P110钢级光管产品研制开发*

王金海，尚 明

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光 262711）

1 前言

石油套管作为采油设备中不可缺少的管材，一直受到石油行业和钢管生产企业的重视。特别像中石化和中石油这些石油行业的领军企业，一直都采用供应商先评定、后采购的原则。山东寿光巨能特钢有限公司是一家集烧结、炼铁、炼钢、轧钢、钢管于一体的特钢企业，具有管坯和钢管生产能力。巨能特钢为中石油和中石化的一级供应商，但进入钢管行业仅3 a时间，仅向两家大型石油企业供应大量的低钢级钢管J55，而从未供应像进行调质处理附加值高的P110钢级等钢管。在国内市场上P110钢级产品用量大，巨能特钢决定开发P110钢级光管。本着降低成本以及技术储备的考虑，对P110钢级采用25Mn2V进行工厂化试验生产。

2 产品设计

2.1 设计目标

产品性能设计应符合API5CT要求［1］。为保证用户车削需求，产品外形加严控制要求。外径由API 5CT要求的-0.5%D～+1%D（D为管体名义外径）加严至+0～+1%D；壁厚由API标准要求的管体壁厚公差为-12.5%t（t为管体名义壁厚），加严至±10%t。美国API标准中要求钢管采用一种或多种方法检测内、外表面纵向和横向缺陷，P110验收水平L4，巨能特钢将验收级别控制在L2水平。

2.2 成分设计

用户要求成分按美国石油学会APISpec 5CT《套管和油管规范》执行。而美国出于技术保密考虑，在APISpec 5CT中仅规定了影响钢管使用性能的有害元素P和S的含量，产品主要控制成分没有涉及。P110钢级产品的强度要求高，低温性能要求也很高。因此巨能特钢设计了25Mn2V这一钢种进行调质生产P110钢级钢管。主要设计依据有：

1）C元素是钢中最基本元素，同时也是提高产品强度的最廉价元素。对于P110钢级来说，由于要求低温冲击性能，钢中的C元素不宜过多，应控制在中低碳的范围内。

2）对于Mn含量低于2.0%的中低碳钢来说，随Mn含量的增加，韧脆转变温度降低［2］。另外Mn含量较高时，有使钢晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆性敏感度［3］。

3）V是强化铁素体和γ相形成元素之一，它和C、N、O都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物，在低合金含量的钢中有着细化晶粒、增加钢的强度的作用［4］。基于成本的考虑，V元素控制范围较窄，波动控制在0.06%（绝对量）以内。

2.3 冶炼工艺设计

主成分控制：主成分不仅影响产品性能，同时也影响着热处理工艺的稳定性，为此严格控制浇次前后炉的主成分偏差。C成分偏差在0.02%以内，合金元素偏差在0.05%以内。

夹杂物控制：APISpec 5CT标准中虽然对夹杂物没有明确要求，但通过水压试验和探伤两种手段控制钢中的夹杂物。因此冶炼工艺设计过程中要考虑钢的纯净度问题。

低倍质量控制：设计符合该钢种特性的配水参数，同时采用电磁搅拌技术破坏柱状晶，防止产生枝晶偏析。

根据上述控制要求，冶炼时采用经预处理的高质量铁水，通过顶底复吹工艺，降低其中的P含量，保证出钢P≤0.012%；另外出钢过程中严格控制主要化学元素C、Mn和Si的加入量，按照C 0.21%、Mn 1.45%、Si0.25%进行成分配比。

70 t LF炉精炼过程中采用白渣工艺，保证钢水的还原性，降低钢水中的S和O含量，从而降低钢水中的氧化物夹杂和硫化物夹杂；同时配合吹氩工艺，促进钢水中的夹杂物上浮；使用硅钙钡铝脱氧和在线喂丝技术，采用Al+CaSi复合脱氧工艺，保证夹杂物控制在设计目标范围内。另外，为保证浇铸温度稳定，严格控制精炼出钢温度在1650～1680℃。

连铸过程中采用合适的保护渣进行保护浇铸，防止钢水二次氧化；采用挡渣墙使整个中间包的温度场均匀，同时保证夹杂物有充足的上浮时间，进一步降低钢中的夹杂物。另外设计合适的配水工艺，1至4段二冷段分别采用50%、25%、15%和10%的配水比例进行浇铸。

2.4 轧制工艺设计

为保证用户的切削需求，加严了外形尺寸的控制要求，另外产品还需要进行热处理，会有一定的烧损，为此轧制工艺设计时按照尺寸中上限控制。为降低轧制阻力，同时减少热应力，坯料加热温度逐步提高，均热段温度控制在1260～1280℃。为保证产品外形尺寸，严格执行各工序轧制变形工艺要求。另外为了消除因非工艺设计因素导致产品外形尺寸不合，要求生产操作人员每30min从生产线上取样进行检测。

