80KSI-SUP13Cr超級(jí)馬氏體不銹鋼管成形與 熱處理工藝

劉富強(qiáng)，王錦永，陳明義，董俊超

新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056300

1 序言

L80-13Cr鋼具有良好的耐CO2腐蝕性，但當(dāng)油井溫度超過(guò)150℃時(shí)，普通L80-13Cr鋼的耐蝕性會(huì)變差，由于大量CO2存在而變得不耐用。近年來(lái)，隨著較易開(kāi)發(fā)油井的減少，處于高礦化度、高溫、高CO2分壓、高Cl-濃度和微量H2S含量等腐蝕性嚴(yán)重環(huán)境中的油井不斷增加，普通L80-13Cr鋼管已不能滿足使用要求，因此要求研發(fā)具備更高韌性和耐蝕性的材料[1-3]。超級(jí)13Cr是由L80-13Cr發(fā)展而來(lái)的超低碳馬氏體不銹鋼，wC降低到0.04%以下，wS降低到0.005%以下，合金成分進(jìn)一步優(yōu)化（wNi＝4.5%～6.5%、wMo＝1.5%～2.5%），力學(xué)性能和耐蝕性明顯改善，目前成為CO2、低H2S含量油氣開(kāi)采環(huán)境用鋼的首選材料[4-6]。

目前，超級(jí)13Cr鋼管成熟的生產(chǎn)工藝流程為：鑄錠→鍛坯→坯料內(nèi)外加工→熱擠壓成形→調(diào)質(zhì)處理。此工藝要切除冒口，成材率比較低。用連鑄坯＋擠壓成形是新工藝，避免了鍛造工序，沒(méi)有冒口，可大幅提高成材率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

本文以φ91mm×28mm的80KSI-SUP13Cr鋼管為研究對(duì)象，通過(guò)63MN臥式擠壓機(jī)將連鑄坯擠壓成鋼管，然后調(diào)質(zhì)處理。對(duì)坯料組織、鋼管組織、晶粒度和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)分析，為80KSISUP13Cr鋼管工業(yè)化生產(chǎn)提供新的工藝數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)材料、工藝路線和檢測(cè)方法

2.1 試驗(yàn)材料

80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯冶煉工藝為電弧爐＋精煉爐＋真空脫氣。連鑄坯成形后外徑280mm，機(jī)加工到外徑247mm、內(nèi)徑45mm、長(zhǎng)度800mm的空心坯料。在63MN臥式擠壓機(jī)上的擠壓成形，鋼管尺寸是φ91mm×28mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 80KSI-SUP13Cr不銹鋼管的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)工藝路線

試驗(yàn)工藝路線：合金冶煉→連鑄坯→軟化退火→內(nèi)鏜外車(chē)→感應(yīng)電爐加熱→玻璃粉潤(rùn)滑→熱擠壓→冷床空冷→超聲波無(wú)損檢測(cè)→調(diào)質(zhì)處理→組織、性能檢測(cè)。

2.3 組織和力學(xué)性能檢測(cè)

組織腐蝕溶液是王水，晶粒度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E112—2012《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，高溫鐵素體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是YB/T 4402—2014《馬氏體不銹鋼中δ鐵素體含量金相測(cè)定法》，金相顯微鏡是德國(guó)蔡司Axio ImagerA2m。力學(xué)性能檢測(cè)取樣位置在鋼管壁厚的1/2處，拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM A370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》，橫向－10℃沖擊吸收能量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E23—2018《金屬材料缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法》，洛氏硬度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E18—2018《金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》。

3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析

3.1 80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯組織

由于連鑄坯存在疏松和中心裂紋，取樣時(shí)需避開(kāi)這些區(qū)域，在超級(jí)13Cr不銹鋼連鑄坯橫截面靠近半徑的1/4和1/2處取組織試樣。連鑄坯料退火后顯微組織如圖1所示。

