低溫PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的開發

周國帥，周家祥，周曉鋒，劉江成，竇志超

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

低溫PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的開發

周國帥，周家祥，周曉鋒，劉江成，竇志超

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

介紹了低溫PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的主要技術指標、鋼種設計、生產工藝流程及力學性能檢測結果。通過合金化技術、純凈鋼冶煉、控制軋制、熱處理等手段，保證了PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管具有較高的屈服強度，同時又具有良好的低溫沖擊韌性和優良的高溫強度。檢測結果表明：生產的低溫PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的屈服強度高于950 MPa，-20℃管體縱向全尺寸沖擊功∧100 J，可以保證該S135鉆桿在苛刻條件下的使用安全性。

S135鉆桿用無縫鋼管；PSL-3；屈服強度；低溫沖擊韌性；高溫強度

鉆桿是油、氣井鉆探的主要工具之一，在鉆具用管中，鉆桿的使用量最大。鉆桿在鉆井時要承受拉伸、壓縮、扭轉、彎曲以及沖擊等各種交變應力的作用［1-3］，在有硫化氫的油氣田里，還要求能抗硫化氫腐蝕［4-5］。天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）從鋼種設計出發，嚴格控制產品的煉鋼、軋制、熱處理等工藝，開發了一種既能保證高溫強度、又具備低溫沖擊韌性的PSL-3 S135鋼級鉆桿用無縫鋼管。

1 標準要求

API Spec 5DP∶2009《Specification for Drill Pipe》要求：PSL-3 S135鉆桿的化學成分中w（P）≤0.020%，w（S）≤0.012%；屈服強度Rt0.7的范圍是931～1 138 MPa，抗拉強度≥1 000 MPa；沖擊試驗在-20℃溫度進行，全尺寸沖擊功≥100 J、3/4尺寸沖擊功≥80 J。

2 化學成分設計

國內外廠家鉆桿成分設計一般采用Cr-Mn鋼或Cr-Mn-Mo鋼［6-7］，w（C）大多控制在0.24%～0.35%，通過適當添加合金元素提高強度和淬透性。天津鋼管在開發PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管時，參照國內外廠家鉆桿的優缺點，在可行性研究的基礎上，采用低碳Cr-Mn-Mo-V鋼［8］，并適當添加其他合金元素來提高鉆桿的強度和淬透性。

C是一種能有效提高強度且成本低廉的合金元素。提高鋼中C含量是提高材料強度高效和經濟的手段，成為傳統高強度鋼的設計方案，但是以犧牲塑韌性為代價。研究表明：鋼中碳含量對馬氏體形態有顯著影響，w（C）∧0.3%以板條馬氏體為主，兼有部分片狀馬氏體（孿晶型），w（C）∧0.26%基本為板條馬氏體即位錯型馬氏體；在強度相同的情況下，位錯型馬氏體與孿晶型馬氏體相比具有韌性良好，脆性轉變溫度低，缺口敏感性低等優點，即使經過回火也有同樣的表現［9-11］。為此，將w（C）設計在0.20%～0.26%。

Si和Mn元素都是良好的脫氧劑和脫硫劑，一方面作為脫氧元素加入，一方面又作為合金元素加入，起強化作用。Mn含量增加，使鋼的淬透性增加，但也增加了鋼的回火敏感性，降低鋼的韌性。另外，Mn含量過高對鋼的焊接性能不利。設計時以w（Mn）在0.80%～1.20%最宜。Si是強烈促進石墨化的元素，極易在退火和回火過程中發生石墨化現象，因此w（Si）取0.20%～0.35%。

S和P是有害元素，一般情況下含量越低越好。

Cr是一種在適當的添加范圍內能同時提高鋼的強度、韌性和耐蝕性的元素。當w（Cr）∧0.30%時，對于一定規格的無縫鋼管，淬透性偏低，從而使強度偏低。但Cr會顯著提高鋼的脆性轉變溫度，增加鋼的回火脆性。適宜的w（Cr）范圍是0.30%～1.25%，最佳范圍在0.95%～1.10%。

Mo是碳化物形成元素，在合金鋼中能形成多種碳化物，提高鋼的硬度，產生二次硬化。利用Mo元素的二次硬化可以抑制低合金鋼強度隨回火溫度升高而降低的現象，實現提高回火溫度、解決高強度和高韌性匹配的問題；Mo元素在原奧氏體晶粒的富集偏聚提高了晶界的結合強度，從而明顯改善了高強度鋼的耐延遲斷裂能力，保證了鋼在高強度下具有良好的抗氫致斷裂能力；Mo元素具有抑制回火脆性的性能，能夠阻礙P等雜質在晶界的偏析，降低鋼的回火脆性。但Mo合金元素價格較高，故應控制在0.40%～0.50%。

