高鋼級套管強韌性匹配研究*

0 前 言

隨著非常規油氣資源開采的深入發展， 水平井多段、 大體積壓裂技術已成為其增儲上產的有效手段

。 在體積壓裂作業過程中， 往往存在著剪切、 滑移、 錯段等復雜的地層行為， 使得套管受到復雜多變的外部應力， 導致套管擠毀失效頻繁發生

。 另外， 在射孔壓裂過程中，套管不僅需要承受井筒內、 外流體產生的壓力，還要承受地層瞬間壓力變動所產生的沖擊載荷等多種復雜載荷， 常規的API 高鋼級套管因韌性不足， 在該過程中易發生開裂， 并在復雜應力條件下裂紋易發生擴展， 從而導致套管失效

。 王軍等

研究結果表明， 強韌性對套管的抗外壓擠毀性能具有重要影響， 提高套管抗擠毀強度的手段主要集中在提升強韌性和幾何尺寸精度等方面。因此， 高鋼級套管的設計需要兼顧強度和韌性，在滿足高強度的同時盡可能提高韌性指標， 滿足生產使用安全性

。 以125 ksi 鋼級套管為例，API SPEC 5CT 要求0 ℃全尺寸橫向沖擊功≥20 J，縱向沖擊功≥41 J； 而Q/SY 07394 高抗擠套管標準將125 ksi 鋼級套管沖擊韌性要求提升為橫向沖擊功≥50 J， 縱向沖擊功≥70 J， 強度與API SPEC 5CT 保持一致， 不僅可以保證套管的抗擠強度， 還可抑制損傷套管的脆性斷裂， 降低射孔開裂所導致的擠毀風險

。 本研究以中碳低合金熱軋管坯為對象， 研究不同熱處理工藝條件下管材的強韌性匹配， 從而為高強、 高韌性套管研發提供技術支撐。

1 試驗材料

試驗材料為采用超潔凈冶煉、 均質化連鑄、熱機械軋制技術制備的Φ139.7 mm 中碳低合金套管管坯。 該管材成分以C、 Mn 元素為基礎，通過添加Cr、 Nb、 V、 Ti 等強韌化合金元素，同時嚴格進行P、 S 等雜質元素控制， 以期實現最終產品強度和韌性的優質匹配。 管坯化學成分見表1， 力學性能見表2。 試驗用管坯顯微組織如圖1 所示， 從圖1 可以看出， 組織為等軸鐵素體+細珠光體+貝氏體。

2 熱處理工藝及檢測方法

2.1 熱處理工藝

熱處理工藝參數對材料組織性能影響至關重要， 合理的熱處理工藝可顯著提高材料的綜合性能。 按照YB∕T 5127—2018 《鋼的臨界點測定（膨脹法）》 標準， 測定該試驗鋼的奧氏體轉變溫度（A

） 為857.6 ℃。 參照相變點， 選擇適宜的加熱溫度和保溫時間進行熱處理試驗。 一般淬火溫度的確定原則為鋼的A

以上30～50 ℃， 同時不僅考慮生產線裝置實際情況（如高壓水除鱗導致溫降、 設備布局距離等因素）， 而且也考慮熱矯直終了溫度等標準要求， 因此淬火溫度選擇930 ℃。 加熱時間以充分奧氏體化及合金均質化為原則， 考慮生產線加熱能力及鋼管透熱達到內外壁及心部溫度均勻化， 淬火保溫時間選擇55 min， 回火保溫時間選擇110 min， 回火選擇470～550 ℃系列溫度。 在天然氣爐中開展整管全長熱處理， 具體工藝過程如圖2 所示。

2.2 檢測方法

拉伸性能檢測依照ASTM A370 標準在Z1200拉伸試驗機上進行。 板狀試樣尺寸為400 mm ×25.4 mm， 取2 組試樣， 最終試驗結果取2 組試樣的平均值。

沖擊性能檢測依照ASTM A370 在DM750試驗機上進行， V 形缺口試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm， 試驗溫度為0 ℃。 每組取3 件試樣， 最終試驗數據取3 件試樣數據的平均值。

