稠油热采井用25CrMoBVRE 钢管的调质工艺研究

2020-12-22石晓霞任慧平赵艳辉

钢管 2020年5期

石晓霞，李晓，任慧平，李静，赵艳辉

（1. 内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010；2. 内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古包头 014010）

稠油在我国石油资源储备中占30%以上，辽河油田、胜利油田、克拉玛依油田、中原油田及江汉油田稠油资源丰富，国外加拿大、委内瑞拉、美国、印尼等国家稠油资源也非常丰富。由于稠油黏度大，所以采油难度大，主要采用热力开采的方法，开采过程中，套管工作环境温度高达320 ℃左右，有的井高达375 ℃［1］，另外，开采过程中套管注气压力高达17 MPa。受高温、应力的综合作用，稠油油井套损非常严重，大大增加了开采的成本。API 中没有稠油热采专用套管，国内外也只有小部分厂家开发成功，大多油田只能选用普通API 套管［2-5］。25CrMoBVRE 是内蒙古包钢钢联股份有限公司（简称包钢）自主研发的、具有知识产权的非API稠油热采套管BT100H 用钢，为了保证良好的综合力学性能，需要对其进行调质处理，立足节能与降本，开展25CrMoBVRE 钢调质工艺研究意义深远。

1 试验材料及方法

试验材料为包钢生产的稠油热采专用套管BT100H 用钢25CrMoBVRE，其主要化学成分见表1。其生产工艺为：90%高炉铁水+10%废钢→顶底复吹转炉冶炼→LF 炉外精炼→VD 真空处理→圆坯连铸→环形炉加热→锥形穿孔机穿孔→MPM 连轧管→定（减）径均整，轧制成规格为Ф177.8 mm×9.19 mm×1 000 mm 无缝钢管。

表1 25CrMoBVRE 钢的化学成分（质量分数） %

截取Ф177.8 mm×9.19 mm×300 mm 样管5 支用于试验，其中1 支用于检测样管轧制态力学性能及组织，另外4 支沿纵向三等分切割成12 块瓦状试样，根据不同热处理工艺进行调质处理。淬火试验采用箱式电阻炉加热及保温，淬火在水槽中进行，为保证试样淬火时能够均匀冷却，将试样快速放入水槽，同时进行搅动，并定期更换冷却水，保证冷却水温低于30 ℃，回火试验采用空气炉加热保温，冷却方式为空冷。调质处理后的试样按照API Spec 5CT—2018《油管与套管规范》加工成条状拉伸试样及冲击试样，根据研究内容，采用线切割切取不同淬火温度淬火后及调质工艺不同回火温度条件下金相试样，切取尺寸为15 mm×10 mm×9.19 mm，采用WAW-600C 型伺服液压试验机进行拉伸试验，测量抗拉强度、屈服强度以及延伸率，采用NI 750 型摆锤冲击试验机进行0 ℃冲击试验。金相试样通过砂磨及抛光，采用4%硝酸酒精腐蚀显微组织，利用蔡司显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）观察显微组织；采用苦味酸+洗洁剂腐蚀原始奥氏体晶粒，采用OM 观察原始奥氏体晶粒。

2 试验结果及分析

2.1 淬火工艺对25CrMoBVRE 组织的影响

淬火工艺要在不使奥氏体晶粒过分长大的前提下，选择足够高的温度，保温时间充分，使碳和合金元素充分固溶于奥氏体，保证工件淬透，使套管的截面性能均匀一致。淬火工艺主要参数为加热温度、保温时间及冷却时间，国内各大钢厂生产的80 钢级及以上的油井管均采用水冷，因此对冷却方式不做研究。淬火加热温度是根据钢的化学成分来决定的，对于亚共析钢而言主要取决于钢的临界温度Ac3（该钢种的Ac3为805 ℃），一般情况下，若加热温度过高，使马氏体组织粗化，强韧性下降；反之，若加热温度在Ac1与Ac3之间，则有原始组织未能全部溶入奥氏体中，因而淬火后的组织中除了有马氏体组织外，还存在残留组织，因此淬火加热温度设定为860～900 ℃。淬火保温时间通常与钢的成分、原始组织、工件形状、加热介质及炉温等因素有关，根据经验公式（1）确定保温时间：

式中 t —— 保温时间，min；

a —— 钢种系数，合金钢取1.5；

K —— 装炉方式系数，箱式炉取1.3；

D —— 试样的有效厚度，mm。

试验钢厚度为9.19 mm，因此保温时间为20 min。25CrMoBVRE 试验钢分别进行860，880，900 ℃淬火+保温20 min 淬火工艺热处理，不同淬火温度处理后的25CrMoBVRE 试验钢金相组织如图1 所示，原始奥氏体晶粒如图2 所示。

