N80膨胀管热处理工艺研究

田小江 ，罗卓辉 ，马佼佼 ，梁 航

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008;4.中国石油天然气集团公司，北京100007）

0 前 言

膨胀管技术是近年发展起来的一项实用钻井技术[1]，是21世纪石油天然气工业中的关键性技术之一[2-3]。

我国对可膨胀管技术的研究起步较晚，1999年才开始对可膨胀割缝管进行研究，2001年开始对可膨胀管进行实体研究，但还仅停留在跟踪国外技术阶段[4-6]。

膨胀管是一种特殊的石油专用管，具有良好的塑形变形能力[7]，膨胀管在塑性变形区域内膨胀[8]，这就要求其材料在膨胀过程中应具有良好的塑性变形能力，冲击韧性和抗腐蚀、磨损及断裂等性能[9-11]。除了具备良好的膨胀性能（易膨胀性及膨胀过程均匀变形）外，须确保膨胀后达到API相应标准的其他性能要求[12]。为了得到高性能N80膨胀管材料，获得软硬相混合匹配的目标组织，在材料成分控制范围、组织设计和工艺设计的基础上[13-15]，改变热处理工艺参数，使组织达到良好的匹配从而使性能达到设计要求。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料使用自主研发的膨胀套管卷板，通过HFW焊接和热张减工艺等，得到准139.7mm×7.72 mm膨胀管管坯。对试验管坯进行常规性能检测取样，不同检测项目的取样位置见表1。试样化学成分检测结果见表2。

表1 不同检测项目的取样位置

表2 化学成分 %

1.2 试验方法

将管坯加工成L0=50 mm，b=12.7 mm的拉伸试样，使用ZWICK 1200E型电子万能试验机进行拉伸性能试验。用PSW750冲击试验机对试样进行冲击试验。取金相试样研磨，抛光后用4%的硝酸酒精浸蚀，用Olympus-PMG3型光学显微镜进行金相分析。用Durascan-70维氏硬度计测试管坯显微硬度。然后，对管坯进行热处理参数调节，在不同淬火、回火、回火时间下进行热处理试验。对热处理后的管段取样进行拉伸性能试验，用S-3700N扫描电镜进行组织形貌分析。

2 试验结果和讨论

2.1 管坯拉伸性能

管坯拉伸性能检测结果见表3。试验结果表明，尽管进行了热张减加工工艺，但准139.7mm×7.72 mm管坯的强度指标仅达到API 5CT J55钢的下限要求，未能达到API 5CT N80钢的要求。要获得N80膨胀管材料，需要对管坯进一步进行热处理，以提高钢的强度及性能。

表3 管坯母材纵向拉伸性能检测结果

2.2 管坯冲击韧性

母材及焊缝中心的冲击韧性检测结果见表4。

表4 管坯的冲击韧性 （0℃全尺寸试样冲击功/J）

2.3 管坯金相组织

焊缝及母材的金相组织如图1所示。由图可见，微观组织均为F+P，晶粒尺寸较为粗大，这是管材强度和韧性普遍不高的原因。

2.4 管坯显微硬度

由表5可见，管坯热张减工艺后，焊缝、母材和热影响区的硬度基本一致。

随后将热张减管坯截成300 mm长的管段，进行了热处理试验，重点考核不同的热处理工艺参数对管材显微组织和力学性能的影响。

2.5 淬火温度的影响

试验选用四组不同的淬火温度A1～A4，温度逐次升高，之后在B℃同时进行回火，得到的金相组织如图2所示，拉伸性能见表6。

图1 焊缝及母材的金相组织

表5 管坯显微硬度 HV10

图2 不同淬火温度下管坯的金相组织

可见，随着淬火温度的升高，析出的合金碳化物颗粒粗化较严重，影响了材料的均匀延伸率。因此，淬火温度不宜太高。

表6 不同淬火温度下管坯的拉伸性能

2.6 回火温度的影响

试验在A℃淬火，选用三组不同的回火温度B1～B3，温度逐次升高，回火时间相同。得到的显微组织如图3所示，拉伸性能见表7。可见，随着回火温度的升高，软相铁素体充分多边形化，同时小颗粒合金碳化物溶解，大颗粒合金碳化物聚集球化，大小均匀且分布更弥散，提高了材料的均匀延伸率。因此，应选择较高的回火温度。

图3 不同回火温度下管坯的显微组织

表7 不同回火温度热处理试样的拉伸性能

2.7 回火时间的影响

试样在A℃淬火后，在B℃分别回火保温30min，60 min，120 min和240 min，立即空冷。得到的管坯拉伸性能见表8。

表8 不同回火时间热处理试样的拉伸性能

可见，随着回火时间的延长，小颗粒合金碳化物溶解、大颗粒合金碳化物聚集粗化严重，由于软相铁素体多边形化越充分，均匀延伸率较高、强度下降。因此，综合考虑性价比，应选择回火时间1 h左右。

3 结 论

（1）软硬相组织的合理匹配是钢管获得可膨胀性能的关键。

（2）通过特殊热处理工艺可以获得以多边形铁素体为软相、以马氏体、合金碳化物或逆转变奥氏体为硬相的双相或者多相组织。其中，淬火、回火的温度及其保温时间的选择对材料的组织性能均有较大的影响。

（3）形成了N80钢膨胀管重要的热处理工艺参数控制范围，即 “淬火温度 （略高于材料的Ac3转变点）+回火温度 （略低于 A1转变点）”，通过该热处理工艺可使得钢管在满足基本强度性能要求的同时，均匀延伸率还能稳定保持在9%以上的水平，实现良好的强塑性匹配。

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