29Mn5 調質P110 鋼級套管熱處理工藝的研究應用

郭海明，侯小振，冉 旭

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

隨著石油工業的發展，石油工業用鋼不斷增加，石油管服役條件越來越惡劣，對油井管特別是石油套管的性能提出了更高要求［1-3］。特別是隨著石油開采的深度不斷增加，當井深達到5 000～6 000 m，通常選用P110 鋼級［4-5］套管，作為中高級套管，其具備較好的綜合性能。

API Spec 5CT《套管和油管規范》（第 10 版）對P110 鋼級石油套管的熱處理方式和性能有明確要求：采用調質生產，屈服強度758～965 MPa，抗拉強度≥862 MPa，全尺寸0 ℃橫向沖擊功≥20 J，伸長率根據外徑和壁厚確定。國內外企業在選材上也有所不同，大致分為碳錳系、鉻鉬系、錳鉬系和鉻錳系，隨著鋼管行業競爭日趨激烈，通過降低鋼種合金成分同時確保性能滿足要求來降低企業生產成本的呼聲日趨高漲，其中某公司采用30MnCr22代替 30CrMnMo 生產 P110 鋼級來降低生產成本［6］。本文通過碳錳系29Mn5 鋼的熱處理性能試驗，探討實現P110 鋼級的低合金生產的可行性。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

29Mn5 材質選擇主要是碳錳系添加少量合金元素。C 可以提高淬透性和強度，但是容易引起淬火裂紋和變形的問題，大部分企業為了確保其各方面質量，C 含量基本控制在0.35%以下；Si 和Mn 都是提高強度最有效且經濟的元素，Mn 對晶界的催化危害比Si 小，出于成本考慮采用多Mn 少Si，同時要考慮Mn 較高時，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆性敏感度［7-8］；同時降低P、S 元素的含量，以減少夾雜對鋼脆性的影響［9］。為了簡化設計且降低成本，提高鋼管的淬火能力和綜合性能，少量添加Al 和B，可以起到明顯的細化晶粒提高其綜合性能的作用。

試驗材料取自熱軋后的29Mn5 材質石油套管，規格為Φ244.48 mm×11.99 mm，采用Salinger Feld 44D 直讀光譜儀檢測其化學成分，檢測結果見表1。其化學成分滿足API Spec 5CT（第10 版）要求。

表1 29Mn5 鋼的化學成分（質量分數） %

1.2 試驗方案與試驗設備

圖1 所示為29Mn5 鋼的CCT 曲線，可以得到Ac1為 712 ℃，Ac3為 813 ℃，Ms為 386 ℃，Mf為239 ℃，馬氏體的臨界冷速為60 ℃/s。根據CCT曲線和工廠現場生產情況，制定小爐子試驗方案：在 Φ244.48 mm×11.99 mm 鋼管上取 4 個長度為500 mm 的試樣，將其中2 個試樣按軸向等分成4部分。在不同淬火溫度880 ℃、920 ℃下保溫15 min，然后在20～40 ℃水槽中水淬，隨后在不同回火溫度500 ℃、515 ℃、530 ℃、545 ℃下保溫30 min，出爐空冷。對淬火硬度、顯微組織、拉伸性能、伸長率、沖擊性能、缺陷進行檢測分析。根據小爐子試驗和生產現場實際情況，制定P110（29Mn5）現場生產工藝進行批量試生產，并對試生產結果進行拉伸、沖擊性能檢測分析。

試驗淬火爐為箱式爐SX2-16-12TP，溫度100～1 200 ℃；回火爐為SX2-18-14TP，溫度100～1 400℃。現場生產為步進式熱處理爐，淬火爐溫度800～1 050 ℃，回火爐溫度 400～750 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 淬透性及分析

API Spec 5CT 標準中提到：50%馬氏體的硬度最小值計算公式HRCmin=52w（C）+21；90%馬氏體的硬度最小值計算公式HRCmin=58w（C）+27；95%馬氏體的硬度最小值計算公式HRCmin=59w（C）+29。根據C 含量0.27%，計算獲得95%馬氏體硬度最小值為44.9 HRC。P110（29Mn5）淬火硬度試驗值見表2。從表2 可以看出，采用880 ℃和采用920 ℃淬火，均能得到95%以上馬氏體組織。

