調質工藝對低碳微合金鋼管組織及性能的影響*

李鴻斌，任永峰，白耀崗，張錦剛，余 晗，鮮林云，王 亮，焦 煒，張曉梅

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.陜西省高性能連續管重點實驗室，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

我國能源需求快速增長，國家加大了“深、低、海、非”領域的油氣勘探開發，其中超深層油氣井的井深及超長水平井的長度不斷被刷新，頁巖氣作為國內油氣加快發展的最現實接替資源，已進入快速增長期。隨著對地質條件復雜區塊的開發，油、氣田開采難度不斷加大，油氣開采深度、水平段長度、作業壓力、井內壓力及溫度、腐蝕環境等工況日趨苛刻，復雜井況對管材的綜合性能提出了更高的要求，尤其是提高了對高強度、高韌性、抗疲勞的要求[1-6]。

有研究表明，調質處理能夠使鋼具有良好的綜合力學性能，即同時具有較高的強度、塑性和韌性。調質處理是指淬火和高溫回火結合起來互相銜接的熱處理工藝，其主要目的是調整組織、減少碳化物，使組織均勻，具有良好的強韌性配合，從而提高其綜合力學性能[7-14]。目前，文獻中對于高頻焊接鋼管調質前后性能的變化研究甚少，為此本研究采用高頻焊接鋼管，在鋼材化學成分不變的情況下，通過實驗室不同淬火+回火工藝調質熱處理試驗，研究不同調質熱處理工藝對鋼管的強度、硬度和金相組織的影響規律，為調質態高性能鋼管開發提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用熱軋卷板，經連續成型、高頻焊接、焊縫熱處理，制備出Φ50.8 mm×4.44 mm鋼管，單根長度為5 m，共10 根，用于開展調質熱處理試驗及檢測評價，其主要化學成分見表1，鋼管的力學性能見表2。

表1 鋼管化學成分 %

表2 鋼管力學性能

1.2 試驗方法

取單根長度5 m的鋼管，在箱式電阻爐中進行熱處理試驗。考慮到鋼管的奧氏體化溫度，淬火溫度選取930 ℃，保溫時間分別取2 min、4 min、8 min、12 min，然后水冷，測試不同保溫時間下管材組織和性能。采用優選的淬火工藝進行淬火，開展不同回火保溫時間（3 min、6 min、12 min、18 min）、不同回火溫度（450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃）試驗。將調質完成的樣管按照相關檢測標準進行試樣制備及檢測分析。用ZWICK1200 型試驗機，依據ASTM A370—2009《鋼制品力學性能試驗的方法和定義》進行整管拉伸試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×450 mm；依據GB/T 4340.1—2009，使用Durascan 70 硬度計進行硬度試驗；依據GB/T 4340.1—2009，采用Leica DMI5000M 金相顯微鏡對管樣進行金相顯微組織觀察；采用WE-30B型液壓式萬能試驗機，依據API SPEC 5ST《連續油管規范》及ASTM A450《碳素鋼、鐵素體和奧氏體合金鋼鋼管的一般要求》進行樣管壓扁及擴口試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×102 mm；用PLW-100 型疲勞試驗機進行低周疲勞試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×1 524 mm，彎曲模半徑為1 828 mm，管樣在內壓34.47 MPa下反復進行彎曲—拉直—彎曲循環疲勞試驗，并記錄疲勞循環次數，直到試樣出現泄壓或漏水后結束試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 不同淬火保溫時間對組織及性能的影響

鋼管在相同加熱溫度930 ℃，不同保溫時間2 min、4 min、8 min 和12 min 下完成淬火試驗，不同試驗條件下樣管的力學性能和硬度檢測結果如圖1 所示。由圖1 可知，淬火保溫2 min 時，樣管的力學性能與原始鋼管相比，其屈服強度降低，抗拉強度提高，延伸率降低，硬度提升；淬火保溫4 min 時，樣管的屈服強度為790 MPa，抗拉強度為1 240 MPa，伸長率7.6%，硬度均值為426HV1.0，樣管的強度、硬度達到峰值，焊縫硬度與母材硬度趨于一致；隨著淬火保溫時間延長到8 min、12 min，樣管的強度、硬度指標略有降低，伸長率基本保持不變。

圖1 保溫時間對樣管強度和硬度的影響

原始鋼管母材及930 ℃淬火不同保溫時間樣管的金相組織如圖2 所示，對應的焊縫組織如圖3 所示。可以看出，原始鋼管的母材和焊縫組織以鐵素體和粒狀貝氏體為主，焊縫晶粒相對粗大；保溫2 min 時，淬火后樣管的母材組織相對細小，以粒狀貝氏體為主，抗拉強度及硬度提升有限，且焊縫組織晶粒粗大，母材組織均勻細化而焊縫組織無明顯改善；保溫時間為4 min、8 min、12 min 時，淬火后樣管的母材組織相對粗大，主要是馬氏體和少量殘余奧氏體組成，且焊縫與母材組織趨于一致；保溫時間在4～12 min，強度及硬度相差較小，不同工藝下樣管屈服強度為775～790 MPa，抗拉強度為1 200～1 240 MPa，伸長率為7.6%～8.3%，硬度均值為408HV1.0～426HV1.0。因此，淬火后形成的大量馬氏體組織是鋼管抗拉強度及硬度提升的根本原因，也是最終獲得性能優異的調質鋼管的保障。

