超高强度石油套管低温冲击韧性浅析

张 旭,李恒正,扈 立,王 正,黄蓓蓓

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津300301)

超高强度石油套管低温冲击韧性浅析

张 旭,李恒正,扈 立,王 正,黄蓓蓓

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津300301)

通过三种热处理工艺获得140ksi、155ksi和170ksi三个不同钢级,并分别对这三个钢级进行系列低温冲击试验(20℃～-80℃),研究热处理工艺、钢级和轧制对高强度石油套管低温冲击韧性的影响。对低温脆性产生原因进行机理分析。结果表明:回火温度升高,室温韧性储备增加,韧脆转变温度降低;钢级升高,高温和低温冲击值差值减小,脆性面积百分比增加,韧脆转变温度升高;140ksi和155ksi横纵向韧脆转变温度相同,170ksi钢级套管的横向韧脆转变温度低于纵向韧脆转变温度;轧制工艺导致钢管的纵向冲击韧性优于横向。

低温冲击韧性;韧脆转变温度;回火温度;钢级;轧制

1 引言

我国西部地区石油、天然气资源储备丰富,其埋藏地层深,地质结构异常复杂,要求套管具有较强的抗轴向载荷、抗挤毁和抗内压能力,开采需要高强度高韧性石油套管,强调套管具有优异的综合力学性能,却忽视了套管的低温冲击性能,西部地区漫长寒冷的气候对套管的冲击韧性产生一定的影响,因此要求套管具有良好的低温冲击性能。

2 试验材料及方法

取热轧态无缝钢管ϕ244.48mm× 11.99mm,化学成分(Wt%)为:C:0.20%～0.30%,Si:0.15%～0.45%,Mn:0.5%～2.0%,Cr:0.5%～1.8%,Mo:0.3%～1.2%。

试验钢经870℃淬火保温40min水淬,回火温度为600℃、640℃、680℃保温80min后空冷。按照ASTM A370标准加工试样及试验,拉伸试样加工成板状试样,在室温下进行试验;冲击试样加工成夏比V型缺口冲击试样,系列冲击试验温度分别为20℃,0℃, -10℃,-20℃,-40℃,-60℃,-80℃。冷却介质为低温冷却油,每个温度做三个试样,取平均值。

3 试验结果与分析

3.1 系列低温冲击值和剪切比比较

表1为小样热处理后性能,3个小样都获得了优良的综合力学性能。由图1和图2可见,随着试验温度的降低,140ksi,155ksi, 170ksi钢级套管的纵向和横向冲击韧性逐渐降低;随着钢级的提高,冲击韧性降低的幅度逐渐加大,且155ksi和170ksi冲击韧性较140ksi有大幅度的降低;横向冲击值降低的幅度稍大于纵向冲击值。

各个钢级在低温下的剪切比与冲击值具有相似的变化规律,剪切比更能直观的反映韧性的变化情况,以及确定韧脆转变温度。由图3和图4可见,随着试验温度的降低140ksi钢级的纵向和横向的剪切比只在-80℃有所下降,但仍高于90%;155ksi和170ksi钢级套管的剪切比出现大幅度的降低,钢级升高,降幅加大;170ksi钢级套管的横向剪切比较纵向下降更快。

3.2 韧脆转变温度的确定

随着试验温度的降低,冲击试样断裂方式由韧性断裂逐渐转变为脆性断裂,脆性断裂面积逐渐增大,如果脆性断裂面积降到50%以下,并且拟合曲线有较为明显的上下平台,将50%脆性面积对应的试验温度定为韧脆转变温度,同时也用该方法确定韧脆转变温度[1]。

由图3和图4可见,140ksi钢级套管纵向和横向在-80℃剪切比约为90%,对应的脆性面积约为10%,按照上述定义韧脆转变温度的方法140ksi的韧脆转变温度应该在-80℃以下;图5和图6确定了155ksi钢级套管的韧脆转变温度,纵向为-41℃,横向为-42℃;图7和图8确定了170ksi钢级套管的韧脆转变温度,纵向为-25℃,横向为-18℃。

表1 140ksi、155ksi、170ksi钢级套管小样力学性能值

图1 纵向冲击值比较

图3 纵向剪切比比较

图4 横向剪切比比较

图5 155ksi纵向韧脆转变温度

图6 155ksi横向韧脆转变温度

图7 170ksi纵向韧脆转变温度

图8 170ksi横向韧脆转变温度

3.3 低温冲击韧性的影响因素

3.3.1 回火温度的影响

由图9到图11可见,随着回火温度的升高170ksi钢级降到155ksi钢级及140ksi钢级,相应的组织状态发生变化,组织变得越来越均匀,冲击韧性不断提高。这是由于淬火时产生的高密度位错,在回火过程中,α相中的位错胞和胞内位错线逐渐消失,降低了晶体中的位错密度。当回火温度升高到600℃以上时,α相发生再结晶,由板条晶逐渐转变为位错密度低的等轴晶[2],通过回复再结晶,降低了材料中的空位、位错等缺陷的数量,从而提高材料的冲击韧性储备,不但保证了具有足够高的室温冲击韧性,在低温环境下也具有较高的韧性储备,降低了冲击韧性的下降率。可见,回火温度的变化对室温冲击韧性有重大影响,而且会延续到对低温冲击韧性的影响。