圖1 29Mn5 鋼CCT 曲線

表2 P110（29Mn5）淬火硬度試驗值

采用880 ℃淬火后硬度值比920 ℃淬火后硬度值高，主要是由于淬火溫度過高引起。原始奧氏體晶粒尺寸VD主要與淬火溫度［10］和保溫時間有關。

式中 D0—— 常數；

Q —— 激活能，J；

k —— 玻爾茲曼常數，1.380 649×10-23J/K；

T —— 淬火加熱溫度，K。

隨著淬火溫度的升高，晶粒逐漸長大，同時固溶在α 鐵素體中的C 元素和合金元素增加，增加了α 鐵素體的晶格畸變，由于晶粒尺寸對性能的影響相對于C 和合金元素固溶強化作用較弱，淬火后硬度隨著淬火溫度的增加而增加。但是隨著淬火溫度進一步增加，會導致奧氏體晶?？焖匍L大，而此時C 和合金元素的固溶強化遠低于晶粒長大對性能的影響，導致硬度隨著淬火溫度增加而降低，通常情況下淬火溫度為Ac3+30～50 ℃，淬火溫度可以隨著合金元素增加適當提高，但是淬火溫度設定過高反而引起晶粒粗大，這種粗大現象對回火后的性能產生影響。

880 ℃和920 ℃淬火金相組織如圖2 所示，其淬火后組織均為馬氏體+少量鐵素體，920 ℃淬火后馬氏體條狀較大，而880 ℃淬火后馬氏體條狀短小分散，主要是淬火溫度過高，導致奧氏體晶粒較大，并且淬火冷卻后會反映到低溫馬氏體組織上。

圖2 不同淬火溫度淬火組織

2.2 試驗性能及分析

采用880 ℃淬火和920 ℃淬火，隨后在500～545 ℃回火，均能得到滿足性能要求的P110 鋼級，其中伸長率是標準的1.39～1.65 倍，沖擊韌性是標準的2.7～3.4 倍，塑性余量較大，具體見表3。確保屈服強度和抗拉強度處于P110 鋼級性能要求范圍的中間值，采用880 ℃淬火和920 ℃淬火熱處理理想工藝為：①淬火880 ℃、保溫15 min+回火530 ℃、保溫30 min；②淬火920 ℃、保溫15 min+回火515 ℃、保溫30 min。采用相同的回火溫度，880 ℃淬火與920 ℃淬火對比，屈服強度和抗拉強度基本都偏高，主要是由于淬火溫度較高導致奧氏體晶粒較大，致使綜合性能下降。相同淬火溫度，隨著回火溫度從500 ℃增加到545 ℃，屈服強度分別降低了120 MPa 和134 MPa，屈服強度按照2.7 MPa/℃，3 MPa/℃速率下降；抗拉強度分別降低了108 MPa和128 MPa，抗拉強度按2.4 MPa/℃和2.8 MPa/℃速率下降；伸長率和沖擊韌性的變化不明顯。以上性能隨溫度變化的速率規律的研究對現場工藝的調整具有一定的指導作用。

表3 不同溫度參數調質工藝處理后鋼管機械性能性能數據

不同工藝參數調質處理后試樣的金相組織如圖3 所示，調質后組織為回火索氏體+少量鐵素體。性能的變化主要是由于微觀組織隨著溫度變化引起的，隨著加熱溫度的增加，原子的擴散能力得到提高，α 鐵素體中固溶的碳元素和合金元素析出動力和析出量都會增加，碳原子的固溶強化作用不斷降低。同時，回火過程中析出的合金碳化物不斷聚集并長大，對位錯的阻礙作用減弱，從而降低了材料的屈服強度和抗拉強度［11-13］。