圖2 鋼管及930 ℃淬火不同保溫時間樣管母材組織形貌

圖3 鋼管及930 ℃淬火不同保溫時間樣管焊縫組織形貌

根據綜合性能檢測結果，優選鋼管淬火工藝為淬火溫度930 ℃、保溫時間4 min、水冷。

2.2 不同回火溫度和回火時間對組織及性能的影響

設定相同的淬火加熱溫度930 ℃、保溫時間4 min、水冷，開展3 min、6 min、12 min、18 min不同回火保溫時間，450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃不同回火溫度的調質工藝試驗，不同試驗狀態下樣管的屈服強度、抗拉強度、伸長率及硬度檢測結果如圖4所示。由圖4（a）可知，回火保溫時間3 min及6 min條件下，樣管屈服強度隨回火溫度的升高呈先升高后降低趨勢，在回火溫度600 ℃達到峰值；回火保溫時間12 min及18 min條件下，屈服強度隨回火溫度的升高呈下降趨勢。由圖4（b）可知，在不同回火時間下，樣管抗拉強度隨回火溫度的升高呈下降趨勢，在回火時間較短的3 min和6 min下，抗拉強度下降較為緩慢。由圖4（c）可知，樣管伸長率隨回火溫度的升高呈升高趨勢；回火保溫時間3 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率整體較低；回火保溫時間12 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率整體較高，出現峰值；而保溫時間18 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率較回火保溫時間12 min 呈下降趨勢。由圖4（d）可知，樣管硬度隨回火溫度的升高而呈下降趨勢；隨回火保溫時間的延長而呈下降趨勢。

圖4 回火時間和回火溫度對樣管力學性能的影響

930 ℃加熱、保溫4 min淬火、回火保溫時間6 min，回火溫度450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃下樣管的母材金相組織如圖5所示。由圖5可以看出，當回火溫度在450 ℃、500 ℃時，馬氏體未完成分解，大部分回火組織仍能保持板條形態，因此，樣管具有高的抗拉強度；當回火溫度增加到550～700 ℃時，板條馬氏體轉變成鐵素體+碳化物的組織并逐漸增多，板條束邊界更加模糊，且碳化物析出更加均勻彌散，因此，樣管強度和硬度降低，韌性增加。

2.3 典型調質樣管性能評價

930 ℃加熱、保溫4 min 后水冷、600 ℃回火后保溫6 min，對實物樣管進行熱處理試驗，并全面測試分析了該樣管性能。

調質后樣管拉伸性能見表3，壓扁試驗結果見表4，擴口試驗結果見表5，硬度試驗結果見表6，母材及焊縫微觀組織形貌如圖6 所示，彎曲疲勞試驗結果如圖7所示。由表3可知，調質樣管屈服強度為940 MPa，抗拉強度為1 055 MPa，斷后伸長率為18.4%，達到130 ksi管材的拉伸性能設計要求。由表4、表5 可知，在相對嚴苛的壓扁、擴口試驗條件下，試樣焊縫、母材均未出現裂紋，表明調質樣管焊縫及母材性能一致，管材沿周向具有良好的塑性。由表6 可知，調質樣管管體硬度為326HV1.0～347HV1.0，滿足≤ 382HV1.0的設計要求，且硬度波動較小，表明管體母材及焊縫性能一致。由圖6可知，經調質處理后，鋼管的高頻焊焊縫已經趨于工程無縫化，焊縫組織與母材組織基本一致，管體組織細小、均勻，以回火索氏體為主，鐵素體基體上的碳化物細小均勻彌散分布。在內壓34.47 MPa、彎曲半徑1 828 mm 條件下進行調質樣管彎曲疲勞試驗，由圖7 可知，在相同測試條件、相同規格下，調質樣管的疲勞壽命是常規110 ksi 鋼管的2 倍以上，較130 ksi 鋼管的疲勞壽命提高60%以上。

表3 調質樣管拉伸性能

表4 壓扁試驗結果

表5 擴口試驗結果

圖6 調質樣管母材及焊縫微觀組織形貌

表6 硬度試驗結果（HV1.0）

圖7 鋼管彎曲疲勞性能對比

3 結 論

（1）試驗管材通過合理的調制熱處理能夠大幅提升鋼管的力學性能，達到所需要的強度、韌性和塑形等指標的合理匹配。

（2）不同淬火的保溫時間、回火溫度、回火保溫時間對鋼管組織及力學性能均有一定的影響，相對而言，回火溫度和回火保溫時間的影響更為明顯。回火溫度升高，回火保溫時間延長，材料的強度下降，塑性、韌性指標隨之上升。

（3）在930 ℃加熱、4 min 保溫后水冷、600 ℃回火后6 min保溫條件下，樣管屈服強度為940 MPa，抗拉強度為1 055 MPa，斷后伸長率為18.4%，達到130 ksi鋼級鋼管拉伸性能的標準要求，且具有良好的塑性及抗彎曲疲勞性能，整體力學性能顯著提升。