N80-1加厚油管的工艺与性能研究

朱 林，邹喜洋，罗莉果，程向龙

（衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

近年来随着我国石油工业的迅速发展，石油管的市场需求逐年增多。由于N80-1钢级油套管生产工艺相对简单，且不受调质工艺设备能力不足的制约，N80-1钢级油套管的应用相当普遍[1-3］。目前，非调质石油管的生产通常是在中碳钢和中碳锰钢中添加微合金元素，通过在线正火工艺形成细晶铁素体+珠光体，并使材料具有优良的综合力学性能[4-6］。实践表明：当材料的成分设计欠妥或工艺控制不当，N80-1钢级管体材料极易形成粗大的晶粒、产生异常金相组织，并造成管体材料冲击韧性低劣，进而造成钢管断裂、端部裂纹、接箍开裂及螺纹黏结等[7-13］。因此，N80-1油套管对强度和冲击韧性的匹配性具有较高的要求。本文研究不同工艺对N80-1加厚油管金相组织和性能的影响。

1 试验材料

用于制造N80-1加厚油管的母管为衡阳华菱钢管有限公司生产的Φ73.02 mm×5.51 mm规格的钢管，钢管通过在线正火工艺生产，其成分见表1，成分结果满足API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》的要求。通过管端模具设计，采用单次加厚变形的工艺对钢管端部进行加厚处理。加厚时，采用感应加热装置控制管端加热温度在1 250℃以下，防止管端加厚过程中出现过烧等缺陷。加厚钢管如图1所示。

表1 36Mn2V材质加厚油管化学成分（质量分数）%

图1 加厚钢管示意

2 试验方法与结果

为了研究N80-1加厚油管在不同热处理状态和不同位置的金相组织、硬度、拉伸性能和冲击性能，将加厚后不做任何热处理的钢管命名为“加厚态”钢管。取加厚的油管进行正火处理：加厚油管放入880℃的热处理炉中保温60 min，加热后的钢管放置在空气中自然冷却至室温，将正火处理状态的钢管命名为“正火态”钢管。

分别在加厚态和正火态N80-1加厚管的加厚端、过渡带和管体位置截取试样，研究不同状态下钢管的金相组织、硬度、拉伸性能和冲击性能。其中，拉伸试验时，在加厚端位置取样加工成Φ5 mm的圆棒试样，在过渡带位置取样加工成宽为19 mm的板拉伸试样，在管体位置加工成19 mm宽的圆管弧形试样（图2）。冲击试验时，在加厚端、过渡带和管体取样均加工成10 mm×3 mm×55 mm的小尺寸冲击试样。

图2 N80-1加厚油管不同位置的拉伸和硬度试样（部分）

2.1 金相组织

加厚态N80-1油管不同位置的金相组织如图3所示。从图3中可以看出，加厚端位置的组织为粗大的珠光体+网状铁素体，网状铁素体显示的原奥氏体的晶粒达到6级；管体位置的组织为细小的珠光体+均匀分散的铁素体，晶粒度为8级；过渡带的组织均匀细小，呈两相区加热的异常组织状态。造成不同位置组织差异的主要原因是，油管管体为在线正火生产的组织，呈现为正常的铁素体+珠光体组织；加厚端则经过了1 250℃下的高温加热及变形，高温下晶粒长大而形成了粗大的组织；而过渡带位置处于高温加热的加厚端与室温状态下的管体之间，温度梯度较大，部分区域处于两相区温度范围，因而形成了异常的组织状态。

图3 加厚态N80-1油管不同位置的金相组织

正火态油管不同位置的金相组织如图4所示。从图中可以看出，正火后N80-1加厚油管的加厚端、过渡带和管体的组织均为细晶的铁素体+珠光体组织，组织的晶粒度达到9级，并且铁素体和珠光体的含量基本相同。对比图3可以明显地看出，N80-1加厚油管正火后铁素体组织的含量显著提高，且组织结构明显均匀化和细化。这表明正火能够显著地改善N80-1钢管的组织结构。