2.5 热处理工艺设计

对于P110钢级产品，巨能特钢没有进行过热处理生产。为摸清该钢种热处理的规律，利用试制的热轧光管进行了一组实验室热处理工艺试验。淬火温度分别为850、870和890℃，淬火时间分别为20和30min；回火温度分别为540和560℃，回火时间均为40min。试验结果见表1。

表1 实验室试验结果

根据实验室试验结果，同时考虑热处理后产品性能的稳定性，制定热处理工艺：加热段温度（860±10）℃，保温段温度（880±10）℃；回火均热、保温段温度（570±10）℃。另外，为了降低因热处理造成的管体弯曲，采用31.3°的辊转角进行矫直。

3 产品试制

试制工艺路线：BOF冶炼→LF精炼+VD→连铸→蓄热式环形炉加热→Φ273锥形辊穿孔→Φ273狄塞尔轧管→（再加热炉）→微张力三辊定径→步进式冷床冷却→六辊矫直→吸灰→锯切→漏磁探伤→检查→淬火炉加热→淬火机淬火→回火→定径→热矫→冷却→检查（取样）→冷矫→吸灰→涂色标→超声波探伤→水压试验→通径检查→涂色环→测长、称重→压印→喷印→涂漆→包装→入库。

3.1 产品质量控制情况

1）主要化学成分：为保证产品的热处理稳定以及产品的最终性能，严格控制25Mn2V各元素的范围，具体控制情况见表2。

表2 试制产品的化学成分 %

2）夹杂物：夹杂物控制情况见表3。

表3 夹杂物控制情况 级

3）低倍质量：连铸坯低倍中心疏松控制在2级以内，没有其他缺陷。

4）外形尺寸和壁厚：控制情况见表4。

表4 外形尺寸和壁厚控制情况mm

5）性能：产品性能指标不是很理想，调质热处理共19个批次（含重新调质1批），其中有两个批次初验抗拉强度（845MPa、859MPa）低于标准下限（862MPa）。这两批的C含量均为0.23%。有1批C含量为0.22%的抗拉强度为871MPa，紧靠下限，其他批次抗拉强度合格，但富裕量不大。

6）无损检测：热处理后成品采用L2级超探，探伤质量水平为API 5CT标准中最高等级，探伤设备为相控阵超探，灵敏度很高。探伤过程中出现较多的钢管内表面报警。经解剖后用手持式超声波探伤仪定位，发现报警原因是内麻面伴有内皱纹，而不是裂纹，这种细小“缺欠”通常是允许存在的，不是缺陷，漏磁探伤正常。

3.2 工艺改进

针对上述问题对产品的设计进行修改：1）优化用于生产P110钢级钢管的25Mn2V管坯化学成分，将C含量控制在0.23%～0.26%。2）为减少内皱纹缺陷，改进热轧芯棒润滑的喷涂系统，解决喷涂不均匀、运行不稳定的问题，并采用较高质量的石墨润滑剂；同时，改用Φ180mm圆管坯，通过减少荒管定径量来减轻或防止内皱纹。3）热处理工艺的回火温度降低10℃。

改进前后的轧制变形工艺要求见表5。

表5 改进前后热轧钢管变形工艺

3.3 工艺改进后产品质量控制情况

根据改进要求，在第2次试制过程中严格控制C含量。经检验，C含量满足改进控制要求，其中0.23%、0.24%各1炉，0.25%2炉，0.26%2炉；其他元素控制范围和前一批试制情况基本一致。产品性能初验合格率达到100%，全部经过超声波探伤L2合格，几何尺寸、外表质量良好。力学性能统计如表6所示。此次生产热处理工艺和化学成分进行了微调，平均屈服强度提高到了903.8MPa，较改进前提高了60MPa，性能处于标准规定的中上水平，达到了工艺调整的目标。

表6 试制产品的力学性能

4 结语

采用25Mn2V生产的两批P110钢管都比较成功。特别是经过成分、轧制工艺参数及热处理工艺微调后，各项技术性能完全达到API 5CT和技术协议对P110钢级的要求，性能合格率100%，且强度指标有较大富裕量。从第2批检验结果看，全部16批32个试样的力学性能，除1个试样稍低外，基本达到Q125钢级的性能水平，这就为开发Q125钢级套管打下了基础，积累了经验。该项目于2012年12月通过了山东省经信委技术创新项目鉴定验收，评价为国内领先水平。目前，巨能特钢开发的材质为25Mn2V的P110级石油套管已纳入正常生产供货。

［1］ 美国石油学会.API5CT套管和油管规范［S］.9版.华盛顿：美国石油学会，2011：108.

［2］ 项程云.合金结构钢［M］.北京：冶金工业出版社，2002：106.

［3］ 孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册（上册）［M］.北京：冶金工业出版社，1984：50.

［4］ 孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册（上册）［M］.北京：冶金工业出版社，1984：89.