N80级石油套管用非调质钢36Mn2V的研发和生产

李祥才，李维海，张 虎

（1.青岛特钢棒材所，山东青岛266409；2.青岛特钢型材厂，山东青岛266409）

0 引言

石油套管是支撑油井井壁的钢管，其寿命往往直接决定了油井的寿命。由于以N80级为代表的石油套管能够满足深井、超深井、复杂结构井等高难度工艺井对石油套管的性能要求，因此其数量在不断增加[1-5]。采用非调质管坯钢制成的石油套管，成品无需热处理，可直接使用，不但能节省能源，而且还可以减少生产工序，这既是石油套管用钢的发展方向，也是未来其它钢种的发展方向。近期我公司根据客户要求首次开发生产了N80级石油套管用非调质管坯钢36Mn2V，为了确保产品质量，技术人员对该钢进行了全面检验。

1 生产工艺

N80级石油套管用非调质管坯钢36Mn2V生产工艺为：LD（100 t）转炉→LF（100 t）精炼炉→RH（100t）真空脱气→CC连铸→轧制，其中轧制工艺见表1。同时，为了保证圆钢母材表面硬度不大于客户要求（协议要求不大于220 HBW），轧制工艺采取圆钢上冷床加盖保温罩、上冷床圆钢之间不空齿进行生产。

表1 36Mn2V非调质管坯钢轧制工艺 /℃

2 实物质量检测

2.1 化学成分

Φ85 mm规格非调质管坯钢36Mn2V共生产2批，约190 t，其化学成分见表2。

从成分化验结果来看，青岛特钢生产的非调质管坯钢36Mn2V主要化学成分和五大有害元素As、Sn、Bi、Pb、Sb 均满足客户要求。36Mn2V 钢中含有一定量的V元素，V元素除了有固溶强化的作用外，还有细晶强化的作用，但V元素细晶强化必须要求钢中含有一定量的C、N元素，以形成VC、VN、V（C、N）细小弥散颗粒，达到细晶强化的作用，才有助于36Mn2V钢强度和冲击韧性的提高，从而满足36Mn2V非调质钢性能的要求。36Mn2V钢中已含有0.32～0.39%的C元素，可以满足生成VC细小弥散颗粒，但为了同时能够满足钢中能够生成VN、V（C、N）细小弥散颗粒，要求钢中也必须含有一定含量的N元素。因此在冶炼生产36Mn2V钢时，决定在LF、RH冶炼过程使用氮气代替氩气作为提升气，既希望钢中N含量能够满足客户要求（客户要求N含量不大于80×10-6），同时也希望钢中能够加入了50×10-6～80×10-6的 N，以生成 VN、V（C、N）细小弥散颗粒，达到提高性能的目的。化学成分检验表明，所生产 2 炉钢中的 N 含量分别为 77×10-6、75×10-6，既能满足客户协议要求，也满足生产内控要求，说明生产过程在LF、RH冶炼过程使用氮气代替氩气作为提升气达到了应有的增N效果。同时为了进一步细化晶粒、净化钢液、提高钢的强度和冲击韧性，36Mn2V钢中还刻意加入了0.010%～0.020%含量的Al，通过Al和钢中加入的N结合，形成AlN来钉扎晶界细化晶粒，进一步提高36Mn2V钢的强度和冲击韧性。另外研究表明[6-7]，当钢中的Ti含量控制在0.010%～0.030%时，钢中的Ti会和钢中的C、N生成细小弥撒而不是大颗粒的TiC、TiN、Ti（C，N），细小弥散的TiC、TiN、Ti（C，N）会起到细化晶粒的作用，同时提高钢的冲击韧性和强度。另外，36Mn2V属于高锰钢，连铸坯表面容易产生裂纹，而钢中添加少量的Ti可以和钢中的 C、N元素生成 TiC、TiN、Ti（C，N）细小颗粒细化晶粒，提高高温塑性，最大程度地避免连铸坯表面出现裂纹，为此在生产时特别在36Mn2V钢中添加了0.010% ～0.020%的Ti。

表2 36Mn2V非调质管坯钢主要化学成分/%

36Mn2V钢之所以能够称之为非调质钢，主要就是利用钢中生成的 VC、VN、V（C、N）和 AlN、TiN、TiC、Ti（C，N）细小弥散颗粒通过细晶强化同时，提高母材的强度和冲击韧性，以此来达到非调质钢所要求的性能。因此，在36Mn2V钢中添加0.010%～0.020%的 Al、50×10-6～80×10-6的 N、0.010%～0.020%的Ti，不但有助于细化36Mn2V钢的晶粒度，而且有助于提高36Mn2V的强度和冲击韧性。

2.2 氧氮氢含量分析

36Mn2V非调质管坯钢O、N、H含量见表3。从表中可以看出，其O、H含量均较低，而N元素因为是刻意加入的，所以N含量稍微较高，但也能够满足客户要求。

表3 O/N/H含量

2.3 奥氏体晶粒度

经检验，生产的2批36Mn2V奥氏体晶粒度均为9.0级，比客户要求高4.0级。从前述分析得知，36Mn2V晶粒细小与钢中添加的少量Ti、N、Al和钢中的V元素密切相关

2.4 夹杂物检验

非金属夹杂物检验结果见表4，均满足客户要求。

表4 36Mn2V非调质管坯钢非金属夹杂物检验结果/级

2.5 低倍检验

36Mn2V圆钢低倍检验结果见表5。从客户要求来看，客户对低倍要求非常严格，但从检验结果看，青岛特钢生产的36Mn2V非调质管坯钢低倍结果均满足客户要求。

表5 36Mn2V圆钢低倍结果/级

2.6 表面硬度

客户对36Mn2V母材有硬度要求（协议要求圆钢表面硬度不大于220HBW）。为了满足客户硬度要求，生产上采取圆钢上冷床加盖保温罩、上冷床圆钢之间不空齿措施，以降低36Mn2V表面硬度。硬度检测结果表明，Φ85mm规格36Mn2V圆钢表面硬度满足客户要求。36Mn2V硬度检测结果见表6。

表6 36Mn2V硬度检测结果

2.7 热顶锻试验

为了保证产品表面质量，对这2批Φ85 mm规格36Mn2V非调质管坯钢分别取样2块做热顶锻检验，检验全部合格。热顶锻检验表明生产的Φ85 mm规格36Mn2V非调质管坯钢表面质量较好。

3 结语

检验表明，青岛特钢应客户要求开发的N80级石油套管用非调质管坯钢36Mn2V，生产工艺合理，客户要求的检验指标均能够满足客户要求，且表面质量较好，用户穿管后，在钢管上取样分别检测拉伸和冲击性能，发现拉伸和冲击性能均满足N80级石油套管性能要求，说明青岛特钢已经具备了生产N80级石油套管用非调质管坯钢36Mn2V的能力。