N80-1 套管组织异常原因分析及改进

2021-03-09邹喜洋程向龙

钢管 2021年5期

朱林，邹喜洋，程向龙，胡翔

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南衡阳 421001）

在油气开采中使用的钢管产品绝大多数是油套管，其中N80 钢级油套管用量最大，约占油套管总量的50%。由于非调质N80-1 钢生产工艺相对简单，成本相对较低，这使非调质N80-1 钢的应用相当普遍［1-3］。C-Mn-V 系微合金钢是在C-Mn 钢的基础上添加适量的微合金元素V，形成细晶铁素体+珠光体型的微合金非调质钢，材料具有优良的综合力学性能［4-6］。但当材料的成分设计欠妥或再加热正火工艺控制不当，套管材料极易形成粗大的晶粒，产生异常金相组织，并造成其管体材料冲击韧性低劣，进而造成钢管断裂、孔洞碰伤、端部裂纹及接箍开裂［7-8］。本文主要研究了C-Mn-V 系非调质N80-1 无缝套管组织异常的原因，并提出具体的解决措施。

1 N80-1 无缝套管生产工艺流程

N80-1 无缝套管常用的规格为Φ139.7 mm×9.17 mm，生产工艺流程为：优质废钢、铁水→90 t 电炉冶炼→LF 钢包精炼炉+VD 真空精炼炉精炼→弧形连铸圆坯→坯料冷却→坯料检验→坯料锯切→环形加热炉加热坯料→穿孔→连轧→钢管在线控温冷却→步进式加热炉再加热→高压水除鳞→定径→冷床冷却→切管→矫直→探伤→人工检验→静水压试验→钢管全长通径试验→钢管端部螺纹加工及检验→接箍拧接→端部通径试验→测长称重→喷标包装→入库。

2 N80-1 无缝套管组织异常问题的提出

某公司在N80-1 套管端部机加工过程中发现螺纹端面存在肉眼可见、沿钢管纵向间断分布的疑似裂纹，在自然光下，该疑似裂纹较基体组织明显发亮，现场工人称其为“亮线”，显微镜下放大10倍的亮线形貌如图1 所示。采用荧光湿磁粉探伤方式检验钢管端部，“亮线”位置无任何缺陷迹象。在扫描电镜下观察含“亮线”钢管表面，端部疑似裂纹的扫描电镜形貌如图2 所示，表面完整连续，无任何开裂迹象。

图1 N80-1 套管端部的表面疑似裂纹形貌

图2 N80-1 套管端部疑似裂纹的扫描电镜形貌

3 N80-1 无缝套管性能试验

3.1 成分和性能

N80-1 套管的化学成分及力学性能见表1～2。该套管的材质为典型的C-Mn-V 系非调质钢，C 和Mn 含量均相对较高，同时具有较低的P 和S。由表2 可知，套管的屈服强度明显偏高，接近API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》规定的上限。通过检验该套管的冲击性能可知，该套管的冲击韧性较差，且冲击功不均匀。

表1 N80-1 套管的化学成分（质量分数）%

表2 N80-1 套管的力学性能

3.2 金相组织

在N80-1 套管的端部截取含有亮线的试样。

（1）制备金相试样，在套管的横截面上观察亮线延伸至钢管端部的金相组织，如图3（a）所示。套管材料的基体为均匀分布的细小铁素体和珠光体组织，而亮线的位置则显示为粗大的异常黄块状组织。在高倍显微镜下进行，黄块组织内部呈现出羽毛状特征，如图3（b）所示。套管材料的基体组织与黄块组织之间连续完整，无裂纹。

图3 N80-1 套管横截面上亮线的金相组织

（2）制备金相试样，观察钢管表面亮线位置的金相组织，并测试钢管基体以及亮线组织的显微硬度，如图4 所示。在低倍显微镜下，材料的基体为灰黑色的铁素体和珠光体组织，而亮线位置的组织呈白亮色。显微硬度显示，钢管基体的硬度约为270 HV，而亮线位置的硬度达到397 HV。

