一种经济型N80Q套管热处理工艺研究

侯永利，刘新成，焦 炜

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

一种经济型N80Q套管热处理工艺研究

侯永利1,2，刘新成1,2，焦 炜1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

为了获得32Mn6钢调质升级为N80Q钢级石油套管的热处理工艺,研究和分析了32Mn6钢的相变温度和淬透性，制定了试验条件下的调质热处理工艺，并进行了试验研究。试验结果显示，32Mn6钢经过调质（淬火+回火）处理后，得到了回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能，满足石油套管性能的需求，其各项指标均达到API 5CT规范对N80Q钢级套管要求。研究表明，作为水淬钢种，32Mn6钢可用来生产N80Q钢级油套管。最后结合金相图对不同回火温度下的组织进行了分析,确定了32Mn6生产N80Q钢级的热处理工艺。

32Mn6钢；钢级；淬透性；热处理工艺；经济型

目前我国油井管产品供大于求，生产能力超过500万t，市场竞争日益激烈，因此研发低成本、经济型产品是企业应对市场竞争、改善经济效益的有效措施。套管是石油行业专业管材，N80钢级套管是需求量较大的常规品种，如果企业生产N80套管产品时选用外购的N80钢级管坯，仅完成管端车丝工序，经济效益较低。本研究采用价格相对较低的32Mn6材质管坯，通过热处理调质，提升套管力学性能，以达到API 5CT规范对N80Q钢级套管的要求，增加企业经济效益。

1 试样制备与研究方法

对外购的32Mn6材质管坯进行化学成分测定，测定结果见表1，夹杂物和有害元素均符合API标准要求。试样均从现场热轧管上截取，长度按照热处理试验平台要求制作，试样规格为Φ139.7 mm×9.17 mm×5 000 mm 和 Φ139.7 mm×9.17 mm×5 000 mm。

表1 试验用钢32Mn6化学成分 %

试验在连续热处理试验平台进行，试样分别在封闭的高温电阻炉和低温电阻炉中进行加热，炉温偏差±4℃。为保证淬火的冷却速度和均匀度，淬火工序采用新型内喷外淋淬火装置[1]，冷却水温度不高于30℃。力学性能试验采用万能试验机，金相组织形貌在扫描电子显微镜下观察。

依据32Mn6钢相变温度和对其淬透性的分析，制定试验条件下调质热处理工艺，选用影响热处理工艺性能的4个主要工艺参数[2]，即淬火温度、淬火时间、回火温度和回火时间，分别进行力学性能试验。为保证试验精度，每个温度制取3个拉伸试样和9个冲击试样，然后取平均值。

2 热处理工艺参数的制定

某钢种能否适用于水淬热处理工艺，其相变点温度（AC1、AC3）和淬透性是重要依据，也是制定该钢种热处理制度的基础[3]。

2.1 32Mn6钢相变点温度的测算

根据钢的化学成分，相变点温度（AC1、AC3、Ms）可根据公式（1）～（3）[4-5]计算确定：

经过计算得出32Mn6钢的AC1=716℃，AC3=809℃，Ms=375℃。为加速奥氏体形成，淬火温度可偏高些，一般亚共析钢的淬火温度为Ac3以上 30～50℃，合金钢为 AC3以上 50～100℃[6]。

2.2 32Mn6钢淬透性

从32Mn6钢的化学成分可以看出，该钢种的w（C）约为0.30%，合金元素Mn能增加奥氏体稳定性，能增加钢的淬透性，虽然不及Cr、Mo钢，但价格更为经济。按照钢的化学成分，计算该钢水淬临界直径（淬透性）约为25 mm，钢的水淬硬度采用公式（5）～（6）[7]测算：

32Mn6钢所对应100%马氏体硬度为51 HRC，50%马氏体硬度为36HRC。单向水淬9.17 mm深度时硬度约为49HRC，接近100%马氏体，远高于50%马氏体硬度，满足API标准要求[8]（N80钢在水淬后得到大于50%马氏体组织）。由于试验采用内喷外淋冷却工艺，内外表面双向冷却，冷却效果更佳，完全能满足Φ139.7 mm×7.72 mm和Φ139.7 mm×9.17 mm淬透要求。

根据32Mn6钢相变点温度和淬透性，设定32Mn6钢管热处理工艺：淬火温度850～900℃，淬火加热时间30～40 min，回火温度为580～650℃，回火加热时间50～60 min。

3 热处理试验

此次试验是在热处理实验室进行，目的是研究32Mn6钢热处理工艺性能，提升原有管坯钢级，挖掘其力学潜能，增加销售价值。根据钢的相变温度和淬透性，初定热处理试验工艺，具体参数见表2。

对热处理试验后的试样进行综合力学性能检测，检测结果见表3和表4。按照API 5CT对N80Q钢级套管性能规定[8]，屈服强度为552～758 MPa，拉伸强度≥689 MPa，延伸率≥15%，横向冲击功≥20 J，纵向冲击功≥41 J。试验结果表明，经热处理工艺后的32Mn6钢的力学性能完全满足API 5CT对N80Q钢级套管性能的要求。