V元素能夠細化晶粒度，提高鋼鐵材料的強度和韌性。在軋管過程中，隨著控軋控冷的進行，V元素分階段析出，細化軋制的奧氏體晶粒和微觀組織；在奧氏體高溫過程中，由于釩的碳化物是逐步固溶而非一次性全部瞬間固溶，因此釩的碳化物可以起到釘扎晶界、細化奧氏體的作用，避免奧氏體晶粒的過度長大；在回火過程中，V與C一起析出細小彌散的沉淀粒子，起到彌散強化的作用；此外，V還具有提高回火穩定性、提高回火溫度的作用，可以保證鋼管出回火爐后在較高溫度下矯直，降低矯直產生的殘余應力［12］。但V元素過多，在組織中無法溶解，故選擇w（V）在0.03%～0.07%。

通過以上化學成分的分析，設計出一種低碳鉆桿用無縫鋼管用鋼——24CrMo44V鋼。24CrMo44V鋼的化學成分見表1。

表1 24CrMo44V鋼的化學成分（質量分數）%

3 生產工藝制定

3.1 煉鋼工藝

24CrMo44V鋼采用100 t電爐冶煉+LF精煉+ VD真空處理+圓坯連鑄工藝生產。

考慮到類似鋼種的冶煉經驗，對脫氧劑的加入量進行了調整：加大了出鋼時鋁球的用量，根據終點碳含量控制w（Al）不小于0.020%，同時控制出鋼溫度在1 620～1 640℃，防止溫度過高。LF鋼包精煉爐對鋼水化學成分進行微調，采取多批次少量加入并即時加熱的方式配入合金，在合金全部加入后減小鋼液溫降。根據全Al含量的高低適當補喂Al線，使LF爐出鋼時的w（Al）為0.02%～0.04%。出鋼喂Ca-Si線進行鈣處理，使非金屬夾雜物得到球化處理。經過VD處理，保證鋼水純凈度。連鑄采用氬氣保護+密封墊保護澆鑄，減少二次氧化；合理控制二冷水冷卻強度及出二冷室鑄坯矯直前溫度，可以有效防止鑄坯表面裂紋的產生，采用弱冷工藝控制柱狀晶生長。

3.2 軋制工藝

熱軋生產工藝流程為：連鑄圓管坯→環形爐加熱→錐形輥穿孔機穿孔→PQF連軋管機軋制→24機架張力減徑機減徑→冷床冷卻→精整→檢查、修磨→定尺切斷、包裝、入庫。

在熱軋工藝優化方面主要進行以下工作：

（1）選擇最佳溫度制度。在Gleeble熱模擬試驗機上，測定該鋼種在不同溫度下的變形抗力和面縮率，結果顯示其變形抗力較低而面縮率較高，合適的塑性加工溫度為1 100～1 150℃。控制環形爐的均熱溫度和生產節奏，保證鋼管在此溫度范圍內進行穿孔和連軋。

（2）分配穿孔、連軋的變形量。在分配穿孔、連軋變形量時，應盡可能將變形量前移至穿孔，并合理分配PQF連軋管機各機架間的變形比，這樣可以減少連軋管機延伸系數，降低軋制負荷，減輕連軋不均勻變形程度，從而減少軋制缺陷的產生［13］。

3.3 管端鐓粗和調質熱處理工藝

管端鐓粗主要控制的指標包括加熱溫度、保溫時間以及鐓粗時各道次變形量的分配。

（1）控制加熱溫度。感應加熱溫度控制在1 050～1 150℃。溫度過高易造成過燒、表面脫碳、奧氏體晶粒度長大等；加熱溫度過低則會降低材料變形塑性，增加鐓粗變形抗力，降低鐓粗變形的尺寸精度。

（2）控制加熱保溫時間。感應加熱完全奧氏體化后保溫30～50 s，使奧氏體充分均勻，但又不造成晶粒的過度長大。

（3）控制鐓粗變形量分配。第一次和第二次鐓粗采用大壓下量變形，第三次鐓粗采用小壓下量變形控制，以提高尺寸精度。同時，在感應加熱溫度控制上，第一次鐓粗和第二次鐓粗在1 050～1 150℃溫度之間盡量走上限（偏高溫控制），第三次鐓粗時溫度盡量走下限（偏低溫控制）。

熱處理是建立在合理的溫度區間內進行的，這個溫度區間由鋼的CCT曲線（過冷奧氏體連續冷卻轉變曲線）確定［14］。24CrMo44V鋼的CCT曲線如圖1所示，不同冷卻速度下24CrMo44V鋼的金相組織如圖2所示。

圖1 24CrMo44V鋼的CCT曲線

圖2 不同冷卻速度下24CrMo44V鋼的金相組織

根據24CrMo44V鋼的CCT曲線和設備條件，確定其最佳調質熱處理工藝。通過調質熱處理可以得到均勻細小的回火索氏體組織，并使各種合金元素形成均勻細小彌散的碳化物，起到彌散強化的作用；此外，調質熱處理還是細化晶粒度的非常有效的方式［15］。