图4 N80-1 套管外表面金相组织和显微硬度

3.3 退火处理

在Φ139.7 mm×9.17 mm 的N80-1 套管上截取长度300 mm 管段并放入650 ℃的热处理炉中退火60 min。管段空冷后检测材料的力学性能及金相组织，结果见表3 和如图5 所示。金相显微镜下，退火后材料基体的铁素体和珠光体组织保持不变，而黄块组织已充分分解，呈现为羽毛状的贝氏体组织特征，同时该组织的硬度降至310 HV。力学性能测试结果显示，退火后材料的强度仅稍有减低，但材料的冲击韧性有所提高，且更加均匀。结合N80-1 套管的成分和工艺以及“亮线”组织在退火前后的特征和硬度的变化情况可以判定，黄块状的组织为异常的贝氏体组织。

表3 650 ℃退火处理的N80-1 套管的力学性能

图5 650 ℃退火处理的N80-1 套管的金相组织

4 分析和改进

4.1 分析及模拟验证

方剑通过试验绘制了0.41C-1.65Mn-0.15V 钢的过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线［9］。结果表明，这种C-Mn-V 系非调质钢的铁素体和珠光体转变区域较小，而贝氏体和马氏体的转变区域较大。该材料在1 ℃/s 的冷却速度下即可产生明显的贝氏体组织；当冷却速度达到5 ℃/s，材料可得到完全的贝氏体和马氏体组织。XU 等的研究结果表明，Mn 在钢中极易产生偏析，同时奥氏体均匀化不能减轻降低Mn 在钢中的偏析程度［10］；Benoit Krebs进一步通过定量化的研究表明，Mn 在钢中的偏析按照贫Mn 区和富Mn 区呈带状分布冷却时［11-13］，由于Mn 元素的带状偏析将导致不同部位冷却时铁素体转变的开始温度Ar3的差异，Mn 含量高的带状区域的Ar3低，不易产生铁素体；而Mn 含量相对较低的区域首先析出铁素体组织，冷却速度较快时，Mn 含量高的带状区域易形成魏氏组织或者贝氏体组织，对钢管综合性能不利［14-20］。

在C-Mn-V 系非调质钢的CCT 曲线上，富Mn区域的铁素体和珠光体转变区域将向右推移，使得富Mn 区域更易形成贝氏体组织，并且这种高硬度的组织按照Mn 的富集分布方式在材料的基体中呈带状分布。

为了模拟钢管轧制后的冷却过程，在Φ139.7 mm×9.17 mm 的N80-1 套管上截取长度300 mm 管段并放入900 ℃的热处理炉中加热60 min，管段出炉后采用流动的空气冷却，冷却后检测材料的金相组织，Φ139.7 mm×9.17 mm 的N80-1 套管模拟热处理的金相组织如图6 所示。在低倍显微镜下可以看出，在铁素体和珠光体的材料基体上分布有黄色的带状组织。高倍下可以观察到，与套管亮线位置的组织相似，这种带状的组织呈现为羽毛状的贝氏体组织。由于在相同的机加工条件下，硬度较高的组织能够获得更高的表面光洁度，N80-1 套管材料中带状分布的异常贝氏体组织在机加工后呈现为亮线形貌。

图6 N80-1 套管模拟热处理的金相组织

4.2 成分优化

为了改善N80-1 套管的组织结构并优化材料的力学性能，对现有的C-Mn-V 系非调质钢的成分进行优化：适当降低材料的C 和Mn 含量，同时控制其他元素基本不变，优化Φ139.7 mm×9.17 mm N80-1 套管的化学成分，具体见表4。在现行的生产工艺条件下，用优化成分后的坯料生产Φ139.7 mm×9.17 mm 的N80-1 套管，并检测其金相组织和力学性能，结果见表5 和如图7 所示。成分优化后钢中的C 和Mn 的含量均有所降低，使得铁素体和珠光体在过冷奥氏体连续冷却转变曲线上的转变区域向左移动，材料中的铁素体含量明显增多，同时消除了高硬度的贝氏体组织。材料的屈服强度降至API Spec 5CT—2018 规定的中间水平，同时材料的冲击韧性显著提高。钢管机加工后表面状况正常，未出现亮线形貌。