P110鋼級光管產品研制開發*

王金海，尚 明

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711）

1 前言

石油套管作為采油設備中不可缺少的管材，一直受到石油行業和鋼管生產企業的重視。特別像中石化和中石油這些石油行業的領軍企業，一直都采用供應商先評定、后采購的原則。山東壽光巨能特鋼有限公司是一家集燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼、鋼管于一體的特鋼企業，具有管坯和鋼管生產能力。巨能特鋼為中石油和中石化的一級供應商，但進入鋼管行業僅3 a時間，僅向兩家大型石油企業供應大量的低鋼級鋼管J55，而從未供應像進行調質處理附加值高的P110鋼級等鋼管。在國內市場上P110鋼級產品用量大，巨能特鋼決定開發P110鋼級光管。本著降低成本以及技術儲備的考慮，對P110鋼級采用25Mn2V進行工廠化試驗生產。

2 產品設計

2.1 設計目標

產品性能設計應符合API5CT要求［1］。為保證用戶車削需求，產品外形加嚴控制要求。外徑由API 5CT要求的-0.5%D～+1%D（D為管體名義外徑）加嚴至+0～+1%D；壁厚由API標準要求的管體壁厚公差為-12.5%t（t為管體名義壁厚），加嚴至±10%t。美國API標準中要求鋼管采用一種或多種方法檢測內、外表面縱向和橫向缺陷，P110驗收水平L4，巨能特鋼將驗收級別控制在L2水平。

2.2 成分設計

用戶要求成分按美國石油學會APISpec 5CT《套管和油管規范》執行。而美國出于技術保密考慮，在APISpec 5CT中僅規定了影響鋼管使用性能的有害元素P和S的含量，產品主要控制成分沒有涉及。P110鋼級產品的強度要求高，低溫性能要求也很高。因此巨能特鋼設計了25Mn2V這一鋼種進行調質生產P110鋼級鋼管。主要設計依據有：

1）C元素是鋼中最基本元素，同時也是提高產品強度的最廉價元素。對于P110鋼級來說，由于要求低溫沖擊性能，鋼中的C元素不宜過多，應控制在中低碳的范圍內。

2）對于Mn含量低于2.0%的中低碳鋼來說，隨Mn含量的增加，韌脆轉變溫度降低［2］。另外Mn含量較高時，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆性敏感度［3］。

3）V是強化鐵素體和γ相形成元素之一，它和C、N、O都有極強的親和力，與之形成相應的極為穩定的化合物，在低合金含量的鋼中有著細化晶粒、增加鋼的強度的作用［4］。基于成本的考慮，V元素控制范圍較窄，波動控制在0.06%（絕對量）以內。

2.3 冶煉工藝設計

主成分控制：主成分不僅影響產品性能，同時也影響著熱處理工藝的穩定性，為此嚴格控制澆次前后爐的主成分偏差。C成分偏差在0.02%以內，合金元素偏差在0.05%以內。

夾雜物控制：APISpec 5CT標準中雖然對夾雜物沒有明確要求，但通過水壓試驗和探傷兩種手段控制鋼中的夾雜物。因此冶煉工藝設計過程中要考慮鋼的純凈度問題。

低倍質量控制：設計符合該鋼種特性的配水參數，同時采用電磁攪拌技術破壞柱狀晶，防止產生枝晶偏析。

根據上述控制要求，冶煉時采用經預處理的高質量鐵水，通過頂底復吹工藝，降低其中的P含量，保證出鋼P≤0.012%；另外出鋼過程中嚴格控制主要化學元素C、Mn和Si的加入量，按照C 0.21%、Mn 1.45%、Si0.25%進行成分配比。

70 t LF爐精煉過程中采用白渣工藝，保證鋼水的還原性，降低鋼水中的S和O含量，從而降低鋼水中的氧化物夾雜和硫化物夾雜；同時配合吹氬工藝，促進鋼水中的夾雜物上浮；使用硅鈣鋇鋁脫氧和在線喂絲技術，采用Al+CaSi復合脫氧工藝，保證夾雜物控制在設計目標范圍內。另外，為保證澆鑄溫度穩定，嚴格控制精煉出鋼溫度在1650～1680℃。

連鑄過程中采用合適的保護渣進行保護澆鑄，防止鋼水二次氧化；采用擋渣墻使整個中間包的溫度場均勻，同時保證夾雜物有充足的上浮時間，進一步降低鋼中的夾雜物。另外設計合適的配水工藝，1至4段二冷段分別采用50%、25%、15%和10%的配水比例進行澆鑄。

2.4 軋制工藝設計

為保證用戶的切削需求，加嚴了外形尺寸的控制要求，另外產品還需要進行熱處理，會有一定的燒損，為此軋制工藝設計時按照尺寸中上限控制。為降低軋制阻力，同時減少熱應力，坯料加熱溫度逐步提高，均熱段溫度控制在1260～1280℃。為保證產品外形尺寸，嚴格執行各工序軋制變形工藝要求。另外為了消除因非工藝設計因素導致產品外形尺寸不合，要求生產操作人員每30min從生產線上取樣進行檢測。