图4 正火态N80-1油管的金相组织

2.2 硬度和拉伸性能

加厚态和正火态N80-1油管的硬度在不同位置的分布情况如图5所示。从图5中可以看出，N80-1油管在加厚态下的硬度明显地高于正火态下的硬度。对于加厚态的N80-1油管，加厚端的平均硬度达到294 HV10，而管体的平均硬度为263 HV10，硬度从加厚端到管体存在明显降低；而对于正火态的N80-1油管，加厚端、过渡带和管体的硬度基本相同，平均为245 HV10。

图5 加厚态和正火态N80-1油管不同位置的硬度

加厚态和正火态N80-1油管的拉伸性能结果见表2。从表中可以看出，不同状态、不同位置的拉伸性能均符合API Spec 5CT规范对N80-1油管的性能要求，但不同状态、不同位置的性能存在较大的差异。对于加厚态的N80-1油管，加厚端的屈服强度较高，接近N80-1油管的上限要求值，而过渡带和管体的强度依次降低。加厚端的强度与管体的强度相差达100 MPa。对于正火态的N80-1油管，加厚端、过渡带和管体的强度基本相同，并且较加厚态下不同位置的强度均有大幅的降低。

表2 N80-1油管的拉伸性能

不同状态下N80-1加厚油管的硬度和强度具有相同的变化趋势，并且与金相组织有直接的对应关系。N80-1油管的组织由强度较高的珠光体和强度较低的铁素体组成，对于加厚态的N80-1油管，加厚端的珠光体含量明显高于管体的含量，因而在宏观上表现为加厚端的硬度和强度均高于管体的硬度和强度。当N80-1加厚油管经过正火处理后，其组织得到了均匀化处理，因而在宏观上表现为正火态N80-1加厚油管不同位置的硬度和强度基本相同。正火后，强度较低的铁素体含量显著提高，因此钢管的硬度和强度较加厚态均有显著降低。

2.3 冲击性能

加厚态和正火态N80-1油管不同位置的冲击性能见表3。对于加厚态的N80-1油管，不同位置的冲击功均相对较低，根据冲击试样的尺寸比例进行换算，加厚端和过渡带的冲击功仅达到API Spec 5CT规范要求的下限值（10 mm×10 mm×55 mm尺寸下要求≥27 J）。

表3 N80-1加厚油管的冲击性能AkV J

材料的冲击性能与金相组织有直接的关系。一般认为，粗大的珠光体组织及网状铁素体对冲击韧性具有不利的影响[14］，N80-1油管的加厚端经过高温变形产生的粗大珠光体+网状铁素体是加厚端冲击韧性较差的直接原因。对比管体的组织可以看出，由于管体为细小珠光体+均匀分布的铁素体，避免了粗大珠光体和网状铁素体的不利影响，管体的冲击韧性明显高于加厚端。N80-1油管经正火后，不同位置的组织得到细化和均匀化处理，基体中的铁素体含量明显增多，不同位置的材料的冲击性能均得到大幅提高，且较均匀。

3 结 论

（1）加厚态N80-1油管在不同位置的金相组织存在较大的差异，加厚端为粗大的珠光体+网状铁素体，过渡带为异常的两相区加热组织，管体为细小的珠光体+均匀分散的铁素体。正火后，N80-1油管不同位置的金相组织均得以细化和均匀化，得到的组织基本相同，且铁素体含量显著增多。

（2）加厚态N80-1油管在加厚端、过渡带和管体位置的强度、硬度依次降低，而冲击性能依次提高，不同位置的性能差异较大。正火处理后，N80-1油管不同位置的强度、硬度和冲击性能均趋于一致，且整体强度和硬度显著下降，冲击性能显著提高。

（3）加厚态N80-1油管经正火处理后，不同位置均具有较好的综合性能。