图9 140ksi回火索氏体组织100×

图10 155ksi回火索氏体组织100×

图11 170ksi回火索氏体组织100×

3.3.2 强度的影响

强度等级对套管的低温冲击韧性和韧脆转变温度有重要影响。当钢级从140ksi提高到155ksi直至170ksi,高温、低温冲击差值逐渐减小由58J降到53J直至46J;而低温脆性面积百分比在逐渐加大,其韧脆转变温度不断升高。对于155ksi以下钢级套管的纵向和横向确定的韧脆转变温度基本相同,但170ksi钢级套管的韧脆转变温度横向相对纵向有所不同,这是由于随着钢级的提高,横向冲击较纵向冲击具备的韧性储备不同,低温下,韧性损失更大,韧脆转变温度更高。可见,强度等级对低温冲击韧性及韧脆转变温度有很大的影响。

3.3.3 轧制的影响

我们还发现170ksi钢级套管的横纵向韧脆转变温度存在一定的差异,这与无缝钢管的制造工艺有很大关系。无缝钢管经过穿孔、连轧和定径三大变形工序,钢管的径向变形受到芯棒和轧辊的很大限制,管体的主要变形量都沿着纵向伸展,导致钢管纵向和横向变形不均匀,纵向变形量远高于横向。热轧时的再结晶轧制,以及后续的调质处理,使得室温下获得等轴晶粒,排除晶粒尺寸对性能的影响。但是铸坯本身存在的冶金缺陷、夹杂物等沿纵向分布,形成带状组织,使得纵向缺陷的数量相对的要小于横向,所以,纵向的冲击韧性好于横向冲击,170ksi套管的纵向韧脆转变温度低于横向。

3.4 低温脆性的机理分析

由上文分析可见,随试验温度的降低,韧脆转变温度升高。这是由于体心立方结构的晶体,随试验温度的降低,位错运动速度降低,表现为材料韧性下降,当局部存在应力集中时,容易发生由应力集中导致的低温脆性断裂。其本质是随着试验温度的降低,屈服强度不断上升,但断裂强度却维持不变,材料未屈服先断裂[3]。

材料的屈服强度升高,即晶体发生滑移、塑性变形的临界分切应力变大。派纳力(τp)是临界分切应力的重要组成部分。对于体心立方结构的金属,临界分切应力与温度有很大关系,如图12所示,临界分切应力分为与温度有关的量τ和与温度无关的量τ*,即τc=τ+τ*[4]。位错在晶格中移动时,要受到派纳力的影响,位错核心能是周期性变化的,在低温下,位错处于peierls势能谷,运动能力下降,位错想要运动需要整根翻越peierls势能才能继续发生塑性变形,这时的临界分切应力增大,材料的屈服强度随之增加,以至超过断裂强度,发生低温脆性解理断裂。

图12 临界分切应力与温度的关系

4 结论

(1)随着回火温度升高,细化、均匀化组织,降低空位和位错等缺陷的数量,提高了韧性储备,降低韧脆转变温度。

(2)钢级升高,冲击韧性下降,韧脆转变温度升高。

(3)轧制时,晶粒、空位等缺陷沿纵向择优取向,导致纵向低温冲击韧性优于横向。

(4)体心立方结构金属,低温下临界分切应力变大,高于材料的断裂强度,发生低温脆性断裂。

[1] 罗晓蓉,陈晨枫,丁欲晓,等.基于Origin软件正确评定韧脆转变温度[J].物理测试,2010, 28(2):37-43.

[2] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].机械工业出版社,2010.

[3] 那顺桑,李杰,艾立群.金属材料力学性能[M].冶金工业出版社,2011.

[4] 余永宁.金属学原理[M].冶金工业出版社,2000.

Study on the Low Temperature Impact Toughness of Ultra-high Strength Casing

ZHANG Xu,LI Heng-zheng,HU Li,WANG Zheng,HUANG Bei-bei
(Technology Center of Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The three different grades for 140ksi、155ksi and 170ksi were obtained through three kinds of heat treatment.A series of low temperature impact tests(20℃～-80℃)for three grades were carried out.The influence of heat treatment、grade and rolling on the low temperature impact toughness of high strength casing was studied,the mechanism of low temperature brittleness was analysed.The results show:The room temperature toughness reserve increase with tempering temperature increase;The difference of high temperature and low temperature impact toughness value decreases,and the percentage of the brittle area increase,and the ductile-brittle temperature(DBTT)increases with the grade increases;The transverse DBTT is the same as the longitudinal DBTT of 140ksi and 155ksi.The transverse DBTT lower than the longitudinal DBTT of 170ksi casing;The longitudinal impact toughness is better than the transverse impact toughness because of the rolling.

low temperature impact toughness;DBTT;tempering temperature;grade;rolling

TG335.7

:A

1001-5108(2015)06-0035-05

张旭,硕士,工程师,主要从事油井管开发方面的工作。