N80級石油套管用非調質鋼36Mn2V的研發和生產

李祥才，李維海，張 虎

（1.青島特鋼棒材所，山東青島266409；2.青島特鋼型材廠，山東青島266409）

0 引言

石油套管是支撐油井井壁的鋼管，其壽命往往直接決定了油井的壽命。由于以N80級為代表的石油套管能夠滿足深井、超深井、復雜結構井等高難度工藝井對石油套管的性能要求，因此其數量在不斷增加[1-5]。采用非調質管坯鋼制成的石油套管，成品無需熱處理，可直接使用，不但能節省能源，而且還可以減少生產工序，這既是石油套管用鋼的發展方向，也是未來其它鋼種的發展方向。近期我公司根據客戶要求首次開發生產了N80級石油套管用非調質管坯鋼36Mn2V，為了確保產品質量，技術人員對該鋼進行了全面檢驗。

1 生產工藝

N80級石油套管用非調質管坯鋼36Mn2V生產工藝為：LD（100 t）轉爐→LF（100 t）精煉爐→RH（100t）真空脫氣→CC連鑄→軋制，其中軋制工藝見表1。同時，為了保證圓鋼母材表面硬度不大于客戶要求（協議要求不大于220 HBW），軋制工藝采取圓鋼上冷床加蓋保溫罩、上冷床圓鋼之間不空齒進行生產。

表1 36Mn2V非調質管坯鋼軋制工藝 /℃

2 實物質量檢測

2.1 化學成分

Φ85 mm規格非調質管坯鋼36Mn2V共生產2批，約190 t，其化學成分見表2。

從成分化驗結果來看，青島特鋼生產的非調質管坯鋼36Mn2V主要化學成分和五大有害元素As、Sn、Bi、Pb、Sb 均滿足客戶要求。36Mn2V 鋼中含有一定量的V元素，V元素除了有固溶強化的作用外，還有細晶強化的作用，但V元素細晶強化必須要求鋼中含有一定量的C、N元素，以形成VC、VN、V（C、N）細小彌散顆粒，達到細晶強化的作用，才有助于36Mn2V鋼強度和沖擊韌性的提高，從而滿足36Mn2V非調質鋼性能的要求。36Mn2V鋼中已含有0.32～0.39%的C元素，可以滿足生成VC細小彌散顆粒，但為了同時能夠滿足鋼中能夠生成VN、V（C、N）細小彌散顆粒，要求鋼中也必須含有一定含量的N元素。因此在冶煉生產36Mn2V鋼時，決定在LF、RH冶煉過程使用氮氣代替氬氣作為提升氣，既希望鋼中N含量能夠滿足客戶要求（客戶要求N含量不大于80×10-6），同時也希望鋼中能夠加入了50×10-6～80×10-6的 N，以生成 VN、V（C、N）細小彌散顆粒，達到提高性能的目的。化學成分檢驗表明，所生產 2 爐鋼中的 N 含量分別為 77×10-6、75×10-6，既能滿足客戶協議要求，也滿足生產內控要求，說明生產過程在LF、RH冶煉過程使用氮氣代替氬氣作為提升氣達到了應有的增N效果。同時為了進一步細化晶粒、凈化鋼液、提高鋼的強度和沖擊韌性，36Mn2V鋼中還刻意加入了0.010%～0.020%含量的Al，通過Al和鋼中加入的N結合，形成AlN來釘扎晶界細化晶粒，進一步提高36Mn2V鋼的強度和沖擊韌性。另外研究表明[6-7]，當鋼中的Ti含量控制在0.010%～0.030%時，鋼中的Ti會和鋼中的C、N生成細小彌撒而不是大顆粒的TiC、TiN、Ti（C，N），細小彌散的TiC、TiN、Ti（C，N）會起到細化晶粒的作用，同時提高鋼的沖擊韌性和強度。另外，36Mn2V屬于高錳鋼，連鑄坯表面容易產生裂紋，而鋼中添加少量的Ti可以和鋼中的 C、N元素生成 TiC、TiN、Ti（C，N）細小顆粒細化晶粒，提高高溫塑性，最大程度地避免連鑄坯表面出現裂紋，為此在生產時特別在36Mn2V鋼中添加了0.010% ～0.020%的Ti。

表2 36Mn2V非調質管坯鋼主要化學成分/%

36Mn2V鋼之所以能夠稱之為非調質鋼，主要就是利用鋼中生成的 VC、VN、V（C、N）和 AlN、TiN、TiC、Ti（C，N）細小彌散顆粒通過細晶強化同時，提高母材的強度和沖擊韌性，以此來達到非調質鋼所要求的性能。因此，在36Mn2V鋼中添加0.010%～0.020%的 Al、50×10-6～80×10-6的 N、0.010%～0.020%的Ti，不但有助于細化36Mn2V鋼的晶粒度，而且有助于提高36Mn2V的強度和沖擊韌性。

2.2 氧氮氫含量分析

36Mn2V非調質管坯鋼O、N、H含量見表3。從表中可以看出，其O、H含量均較低，而N元素因為是刻意加入的，所以N含量稍微較高，但也能夠滿足客戶要求。

表3 O/N/H含量

2.3 奧氏體晶粒度

經檢驗，生產的2批36Mn2V奧氏體晶粒度均為9.0級，比客戶要求高4.0級。從前述分析得知，36Mn2V晶粒細小與鋼中添加的少量Ti、N、Al和鋼中的V元素密切相關

2.4 夾雜物檢驗

非金屬夾雜物檢驗結果見表4，均滿足客戶要求。

表4 36Mn2V非調質管坯鋼非金屬夾雜物檢驗結果/級

2.5 低倍檢驗

36Mn2V圓鋼低倍檢驗結果見表5。從客戶要求來看，客戶對低倍要求非常嚴格，但從檢驗結果看，青島特鋼生產的36Mn2V非調質管坯鋼低倍結果均滿足客戶要求。

表5 36Mn2V圓鋼低倍結果/級

2.6 表面硬度

客戶對36Mn2V母材有硬度要求（協議要求圓鋼表面硬度不大于220HBW）。為了滿足客戶硬度要求，生產上采取圓鋼上冷床加蓋保溫罩、上冷床圓鋼之間不空齒措施，以降低36Mn2V表面硬度。硬度檢測結果表明，Φ85mm規格36Mn2V圓鋼表面硬度滿足客戶要求。36Mn2V硬度檢測結果見表6。

表6 36Mn2V硬度檢測結果

2.7 熱頂鍛試驗

為了保證產品表面質量，對這2批Φ85 mm規格36Mn2V非調質管坯鋼分別取樣2塊做熱頂鍛檢驗，檢驗全部合格。熱頂鍛檢驗表明生產的Φ85 mm規格36Mn2V非調質管坯鋼表面質量較好。

3 結語

檢驗表明，青島特鋼應客戶要求開發的N80級石油套管用非調質管坯鋼36Mn2V，生產工藝合理，客戶要求的檢驗指標均能夠滿足客戶要求，且表面質量較好，用戶穿管后，在鋼管上取樣分別檢測拉伸和沖擊性能，發現拉伸和沖擊性能均滿足N80級石油套管性能要求，說明青島特鋼已經具備了生產N80級石油套管用非調質管坯鋼36Mn2V的能力。