圖1 80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯顯微組織

由圖1可看出，超級(jí)13Cr不銹鋼連鑄坯的組織粗大，晶界處富集δ鐵素體，平均含量（體積分?jǐn)?shù)）達(dá)7%，這是因?yàn)槟虝r(shí)冷卻速度較慢，高溫下鐵素體形成元素聚集，產(chǎn)生粗大組織和δ鐵素體相。坯料的疏松和中間裂紋處聚集較多的夾雜、氣孔、偏析等缺陷，經(jīng)過(guò)測(cè)量，直徑280mm的連鑄坯中心缺陷的直徑為20～30mm。因此，只要內(nèi)孔加工量＞30mm，就可以將坯料缺陷加工去除。本試驗(yàn)擠壓前坯料先加工直徑45mm的內(nèi)孔，不會(huì)影響擠壓質(zhì)量。熱擠壓工藝是在三向壓應(yīng)力作用下成形，有利于消除縮松、焊合缺陷，適合低塑性超級(jí)13Cr不銹鋼鑄坯變形加工。

3.2 鋼管熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)

圖2所示為擠壓成形的模具結(jié)構(gòu)[7]。在擠壓筒的前端有擠壓模和玻璃墊，擠壓桿前端是擠壓墊。當(dāng)加熱到溫的坯料涂上玻璃粉后，裝進(jìn)擠壓筒，擠壓桿推動(dòng)擠壓墊和坯料向前移動(dòng)到擠壓模的前端，同時(shí)芯棒穿入坯料內(nèi)部。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續(xù)向前推動(dòng)，通過(guò)擠壓墊對(duì)坯料施壓，先使坯料墩粗變形，消除坯料外圓與擠壓筒內(nèi)壁的間隙以及坯料內(nèi)表面與芯棒的間隙，然后高溫金屬被擠壓進(jìn)入擠壓模與芯棒組成的環(huán)形孔腔而變成鋼管。待擠壓桿前進(jìn)到限位停止處時(shí)，擠壓過(guò)程結(jié)束，擠壓筒內(nèi)留下20～50mm沒(méi)有壓完的坯料壓余。然后鎖緊擠壓筒的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，擠壓筒后撤，同時(shí)把坯料壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后撤，將坯料壓余從成品上用熱據(jù)切掉，鋼管從擠壓機(jī)出口方向輸送到冷床，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

圖2 熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)[7]

3.3 80KSI-SUP13Cr鋼管擠壓成形和表面質(zhì)量

連鑄坯加工到尺寸為φ247mm×φ45mm×800mm的擠壓用坯料，頭部外圓處加工R25～R30mm的圓角，修磨拋光表面質(zhì)量，表面粗糙度≤3.2μm，去除坯料表面油污和雜質(zhì)；將坯料在電磁感應(yīng)爐中直接加熱，850℃以下用低功率預(yù)熱，隨后用高功率快速加熱到外表面1170～1220℃、心部溫度1130℃以上；然后用玻璃粉潤(rùn)滑劑涂覆坯料外表面，形成熔融狀態(tài)的潤(rùn)滑薄膜，隔開(kāi)金屬與擠壓模具；坯料送入擠壓筒，擠壓筒內(nèi)徑255mm，擠壓模內(nèi)徑93mm，芯棒直徑35.5mm，擠壓前修磨清理擠壓模具（見(jiàn)圖3a），擠壓速度150～250mm/s，理論設(shè)計(jì)擠壓比約8.6，在擠壓筒、擠壓模組成的環(huán)形孔腔里，擠壓出φ91mm×28mm的鋼管（見(jiàn)圖3b），擠壓后在冷床上空冷（見(jiàn)圖3c）。

依據(jù)ASTM E213—2014《金屬管超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作法》要求，對(duì)擠壓管進(jìn)行超聲波檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行表面質(zhì)量目視檢查。檢測(cè)結(jié)果表明：連鑄坯擠壓管表面平整，無(wú)折疊、裂紋缺陷（見(jiàn)圖3d）。

圖3 擠壓鋼管的狀態(tài)

