超級13Cr油管鋼的顯微組織與力學性能

蘇國錦, 徐藹彥, 王海博, 王紅江, 劉西西

(1.中海油田服務股份有限公司, 天津 065200； 2.西安三維應力工程技術有限公司, 西安 710061)

隨著油田勘探開發的迅速發展，深井、高溫井、高壓井、非常規井、富含腐蝕介質的油氣井越來越多，常規的油套管材料已經無法滿足大多數油氣井的使用要求[1]。為了保證生產的安全與高效，強度高、低溫韌性及耐腐蝕性能良好的油管鋼在油氣田的開采過程中得到了廣泛的應用[2-4]。

國內外專家學者們開展了大量有關油管鋼失效原因和機理的研究，主要集中在材料、腐蝕及密封方面[4-7]。然而，由于油田現場工況的復雜性和多變性，有些理論研究尚未形成共識，許多問題還需要進一步研究和深入探討分析,并且關于油管鋼顯微組織及力學性能的研究還較少[8-9]。基于此，筆者對某廠生產的超級13Cr油管鋼的力學性能和顯微組織進行了試驗與分析，其結論對超級13Cr油管鋼的生產及油田油套管材料的選用具有指導意義。

1 試驗材料與方法

試驗采用某廠生產的規格為φ114.30 mm×12.70 mm的超級13Cr油管鋼，其化學成分(質量分數/%)為0.022C，0.289Si，0.346Mn，0.015P，0.004S，13.428Cr，5.018Ni，2.029Mo，0.026Nb，0.063V，0.004Ti，0.074Cu(其余為Fe)。生產過程中的熱處理工藝為：采用整管油淬(960 ℃，30 min)+高溫回火(700 ℃，60 min)的調質工藝，確保性能穩定；采用連續式氮氣保護光亮爐，確保性能均勻；矯直后采用高溫退火工藝，確保殘余應力最小。

從該超級13Cr油管鋼管體截取金相試樣，經打磨并拋光，苦味酸浸蝕后，采用光學顯微鏡，依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》分析其顯微組織；依據GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》評定其晶粒度。采用示波沖擊試驗機，按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》測試該超級13Cr油管鋼在不同溫度下的沖擊吸收能量(試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口)。采用拉伸試驗機，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行拉伸試驗。采用洛氏顯微硬度計，依據GB/T 230.1-2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》測試管體內表面、外表面和壁厚中間的硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為超級13Cr油管鋼的顯微組織形貌，可見其顯微組織為回火馬氏體+少量長條狀δ鐵素體(δ-Fe)，晶粒度等級為9級。由圖1 b)可見馬氏體主要呈伸長的條狀，條與條之間呈現出小角度，這種小角度的晶界不易腐蝕，因而該超級13Cr油管鋼具有較好的耐腐蝕性能。測得該超級13Cr油管鋼的δ鐵素體含量高達1.21%(面積分數)，δ鐵素體可導致沖擊試樣裂紋快速擴展，使該超級13Cr油管鋼的沖擊性能降低；其晶粒等級較高，晶粒較細，具有更好的強化作用，有利于提高該超級13Cr油管鋼的強度。

圖1 超級13Cr油管鋼的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of the super 13Cr tubing steel: a) at low magnification; b) at high magnification

2.2 沖擊韌性

不同溫度下，該超級13Cr油管鋼的示波沖擊力-位移曲線如圖2所示。由圖2可知，在100 ℃和50 ℃時超級13Cr油管鋼的示波沖擊曲線與GB/T 19748-2019《金屬材料 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗 儀器化試驗方法》中F型相似。溫度在常溫(23 ℃)及以下時的沖擊曲線，可見明顯的不穩定裂紋擴展特征。對比-90，-60，-10 ℃下的示波沖擊曲線，可見溫度越低，不穩定裂紋擴展特征出現得越早，因此溫度越低，斷口表面脆性特征的比例越大。

圖2 不同溫度下超級13Cr油管鋼的示波沖擊力-位移曲線Fig.2 Oscillographic impact force-displacement curves of the super 13Cr tubing steel at different temperatures

