。穿越施工和石油鉆井作業(yè)還有一些不同點，穿越施工對鉆桿的最小屈服強度有限制，對屈服上限沒有要求，反而希望能夠承受的拉力越大越好，V150 鋼級的屈服強度范圍還可以進一步探討。

表4 V150 鋼級生產(chǎn)機械性能

圖3 管體熱處理后的金相組織

7 結(jié)語

通過化學成分設(shè)計，開發(fā)出了應(yīng)用于V150 鋼級的鋼種，配合合理的熱處理工藝開發(fā)成功V150 鋼級鉆桿管體，該產(chǎn)品有以下特點：

（1）V150 鋼 級 鉆 桿 管 體 沖 擊 韌 性 好，-20 ℃、7.5×10mm 可以達到90J 以上，滿足了高韌性鉆桿的要求。

（2）V150 鋼級鉆桿管體回火溫度660℃比較理想。