表2 32Mn6钢热处理试验工艺

表3 热处理后Φ39.7 mm×7.72 mm试样的力学性能检测结果

表4 热处理后Φ39.7 mm×9.17 mm试样的力学性能检测结果

4 试验结果讨论

4.1 淬火

从表3、表4试验数据可以看出，6个试样热处理后各项性能均符合API 5CT要求，屈服强度高于标准的最小屈服强度。考虑实际用管壁厚较薄，淬火温度仅选择870±10℃一种，试验结果较为理想。资料显示，当淬火温度达到完全奥氏体温度，温度继续升高时，奥氏体晶粒会自发长大，会降低冲击性能，因此淬火温度不宜过高[9]。

淬火加热时间根据经验公式t=kd[10]计算得到，其中d是工件有效厚度（mm）；k是加热系数，一般取1.5～2.0 min/mm。计算可得本次加热时间为18 min，保温时间15～20 min。不论试验还是生产，该钢种均以水作为淬火介质，一般情况，水的冷却能力强，具有冷速高、操作方便、劳动条件好等特点[11]。由于32Mn6钢淬透性较高，加之试验采用内喷外淋冷却工艺，产生的应力较小，冷却均匀度较好。日本钢管公司的研究结果表明[12]，采用内喷外淋淬火装置，完全保证钢管得到的淬火组织，在一定范围内的冷却水温度，能够满足该钢种冷却速度的要求，考虑水温对钢淬透性的影响，水温应控制在30℃左右，最高不超过35℃[13]，否则影响钢的淬透性。试验淬火水温约为25℃。

4.2 回火

从试验数据来看，回火温度选取590℃、610℃和650℃时，其力学性能均符合API 5CT要求。就试验结果而言，回火温度对屈服强度影响较大，对冲击韧性影响不明显。但符合“随着回火温度增高，强度有所降低，韧性有所提高”这一规律[14]。图1为不同回火温度时32Mn6钢显微组织，从图1可以看出，回火均得到回火索氏体组织。在590℃回火时，晶内、晶界存在棒状和条状碳化物；回火温度达到650℃时，棒状和条状碳化物粗化和长大，数量增多。

图1 不同回火温度32Mn6钢显微组织

回火时间由加热时间和保温时间合计而得，回火时间参考公式t=kd+b计算，其中d是工件有效厚度（mm）；k是加热系数，一般取1.0～1.5 min/mm；b为附加时间，一般为15～20 min。计算本次加热时间为15 min，保温时间为20～30 min。因此回火时间只要大于35 min就可满足回火要求。

通过对试验结果分析，结合实际热处理设备特点，32Mn6材质的无缝套管管坯热处理最终采用“870℃水淬、40 min+600～650℃回火、50～60 min”工艺。经该工艺处理后的32Mn6钢屈服强度可达 615～730 MPa，拉伸强度可达705～815 MPa，横向冲击功达 85～93 J，纵向冲击功可达122～140 J，可保证套管管坯的力学性能满足API 5CT对N80Q钢级套管要求。

5 经济效益分析

目前利用32Mn6钢制造的N80Q套管在公司已推广生产，同32Mn6材质J55套管相比，32Mn6材质N80Q套管价格增加600元/t，同时可结束公司依赖外购N80管坯状况，增强了公司市场竞争力。

6 结 论

（1）按照API 5CT对N80Q技术规范要求，完全可以用32Mn6材质钢管生产N80Q钢级油套管，为保证处理后套管力学性能稳定处在标准中上限，可适当降低回火温度。

（2）32Mn6材质未含稀有合金元素，外购热轧32Mn6管坯原料成本低；热处理采用水淬工艺，生产成本低，无火灾隐患和环境污染。

（3）32Mn6材质J55套管管坯调质工艺确定为“870℃水淬、 40 min+600～650℃回火、 50～60 min”，调质后的套管力学性能满足API 5CT规范N80Q钢级套管要求。

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Study on a Kind of Economical Heat Treatment Technology for N80Q Grade Casing

HOU Yongli1,2,LIU Xincheng1,2,JIAO Wei1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petrolenm and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to obtain the oil casing steel heat treatment process of 32Mn6 steel upgraded to N80Q grade,it researched and analyzed the transformation temperature and hardenability of 32Mn6 steel,formulated tempering heat treatment process under experimental conditions and conducted experimental study.Test results showed that the sorbite organization was obtained for 32Mn6 steel after quenching and tempering treatment,it has the good comprehensive mechanical properties,which can meet the performance requirements of oil casing,and the various indexes reach the requirements of API 5CT standard.Research showed that as water quench steel grade,32Mn6 steel can be used to product N80Q steel grade oil casing.Finally,combined with metallographic figure,the microstructures were analyzed under different tempering temperature,determined the heat treatment process of 32Mn6 steel to produce N80Q grade oil casing steel.

32Mn6 steel;steel grade;hardenability,heat treatment process;economical

TG156

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.007

侯永利（1976—），男，陕西扶风人，工程师，现主要从事钢管热处理工艺研究工作。

2016-04-22

黄蔚莉