我國企業物流標準化平臺建設滯后。物流標準化平臺，也就是要求將物流信息的交流以及數據資源的共享充分實現，是實現物流信息化的基礎[3]。但由于我國企業缺少相應的建設物流標準信息平臺的標準和技術，不利于平臺的發展。比如，我國一些企業仍運用的是較為落后、傳統的信息管理技術。所以，要將完善的物流標準化信息平臺建立起來，還需要將平臺建設相關技術問題有效解決。

坡向對于太陽的光照、住宅的采光度有著重要的影響。客家人對住宅選址、布局、門的朝向上講究“風水”，坡向(圖4b)也是影響客家人的建筑分布的一個因子。對DEM數據進行坡度提取得到梅縣區內地形的坡度數據(圖4c)。使用ArcGIS的分類功能，按照城市建設劃分標準中劃分為地平地、平地、平坡地、緩坡地、中坡地、陡坡地6種類型分別占總面積的0.21%、5.48%、14.22%、23.58%、48.03%、8.48%，平均坡度為12.5°，坡度標準差為8.23°。

3 試驗結果及分析

3.1 強韌性匹配

結合圖4 和圖5 可以看出， 經淬火+回火后套管管材獲得馬氏體板條細小的回火索氏體組織， 且馬氏體鐵素體基體上彌散分布著細小碳化物顆粒。 在回火過程中， 這些碳化物主要析出在晶界、 板條界及板條束界等位置， 釘扎阻礙著組織晶粒長大， 從而實現細晶強化、 彌散強化等作用， 使套管具有較好的強韌匹配

。

從圖3 還可以看出， 隨回火溫度升高， 套管強度呈下降趨勢， 沖擊韌性呈先升后降趨勢， 伸長率幾乎保持不變。 當采用930 ℃/55 min 淬火+（510～530） ℃/110 min 回火工藝時， 套管屈服強度為951～960 MPa， 抗拉強度為1 025～1 030 MPa，伸長率達22%以上， 橫向沖擊功為98～111 J，縱向沖擊功達148 J 以上。 該結果可以對標Q/SY 07394 高抗擠套管對125 ksi 鋼級套管的要求（屈服強度862～1 034 MPa， 抗拉強度≥931 MPa，伸長率≥13%， 0 ℃橫向沖擊值≥50 J， 縱向沖擊功≥70 J）。 結果表明， 在該熱處理工藝下不僅可完全滿足Q/SY 07394 標準對125 ksi 鋼級高抗擠套管強韌性要求， 且可具有最佳強韌性匹配。

其中，攝像頭數量多、監控區域范圍大、系統架構復雜、業務面寬等是軟件平臺面臨的主要技術問題，可歸納為如下幾點：

3.2 顯微組織

圖4 為淬透試樣的EBSD 晶粒尺寸檢測結果， 從圖4 可以看出， 該試驗管坯經淬火后， 其奧氏體晶粒尺寸普遍小于11 μm， 平均尺寸為3.10 μm。 同時， 依據ASTM E112 晶粒度測定方法， 測得晶粒度等級為11 級， 遠遠高于Q/SY 07394 標準要求的8 級， 表明套管管材淬火后晶粒得到細化， 為后續進一步獲得細小的回火組織并實現最佳強韌性匹配奠定了基礎。

圖6 為不同回火溫度下沖擊斷口形貌， 其中斷口微觀形貌為不穩定擴展區形貌。 當回火溫度為490 ℃時， 如圖6 （a） 所示， 宏觀斷口存在明顯的放射區和分層現象， 纖維區和剪切唇面積所占比例較低； 微觀斷口如圖6 （b） 所示， 主要呈現解理+準解理特征， 韌窩較少， 因此， 490 ℃回火時， 管材沖擊韌性較低。 當回火溫度達到510 ℃以上時， 如圖6 （c） ～圖6 （e）所示， 宏觀斷口纖維區和剪切唇占比明顯提升， 且無明顯的放射花樣； 在510～530 ℃回火時， 從圖6 （f） 和圖6 （g） 可看出， 微觀斷口形貌以韌窩+二次裂紋為主， 管材具有較高的沖擊韌性； 當回火溫度升至550 ℃時， 微觀斷口中韌窩較530 ℃時明顯減少， 且出現明顯的準解理特征， 如圖6 （h） 所示， 管材沖擊韌性有所下降。