由图1 可见，组织均为板条状马氏体，随着淬火温度的提高，板条状马氏体长度及宽度增加。从图2 可以看出，860 ℃淬火试验钢原始奥氏体晶粒度为10.5 级，880 ℃淬火试验钢原始奥氏体晶粒度为10.0 级，900 ℃淬火，原始奥氏体晶粒度为9.5级，奥氏晶粒大小不均匀，奥氏体晶粒尺寸在5～25 μm。淬火保温时间不变，随着淬火温度的增加，原始奥氏体晶粒长大。晶粒细小，有利于提高材料的强度和韧性，从而提高试验钢综合力学性能。25CrMoBVRE 试验钢采用硼、钒及稀土进行了微合金化，由于硼是表面活性元素，非常容易在非金属夹杂物周围吸附，使夹杂变得细小、圆整，有夹杂物变形的特点，从而改善了材料的韧性。但硼含量加入过高时，会在晶界产生网状的“硼相”，反而降低了冲击韧性［6-8］。为了避免这种缺点，可以和Ti、V、Nb 配合使用生成高熔点的硼化物；另外一种则是加入微量的RE 元素，吸附在共晶硼化物表面，从而使共晶碳化物孤立、细化［9］。添加钒的目的在于提高屈服比及低温韧性。当然，合理的淬火工艺不仅能保证奥氏体晶粒细小均匀，还能减少网状硼化物的形成，使已网状析出的硼化物回溶，有效地提高冲击韧性。钢中固溶和析出的钒会影响组织演变，这些组织特征将会影响到钢的各种性能［10-12］。在900 ℃以下，碳氮化钒可完全溶于奥氏体中［13-15］。

图1 不同淬火温度条件下25CrMoBVRE 金相组织

图2 不同淬火温度条件下25CrMoBVRE 原始奥氏体晶粒

2.2 回火工艺对25CrMoBVRE 组织性能的影响

工件经淬火后，一般都要及时进行回火，这是因为淬火后得到的马氏体，存在很大的内应力，如不及时回火，时间久了有可能使工件发生开裂。另外，要想获得良好的综合力学性能，需要对淬火后的试验钢进行高温回火，也就是将淬火后的工件重新加热到Ac1～550 ℃（试验钢Ac1为668 ℃）某一温度，保温一段时间，然后以一定的方式冷却。为了保证试验钢调质的稠油热采专用套管低的残余应力，需要对回火后的油井管进行热矫直，矫直温度不小于500 ℃，Ф177.8 mm×9.19 mm 油井管回火后到矫直前温降100 ℃左右，因此回火温度设计为600～660 ℃。除了回火温度这个主要因素以外，回火保温时间也是保证工件回火后机械性能的一个重要因素。回火热处理工艺见表2，对每组热处理后的试样进行拉伸试验和冲击试验，分别测定其抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击功，回火温度对屈服强度、抗拉强度、延伸率及冲击功的影响如图3所示。不同回火保温时间对屈服强度及抗拉强度、延伸率及冲击功的影响如图4 所示，回火温度对金相组织的影响如图5 所示，不同回火保温时间对金相组织的影响如图6 所示。

表2 回火热处理工艺

由图3～4 可见，随着回火温度的增加，钢的屈服强度和抗拉强度明显降低，延伸率与冲击功得到了明显改善，回火温度提高40 ℃，屈服强度降低约120 MPa，抗拉强度降低约125 MPa，延伸率增加1.2%，冲击功提高了30 J 左右；随着回火保温时间的延长，试样的屈服强度、抗拉强度降低30 MPa 左右，延伸率及横向冲击功略有改善，延伸率平均提高了1%，冲击功提高了6.5 J。

从图5 可以看出，组织均为回火索氏体，从620 ℃回火显微组织看，试验钢晶粒依然保持马氏体板条位相，碳化物主要在晶界上呈连续状态分布，660 ℃回火的显微组织，明显发生了回复再结晶，晶粒趋于多边形，且碳化物颗粒均匀弥散分布在晶界和晶内。从图6 可以看出，随着回火保温时间的延长，碳化物以颗粒状析出愈发明显，规律与提高回火温度相似。回火温度升高或保温时间的延长，碳元素以碳化物颗粒析出，碳原子的固溶强化作用消失，强度降低，塑性和韧性得到改善；另一方面，随着回火温度的升高或保温时间的延长，碳化物逐渐聚集并长大，对位错运动的阻碍作用减弱，从而使强度降低，这两方面综合作用的结果，使材料的强度指标随着回火温度的升高而下降，延伸率和冲击功则变化不大。

图3 回火温度对强度、延伸率及冲击功的影响

图4 回火保温时间对强度、延伸率及冲击功的影响

图5 不同回火温度下试验钢显微组织

图6 不同回火保温时间下试验钢显微组织

3 现场试生产效果

25CrMoBVRE 试验钢轧制成无缝管，通过调质处理达到API Spec 5CT—2018 标准110 钢级套管的技术要求，且375 ℃高温屈服强度降幅不能超过10 %。根据实验室热处理工艺研究结果，设定现场热处理生产工艺为880 ℃淬火，保温20 min，650 ℃回火，保温60 min，淬火回火均采用步进式加热炉加热，淬火后采用内喷外淋水冷，回火后空冷，热处理后的试验钢抽取3 支试样，头尾常温力学性能及350 ℃条件下屈服强度检测结果见表3。

从表3 可见，试生产的钢管的各项性能指标均满足110 钢级稠油热采专用套管技术要求。