3.4 80KSI-SUP13Cr鋼管熱處理工藝和性能檢測(cè)

超級(jí)13Cr不銹鋼合金含量高，淬透性好，馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度低，空冷就可以完成馬氏體的轉(zhuǎn)變。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]介紹，超級(jí)13Cr銹鋼的Ac3約910℃，為促進(jìn)奧氏體化成分均勻化，設(shè)定熱處理工藝為：淬火加熱溫度1000℃，加熱時(shí)間120min，風(fēng)冷，一次回火630℃×240min后空冷，二次回火635℃×210min后空冷。

80KSI-SUP13Cr鋼管調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 80KSI-SUP13Cr鋼管調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能

由表2可看出，鋼管調(diào)質(zhì)處理后，抗拉強(qiáng)度為868～875MPa，屈服強(qiáng)度為570～590MPa，硬度23.5～24.9HRC，伸長(zhǎng)率為23%～24%，平均沖擊吸收能量在130J以上，強(qiáng)度和韌性均滿足技術(shù)指標(biāo)。這是因?yàn)?，連鑄坯加熱到高溫時(shí)，經(jīng)大擠壓比塑性變形，鑄態(tài)粗大組織被充分破碎，形成細(xì)小等軸晶，材料組織均勻性得到提高，獲得了強(qiáng)度和韌性同時(shí)兼?zhèn)涞男阅堋?/p>

3.5 80KSI-SUP13Cr鋼管晶粒度和組織

對(duì)調(diào)質(zhì)后的80KSI-SUP13Cr鋼管取樣，觀察晶粒度和組織，如圖4所示。

圖4 擠壓鋼管調(diào)質(zhì)后的晶粒度和顯微組織

從圖4可看出，連鑄坯經(jīng)過(guò)大擠壓比塑性壓縮變形后，微觀縮松消失，粗大組織被充分破碎，板條馬氏體致密，板條束間距較小，細(xì)小等軸晶均勻分布，晶粒平均尺寸為20～30μm，晶粒度7.0～8.0級(jí)。顯微組織是低碳回火馬氏體＋少量逆變奧氏體＋少量δ鐵素體，利于高強(qiáng)度和高韌性的匹配。對(duì)于超級(jí)馬氏體不銹鋼，過(guò)多的高溫鐵素體存在是有害的，因?yàn)楦邷罔F素體與回火組織塑性不同，對(duì)沖擊韌度有負(fù)面影響，因此ISO 13680—2010《石油和天然氣工業(yè).管套、管道和接箍的耐腐合金無(wú)縫鋼管.交貨技術(shù)條件》要求材料組織中δ鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）＜5%。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，鋼管組織中δ鐵素體含量為1.79%，大大低于連鑄坯δ鐵素體含量，說(shuō)明在鋼管高溫?cái)D壓充分破碎鑄態(tài)組織過(guò)程中，元素得到了充分?jǐn)U散，不同區(qū)域成分變得一致，減小了成分偏析和組織不均。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）將超級(jí)馬氏體鋼φ280m m×800m m連鑄坯加工到尺寸為φ247mm×φ45mm×800mm的擠壓坯，表面粗糙度≤3.2μm，擠壓溫度1170～1220℃，擠壓比約8.6，擠壓速度150～250mm/s，成功擠壓出φ91mm×28mm的鋼管，表面質(zhì)量和微觀組織均比較理想。

2）連 鑄 坯＋熱 擠 壓 成 形 后，經(jīng) 過(guò)1000℃×120min、風(fēng)冷＋630℃×240min、空冷＋635℃×210m i n、空冷的熱處理工藝，生產(chǎn)出了80KSI-SUP13Cr鋼管。材料的抗拉強(qiáng)度為868～875MPa，屈服強(qiáng)度為570~590MPa，伸長(zhǎng)率為23%～24%，硬度為23.5～24.9HRC，－10℃橫向沖擊吸收能量為131～143J，滿足ISO 13680—2010標(biāo)準(zhǔn)要求。