2.3 探傷缺陷及分析

采用880 ℃淬火+535 ℃回火工藝和采用920℃淬火+535 ℃回火工藝分別對500 mm 試樣進行調質，再采用濕磁粉對P110 鋼級Φ244.48 mm×11.99 mm 規格不同工藝試驗樣進行探傷。對采用淬火920 ℃+回火535 ℃調質工藝處理后的試樣進行磁粉探傷時，在鋼管內表面發現存在縱向裂紋，裂紋長度 35～250 mm，深度為 1～2 mm，如圖4（a）所示。對采用淬火880 ℃+回火535 ℃調質工藝處理后的試樣進行磁粉探傷，未發現存在裂紋。從圖4（b）中可以看出裂紋與鋼管橫截面基本垂直，開口較窄，在徑向上較深，尾部呈彎曲尖細狀態，裂紋兩側沒有明顯的脫碳現象，未經過高溫氧化，是典型的淬火裂紋特征［14］。920 ℃淬火鋼管出現裂紋主要是由于淬火溫度過高，水淬過冷度增加，熱應力和相變應力都同時得到增加。同時，淬火溫度升高，出現晶粒偏大，整體晶界數量降低，裂紋擴展的阻力降低的趨勢，有利于裂紋的形成和快速開裂。

圖3 不同工藝參數調質處理后試樣的金相組織

圖4 920 ℃淬火裂紋

3 現場生產及結果分析

根據小爐子試驗結果以及現場生產的實際情況，現場生產采用淬火（870～890 ℃）+回火（530～550 ℃）調質P110 鋼級Φ244.48 mm×11.99 mm 套管，具體工藝控制參數見表4。

按照API Spec 5CT 標準要求對涉及到熱處理始、中、末的9 支鋼管取樣進行縱向拉伸性能和沖擊性能試驗，具體試驗結果見表5。為了確保鋼管整體性能檢測的均勻性，在10 m 長度鋼管上距離噴水端 0，2，4，6，8，10 m 位置取 300 mm 長樣進行機械性能試驗，具體試驗結果如圖5 所示。

從表5 可以看出，現場試生產 P110 鋼級Φ244.48 mm×11.99 mm 規格套管的屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊韌性均滿足API Spec 5CT標準要求。屈服強度波動為48 MPa，距標準上限的余量約70 MPa；抗拉強度波動39 MPa，比標準要求的下限值高60 MPa；屈強比在0.91～0.93；伸長率是標準要求的1.4 倍以上；沖擊性能是標準要求的3 倍以上?，F場試生產的綜合性能較好，機械性能、沖擊值波動較小且均有較大余量，可以較大范圍調整回火溫度得到良好的綜合性能，滿足API標準要求?，F場淬火（880 ℃、步進周期55 s）+回火（540 ℃、步進周期55 s）工藝生產與小爐子淬火（880 ℃、保溫 15 min）+回火（535 ℃、保溫 30 min）工藝試驗機械性能、沖擊值基本相同，現場回火溫度高于實驗室回火溫度主要與現場水淬環境、爐子保溫方式不同有關。鋼管全長的機械性能滿足API Spec 5CT（第10 版）標準和目標控制要求，屈服強度、抗拉強度和伸長率波動分別為29 MPa、26 MPa 和3.4%，全長的均勻性較好，具體試驗結果如圖5 所示。2019 年采用29Mn5 調質P110 生產Φ114.3～339.72 mm×6.35～13.84 mm 規格套管共15 000 t 以上，產品性能均符合API Spec 5CT 標準要求。跟蹤近一年交付P110 鋼級29Mn5 材質鋼管驗收使用情況，反饋驗收完全符合相關標準要求且使用質量良好。

表4 29Mn5 調質P110 鋼級的現場試生產工藝參數

表5 P110 鋼級Φ244.48 mm×11.99 mm 規格套管拉伸、沖擊性能檢測結果

圖5 P110 鋼級 Φ244.48 mm×11.99 mm 規格套管全長機械性能

4 結 論

（1） 采用 C-Mn 系 29Mn5 鋼淬火（920，880 ℃，保溫15 min）+回火（500～545 ℃，保溫 30 min）工藝可以獲得滿足API Spec 5CT 標準要求的P110 鋼級石油套管，機械性能隨回火溫度的升高而下降。

（2） 采用920 ℃淬火會導致晶粒較大，水淬過程相變應力和熱應力都較大，易產生淬火裂紋。

（3） 現場采用淬火（870～890 ℃、步進周期 55 s）+回火（530～550 ℃、步進周期 55 s）工藝生產出的石油套管機械性能和沖擊值波動較小且余量較大，符合API Spec 5CT 標準要求。