穿越用高韧性V150 钢级钻杆管体的研究

刘聪

（渤海石油装备制造有限公司渤海能克钻杆有限公司，河北 青县 062658）

V150 钢级作为已经投用的最高钢级油井管，得到了油井管行业内重点关注与开发，已经有厂家开发出高韧性V150钢级油井管，V150 钢级套管在使用中由于冲击韧性不足等引发了质量问题，在API 5CT 标准中已经取消，但是在DS-1标准中仍然有V150 钢级钻杆。

中石油管道局穿越分公司已经采用V150 钢级钻杆进行管道穿越施工作业，并采用该钢级钻杆创造了多项穿越施工世界纪录。该V150 钢级钻杆为第一机械厂2011 年开始研究开发的高新产品，经过这两年的改进，在满足V150 钢级要求的情况下，提高了管体冲击韧性，20℃、7.5x10mm 冲击功达到90J 以上，在穿越施工现场应用2 年多以来没有发生因产品本身导致的质量问题。

1 V150 钢级标准

钻杆业基本采用美国石油协会的钻杆规范，最新版本为ANSI/API Spec 5DP—2009 标准（简称API 5DP—2009）第1 版，该标准没有V150 钢级。DS-1TM标准（钻井用管材产品规范）第三版中标重钻杆管体、厚壁钻杆管体均有V150 钢级，该标准对拉伸性能（表1）、夏比V 形缺口纵向冲击共（表2）进行了规定。

表1 DS-1 标准对钻杆拉伸的要求

表2 DS-1 标准对夏比V 形缺口纵向冲击功的要求 J

2 钻杆管体用钢、实验设备

国内钻杆用管多采用天津某钢管公司生产的无缝钢管，本次公司和该钢管公司合作开发V150 钢级钻杆管体。该公司用于高钢级钻杆的材料（S135）常用的27CrMo44、28CrMo47、24CrMo45V 等钢种，单纯通过降低回火温度可以达到150Ksi 屈服强度要求，但是冲击韧性将下降，见图1，这种产品已经证明会出现质量问题。对此，针对V150 钢级，在已经应用的高韧性S135 材料24CrMo45V 材料上进行开发出新材料，通过调整合金元素的方案提高产品的强度和韧性。

图1 24CrMo45V 性能

钢种技术方案为：

（1）提高钼元素含量：钼元素是碳化物形成元素，在合金钢种可以提高钢的硬度，可以起到抑制回火脆性，细化晶粒的作用有利于改善钢的韧性。

（2）降低锰元素含量：降低锰元素可以减少钢的回火敏感性，提高钢的韧性，也有利于后续与钻杆接头的摩擦压接焊。

（3）改进钒元素含量：钒元素能够细化晶粒度，提高提高合金钢的强度和韧性，还具有提高回火稳定性的作用。

通过以上思路，设计出高韧性V150 钢级用无缝钢管用钢，产品牌号为24CrMo45V。

将无缝钢管两端加厚成型制成钻杆管体，随后进行钻杆管体热处理。热处理炉采用蓄热式步进式热处理炉，淬火机为台架式淬火机。热处理工艺采用淬火+高温回火的调质热处理。

热处理试验用管规格为Φ168.3mm×10.92mm，热处理试验后依据API 5DP 标准进行加工取样。拉伸试样：管体条形W=25.4±1.575(mm)，标距G=50.0±0.10(mm)；夏比冲击试样：管体7.5×10×55mm。

拉伸试验机：WES-600，冲击试验：ZBC2752N-3，晶粒度和组织分析：OLYMPUS GX-51 金相显微镜。

3 热处理工艺方案

在车间生产时，在保证淬透的前提下，主要通过回火温度的变动来调整管体性能符合要求。本文采用仅改变回火温度的技术方案进行研究，拟定技术方案见表3。

表3 热处理工艺方案

4 钻杆管体性能

试验时每3 支管体为一组进行，图2 所示分别为在不同工艺方案下管体屈服强度、夏比冲击功（7.5×10mm）。

图2 在不同回火温度下管体性能

进一步分析可知，对于该钢种，当回火温度低于660℃时，屈服强度满足V150 钢及要求；当回火温度超过660℃时，屈服强度不合格并且有明显的下降趋势。对于冲击韧性，当回火温度小于660℃时，产品的韧性值较低；当回火温度大于660℃时，韧性呈现明显的上升趋势。

综合比较相关数据，可以发现方案三（回火温度660℃）屈服强度、冲击韧性比较理想，将方案三作为批量生产时的方案。

5 生产时钻杆管体性能

采用方案三，制定出生产工艺，并进行了多个批次的生产，生产规格为Φ168.3mm×10.92mm，长度8900±100mm，相关数据如表4。

分析表中数据可以看出，生产的机械性能符合V150 技术要求，冲击韧性能够达到90J 以上。

在管体热处理方案实施过程中，对淬火、回火后管体金相组织进行了分析，照片如图3 所示。淬火后的管体金相组织为95%以上的马氏体组织（图3a）；回火后的管体金相均能达到95%以上的回火索氏体组织（图3b），晶粒度在9 级以上。

6 讨论与分析

6.1 产品设计性能

高韧性V150 钢级钻杆管体产品主要性能指标是冲击韧性。通过开发的钢种，配合合理的热处理方式能够达到高强度与高韧性匹配的效果，管体生产性能满足客户要求。

6.2 生产中遇到问题

采用该材料已经生产V150 钢级钻杆管体1000 吨左右，产品全部应用于穿越施工，在西气东输二线南昌—上海支干线林头村抚河、赣江两项穿越工程中均取得了良好的效果。V150 钢级强度高，屈服强度上下限范围仅有月100MPa，生产中出现3 个批次强度不合格，2 次超上限，1 次低于下限，生产中不易控制。穿越施工和石油钻井作业还有一些不同点，穿越施工对钻杆的最小屈服强度有限制，对屈服上限没有要求，反而希望能够承受的拉力越大越好，V150 钢级的屈服强度范围还可以进一步探讨。

表4 V150 钢级生产机械性能

图3 管体热处理后的金相组织

7 结语

通过化学成分设计，开发出了应用于V150 钢级的钢种，配合合理的热处理工艺开发成功V150 钢级钻杆管体，该产品有以下特点：

（1）V150 钢 级 钻 杆 管 体 冲 击 韧 性 好，-20 ℃、7.5×10mm 可以达到90J 以上，满足了高韧性钻杆的要求。

（2）V150 钢级钻杆管体回火温度660℃比较理想。