2.5 熱處理工藝設計

對于P110鋼級產品，巨能特鋼沒有進行過熱處理生產。為摸清該鋼種熱處理的規律，利用試制的熱軋光管進行了一組實驗室熱處理工藝試驗。淬火溫度分別為850、870和890℃，淬火時間分別為20和30min；回火溫度分別為540和560℃，回火時間均為40min。試驗結果見表1。

表1 實驗室試驗結果

根據實驗室試驗結果，同時考慮熱處理后產品性能的穩定性，制定熱處理工藝：加熱段溫度（860±10）℃，保溫段溫度（880±10）℃；回火均熱、保溫段溫度（570±10）℃。另外，為了降低因熱處理造成的管體彎曲，采用31.3°的輥轉角進行矯直。

3 產品試制

試制工藝路線：BOF冶煉→LF精煉+VD→連鑄→蓄熱式環形爐加熱→Φ273錐形輥穿孔→Φ273狄塞爾軋管→（再加熱爐）→微張力三輥定徑→步進式冷床冷卻→六輥矯直→吸灰→鋸切→漏磁探傷→檢查→淬火爐加熱→淬火機淬火→回火→定徑→熱矯→冷卻→檢查（取樣）→冷矯→吸灰→涂色標→超聲波探傷→水壓試驗→通徑檢查→涂色環→測長、稱重→壓印→噴印→涂漆→包裝→入庫。

3.1 產品質量控制情況

1）主要化學成分：為保證產品的熱處理穩定以及產品的最終性能，嚴格控制25Mn2V各元素的范圍，具體控制情況見表2。

表2 試制產品的化學成分 %

2）夾雜物：夾雜物控制情況見表3。

表3 夾雜物控制情況 級

3）低倍質量：連鑄坯低倍中心疏松控制在2級以內，沒有其他缺陷。

4）外形尺寸和壁厚：控制情況見表4。

表4 外形尺寸和壁厚控制情況mm

5）性能：產品性能指標不是很理想，調質熱處理共19個批次（含重新調質1批），其中有兩個批次初驗抗拉強度（845MPa、859MPa）低于標準下限（862MPa）。這兩批的C含量均為0.23%。有1批C含量為0.22%的抗拉強度為871MPa，緊靠下限，其他批次抗拉強度合格，但富裕量不大。

6）無損檢測：熱處理后成品采用L2級超探，探傷質量水平為API 5CT標準中最高等級，探傷設備為相控陣超探，靈敏度很高。探傷過程中出現較多的鋼管內表面報警。經解剖后用手持式超聲波探傷儀定位，發現報警原因是內麻面伴有內皺紋，而不是裂紋，這種細小“缺欠”通常是允許存在的，不是缺陷，漏磁探傷正常。

3.2 工藝改進

針對上述問題對產品的設計進行修改：1）優化用于生產P110鋼級鋼管的25Mn2V管坯化學成分，將C含量控制在0.23%～0.26%。2）為減少內皺紋缺陷，改進熱軋芯棒潤滑的噴涂系統，解決噴涂不均勻、運行不穩定的問題，并采用較高質量的石墨潤滑劑；同時，改用Φ180mm圓管坯，通過減少荒管定徑量來減輕或防止內皺紋。3）熱處理工藝的回火溫度降低10℃。

改進前后的軋制變形工藝要求見表5。

表5 改進前后熱軋鋼管變形工藝

3.3 工藝改進后產品質量控制情況

根據改進要求，在第2次試制過程中嚴格控制C含量。經檢驗，C含量滿足改進控制要求，其中0.23%、0.24%各1爐，0.25%2爐，0.26%2爐；其他元素控制范圍和前一批試制情況基本一致。產品性能初驗合格率達到100%，全部經過超聲波探傷L2合格，幾何尺寸、外表質量良好。力學性能統計如表6所示。此次生產熱處理工藝和化學成分進行了微調，平均屈服強度提高到了903.8MPa，較改進前提高了60MPa，性能處于標準規定的中上水平，達到了工藝調整的目標。

表6 試制產品的力學性能

4 結語

采用25Mn2V生產的兩批P110鋼管都比較成功。特別是經過成分、軋制工藝參數及熱處理工藝微調后，各項技術性能完全達到API 5CT和技術協議對P110鋼級的要求，性能合格率100%，且強度指標有較大富裕量。從第2批檢驗結果看，全部16批32個試樣的力學性能，除1個試樣稍低外，基本達到Q125鋼級的性能水平，這就為開發Q125鋼級套管打下了基礎，積累了經驗。該項目于2012年12月通過了山東省經信委技術創新項目鑒定驗收，評價為國內領先水平。目前，巨能特鋼開發的材質為25Mn2V的P110級石油套管已納入正常生產供貨。

［1］ 美國石油學會.API5CT套管和油管規范［S］.9版.華盛頓：美國石油學會，2011：108.

［2］ 項程云.合金結構鋼［M］.北京：冶金工業出版社，2002：106.

［3］ 孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊（上冊）［M］.北京：冶金工業出版社，1984：50.

［4］ 孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊（上冊）［M］.北京：冶金工業出版社，1984：89.