由示波沖擊力-位移曲線提取的不同溫度下超級13Cr油管鋼的試驗特征值見表1，可見不同溫度下的沖擊吸收能量均滿足技術要求。隨著溫度的升高，裂紋形成能量基本不變，裂紋擴展能量增大，裂紋擴展能量占沖擊總能量的66%左右，沖擊吸收能量增大，剪切斷面率增大，沖擊吸收能量和剪切斷面率增大趨勢基本一致；-90 ℃時，沖擊吸收能量為158 J，仍然滿足技術協議要求；100 ℃時，沖擊吸收能量達到221 J。這說明隨著溫度的升高，金屬原子間結合力越小，超級13Cr油管鋼的沖擊韌性增大，沖擊開裂敏感性降低。

表1 不同溫度下超級13Cr油管鋼示波沖擊特征值Tab.1 Characteristic values of oscilloscopic impact of the super 13Cr tubing steel at different temperatures

2.3 拉伸性能

該超級13Cr油管鋼的室溫拉伸性能見表2，可見其屈服強度、抗拉強度分別為823 MPa和936 MPa，屈強比為0.88，斷后伸長率為28.5%。這說明該材料的抗變形能力較強，塑性較好，拉伸性能滿足技術要求。

表2 超級13Cr油管鋼的室溫拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of the super 13Cr tubing steel

2.4 洛氏硬度

該超級13Cr油管鋼的室溫洛氏硬度見表3，可見硬度平均值約為29.4 HRC，壁厚中間部位的硬度較外壁和內壁的稍高，不同象限的硬度基本一致，硬度測試結果滿足技術要求。

表3 超級13Cr油管鋼的硬度Tab.3 Hardness of the super 13Cr tubing steel HRC

2.5 疲勞性能

該超級13Cr油管鋼的疲勞性能見表4，一般情況下，鋼的疲勞壽命要求是107次，該超級13Cr油管鋼當使用應力低于550 MPa時，一般不會發生疲勞斷裂，當高于550 MPa時就會發生疲勞斷裂，其疲勞強度為550 MPa。

表4 超級13Cr油管鋼的疲勞性能Tab.4 Fatigue properties of the super 13Cr tubing steel

3號試樣的疲勞斷口形貌如圖3所示。圖3 a)為斷口整體形貌，從左至右分別為裂紋源區、裂紋擴展區、瞬斷區，可見其放射線清晰，瞬斷區沿旋轉方向偏轉則是因為擴展速率不一致導致的。在旋轉彎曲條件下疲勞微裂紋形成后，裂紋擴展過程中試樣在旋轉，載荷向軸旋轉方向移動，疲勞裂紋沿順載荷移動方向擴展快，逆載荷移動方向擴展慢。圖3 b)為裂紋源區，疲勞裂紋萌生于試樣表面，可見疲勞輝紋。圖3 c)為裂紋擴展區，可以看到準解理微觀斷裂特征，平臺上有一些放射狀臺階區及河流花樣，并存在二次裂紋，為典型的脆性斷口形貌；緩慢擴展區較平坦，有比較明顯的放射狀條紋，即貝紋線特征，裂紋擴展方向與紋路方向平行，由表面向內部呈放射狀擴展。圖3 d)為瞬斷區，可見明顯的韌窩形貌，表明材料韌性較好。

圖3 3號試樣疲勞斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fatigue fracture of the sample 3:a) overall morphology; b) crack source zone; c) crack propagation zone; d) instantaneous fracture zone

3 結論

(1) 按前述熱處理條件下研制出的超級13Cr油管鋼的顯微組織為回火馬氏體+少量長條狀δ鐵素體，晶粒度為9級。

(2) 在-90～100 ℃時，該超級13Cr油管鋼的沖擊吸收能量隨溫度升高而增大，裂紋擴展能量、剪切斷面率都隨之升高，而沖擊開裂敏感性降低；-90 ℃低溫下的沖擊吸收能量(158 J)也能滿足技術要求。室溫下，超級13Cr油管鋼的屈服強度為823 MPa，抗拉強度為936 MPa，硬度為29.4 HRC，均滿足技術要求。

(3) 該超級13Cr油管鋼的疲勞強度為550 MPa。