在進行顯微組織和斷口觀察時， 將金相試樣研磨、 拋光后用4%的硝酸酒精侵蝕， 使用Olympus-PMG3 型光學顯微鏡、 日立S3700 掃描電子顯微鏡 （SEM） 進行顯微組織觀察； 采用Zeiss 掃描電子顯微鏡(SEM) 進行沖擊斷口形貌觀察。

圖3 為不同熱處理工藝下套管拉伸性能和沖擊性能檢測結果。 未經全長熱處理的熱軋管坯其強度處于80 ksi 鋼級水平， 沖擊值為20～25 J（表2）， 但經930 ℃淬火+470～550 ℃回火后管坯強度與韌性均得到不同程度的提升， 其中屈服強度達到135 ksi 鋼級水平 （≥951 MPa）， 縱向沖擊功最高達150 J， 橫向沖擊功最高達111 J。

3.3 斷口分析

圖5 為不同回火溫度下管材顯微組織， 從圖5可以看出， 在490～550 ℃回火時， 組織均為回火索氏體。 在490 ℃回火時， 晶界內馬氏體板條及板條束邊界清晰， 位相明顯， 部分發生再結晶， 如圖5 （a） 所示； 同時馬氏體鐵素體基體上析出大量細小的碳化物顆粒， 均勻彌散分布在晶界、 馬氏體板條界及板條束界等位置， 如圖5 （b） 所示。當回火溫度510～530 ℃時， 馬氏體板條鐵素體出現明顯的再結晶， 并隨著溫度的升高， 馬氏體板條及板條束邊界比較模糊， 馬氏體位相部分消失， 如圖5 （c） 和圖5 （d） 所示； 530 ℃回火時， 馬氏體鐵素體基體上析出碳化物占比明顯多于490 ℃時， 碳化物析出更加充分， 如圖5 （e） 所示。 當回火溫度提高到550 ℃時， 進一步發生再結晶， 馬氏體鐵素體部分呈多邊形塊狀， 如圖5 （f） 所示。

針對上述現象分析認為， 當采用490 ℃回火處理時， 回火溫度相對較低， 馬氏體板條中過飽和的固溶碳析出不充分， 材料硬度較高，內應力大， 宏觀上表現為高強度、 低韌性； 當回火溫度為510～530 ℃時， 隨著回火溫度的升高， 馬氏體板條中過飽和的固溶碳進一步析出，隨著馬氏體板條界、 板條束界及晶界上碳化物析出的增多， 形成了彌散強化質點， 起到釘扎晶界的作用， 阻礙晶粒的長大， 晶粒越細， 晶界越多， 裂紋擴展阻力就越大， 可使材料的抗脆斷能力相應提升， 馬氏體板條鐵素體發生回復再結晶， 從而使管材在該熱處理溫度范圍內具有高強度和高韌性， 乃至獲得最佳的強韌性匹配； 隨著回火溫度進一步升高， 晶界及馬氏體條束處碳化物球化并聚集長大， 碳化物的彌散強化和釘扎作用下降， 對位錯運動阻礙作用顯著減弱， 是導致鋼的強度及韌性下降的主要原因

。

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4 結 論

（1） 該 熱 軋 管 坯 在930 ℃/55 min 淬 火+(510～530) ℃/110 min 回火工藝下具有最佳的強韌匹配， 屈服強度達到951 MPa 以上， 抗拉強度達到1 025 MPa 以上， 伸長率22%以上， 0 ℃橫向沖擊功達到98 J 以上， 縱向沖擊功達到148 J以上， 晶粒度等級達到11 級， 能夠滿足125 ksi鋼級高抗擠套管管材設計要求。

（2） 在回火工藝制度下， 隨回火溫度升高，管材強度呈下降趨勢， 沖擊韌性呈先增加后降低趨勢， 其原因在于回火溫度對管材的微觀強化和斷裂機制產生影響。 隨著回火溫度升高， 馬氏體板條發生回復和再結晶， 過飽和碳析出并形成彌散分布碳化物， 導致管材強度降低且韌性升高，沖擊斷口形貌則以解理+準解理為主轉變成以韌窩+二次裂紋為主。 隨著溫度繼續升高， 碳化物發生偏聚和粗化， 強化作用和晶界強度減弱， 導致管材強度和韌性降低， 沖擊斷口形貌則以韌窩+準解理為主。

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