4 實際性能與結果討論

4.1 強度

PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的室溫強度分布如圖3所示。從圖3可以看出，所生產的PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的屈服強度在970～1 120 MPa，抗拉強度在1 030～1 170 MPa，很好地滿足了標準的要求。

圖3 PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的室溫強度分布

強度是保證鉆桿安全服役的前提，特別是鉆桿在地下受到鉆機和地下巖層的交變應力，鉆桿產品在深井、超深井下作業時，承受高溫高壓復雜應力載荷，鉆桿材料的高溫力學性能直接影響鉆桿的服役安全和使用壽命。因此，在滿足APISpec 5DP∶2009標準對PSL-3 S135鉆桿要求的前提下，還要保證其具有較高的高溫強度。PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的高溫強度見表2。從表2可看出，隨著試驗溫度的升高，強度緩慢下降，室溫屈服強度為1 039 MPa的鋼管，在200℃、250℃、300℃、350℃時屈服強度分別為967 MPa、929MPa、914 MPa、872 MPa，屈服強度分別下降了7%、11%、12%、16%。通過以上數據看出，開發的PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管不僅常溫強度優良，而且有很好的高溫強度。

表2 PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的高溫強度

4.2 沖擊韌性

APISpec 5DP∶2009標準規定，PSL-3 S135鉆桿管體縱向全尺寸最低平均沖擊功不小于100 J，單個值不小于80 J。PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管在-20℃的全尺寸沖擊值分布如圖4所示。從圖4可以看出：該無縫鋼管的沖擊值在120～155 J，平均值約為140 J，高于標準要求，保證了其在服役狀態下的安全性。由于鉆桿的管端經過了1 000℃以上的高溫加熱和變形，所以測定高溫變形后的管端加厚端的沖擊韌性尤為重要。經過測量，管端加厚端的縱向全尺寸-20℃的平均沖擊值在110～130 J，完全符合標準對管體沖擊功的要求。

圖4 PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管在-20℃的全尺寸沖擊值分布

沖擊試驗溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態變為脆性狀態，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔集型變為穿晶解理，斷口特征由纖維狀變為結晶狀，該試驗溫度稱為韌脆轉變溫度FATT50。FATT50是衡量材料低溫機械性能的重要指標［16］。PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的韌脆轉變曲線如圖5所示，可看出該管材的FATT50約為-73℃，可以滿足鉆桿在較低溫度下的使用要求，保證鉆桿在低溫使用時的安全性。

圖5 PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的韌脆轉變曲線

4.3金相組織和晶粒度

PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管經過合理的熱處理試驗后，其管體的金相組織為回火索氏體，且組織均勻細小，晶粒平均直徑在10μm左右，晶粒度等級≥9級。這種均勻細小的組織可保證PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管既具有較高的強度，同時又具有良好的低溫韌性。PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的金相組織和晶粒度如圖6所示。

圖6 PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管的金相組織和晶粒度

5 結論

天津鋼管通過合理設計化學成分，嚴格控制煉鋼、軋制、熱處理工藝，成功開發出低溫PSL-3 S135鉆桿用無縫鋼管。該產品性能特點如下：

（1）通過優化各鐓粗道次的變形溫度和變形量，使得加厚部位的晶粒更均勻；

（2）室溫強度高，在350℃情況下仍能達到125鋼級的水平；

（3）-20℃溫度下，管體縱向全尺寸沖擊功可達到120 J以上，韌脆轉變溫度低，同時加厚端的沖擊韌性也較好，可以更好地保證該產品在低溫狀態下的安全性。

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Deve lopment of PSL-3 S135 Seam less Steel Drill Pipe for Low Tem perature Service

ZHOU Guoshuai，ZHOU Jiaxiang，ZHOU Xiaofeng，LIU Jiangcheng，DOU Zhichao
（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Described here in the essay are themain aspects of the PSL-3 S135 seam less steel drill pipe for low temperature service，includingmajor technical indexes，steel type design，manufacturing process flow，and results ofmechanical property tests，etc.High yield strength and good low temperature impact resistance aswell as excellent high temperature strength of the said drill pipe are assured by means of such techniques as alloying process，clean steel-making，controlled rolling and heat treatment.Relevant testing and measurement results show that the PSL-3 S135 seam less steel drill pipe for low temperature service has its yield strength over 950MPa，and full-length impact energy absorption∧100 Jat-20℃，which ensures the drill pipe’ssafety foroperation under relevantharsh conditions.

S135 seam less steel drill pipe；PSL-3；yield strength；low-temperature impact toughness；hitemperature strength

TG335.71

B

1001-2311（2016）06-0020-05

2016-08-10）

周國帥（1983-），男，碩士，工程師，從事管線用、鉆桿用無縫鋼管的生產及開發工作。