穿越用高韌性V150 鋼級鉆桿管體的研究

劉聰

（渤海石油裝備制造有限公司渤海能克鉆桿有限公司，河北 青縣 062658）

V150 鋼級作為已經投用的最高鋼級油井管，得到了油井管行業內重點關注與開發，已經有廠家開發出高韌性V150鋼級油井管，V150 鋼級套管在使用中由于沖擊韌性不足等引發了質量問題，在API 5CT 標準中已經取消，但是在DS-1標準中仍然有V150 鋼級鉆桿。

中石油管道局穿越分公司已經采用V150 鋼級鉆桿進行管道穿越施工作業，并采用該鋼級鉆桿創造了多項穿越施工世界紀錄。該V150 鋼級鉆桿為第一機械廠2011 年開始研究開發的高新產品，經過這兩年的改進，在滿足V150 鋼級要求的情況下，提高了管體沖擊韌性，20℃、7.5x10mm 沖擊功達到90J 以上，在穿越施工現場應用2 年多以來沒有發生因產品本身導致的質量問題。

1 V150 鋼級標準

鉆桿業基本采用美國石油協會的鉆桿規范，最新版本為ANSI/API Spec 5DP—2009 標準（簡稱API 5DP—2009）第1 版，該標準沒有V150 鋼級。DS-1TM標準（鉆井用管材產品規范）第三版中標重鉆桿管體、厚壁鉆桿管體均有V150 鋼級，該標準對拉伸性能（表1）、夏比V 形缺口縱向沖擊共（表2）進行了規定。

表1 DS-1 標準對鉆桿拉伸的要求

表2 DS-1 標準對夏比V 形缺口縱向沖擊功的要求 J

2 鉆桿管體用鋼、實驗設備

國內鉆桿用管多采用天津某鋼管公司生產的無縫鋼管，本次公司和該鋼管公司合作開發V150 鋼級鉆桿管體。該公司用于高鋼級鉆桿的材料（S135）常用的27CrMo44、28CrMo47、24CrMo45V 等鋼種，單純通過降低回火溫度可以達到150Ksi 屈服強度要求，但是沖擊韌性將下降，見圖1，這種產品已經證明會出現質量問題。對此，針對V150 鋼級，在已經應用的高韌性S135 材料24CrMo45V 材料上進行開發出新材料，通過調整合金元素的方案提高產品的強度和韌性。

圖1 24CrMo45V 性能

鋼種技術方案為：

（1）提高鉬元素含量：鉬元素是碳化物形成元素，在合金鋼種可以提高鋼的硬度，可以起到抑制回火脆性，細化晶粒的作用有利于改善鋼的韌性。

（2）降低錳元素含量：降低錳元素可以減少鋼的回火敏感性，提高鋼的韌性，也有利于后續與鉆桿接頭的摩擦壓接焊。

（3）改進釩元素含量：釩元素能夠細化晶粒度，提高提高合金鋼的強度和韌性，還具有提高回火穩定性的作用。

通過以上思路，設計出高韌性V150 鋼級用無縫鋼管用鋼，產品牌號為24CrMo45V。

將無縫鋼管兩端加厚成型制成鉆桿管體，隨后進行鉆桿管體熱處理。熱處理爐采用蓄熱式步進式熱處理爐，淬火機為臺架式淬火機。熱處理工藝采用淬火+高溫回火的調質熱處理。

熱處理試驗用管規格為Φ168.3mm×10.92mm，熱處理試驗后依據API 5DP 標準進行加工取樣。拉伸試樣：管體條形W=25.4±1.575(mm)，標距G=50.0±0.10(mm)；夏比沖擊試樣：管體7.5×10×55mm。

拉伸試驗機：WES-600，沖擊試驗：ZBC2752N-3，晶粒度和組織分析：OLYMPUS GX-51 金相顯微鏡。

3 熱處理工藝方案

在車間生產時，在保證淬透的前提下，主要通過回火溫度的變動來調整管體性能符合要求。本文采用僅改變回火溫度的技術方案進行研究，擬定技術方案見表3。

表3 熱處理工藝方案

4 鉆桿管體性能

試驗時每3 支管體為一組進行，圖2 所示分別為在不同工藝方案下管體屈服強度、夏比沖擊功（7.5×10mm）。

圖2 在不同回火溫度下管體性能

進一步分析可知，對于該鋼種，當回火溫度低于660℃時，屈服強度滿足V150 鋼及要求；當回火溫度超過660℃時，屈服強度不合格并且有明顯的下降趨勢。對于沖擊韌性，當回火溫度小于660℃時，產品的韌性值較低；當回火溫度大于660℃時，韌性呈現明顯的上升趨勢。

綜合比較相關數據，可以發現方案三（回火溫度660℃）屈服強度、沖擊韌性比較理想，將方案三作為批量生產時的方案。

5 生產時鉆桿管體性能

采用方案三，制定出生產工藝，并進行了多個批次的生產，生產規格為Φ168.3mm×10.92mm，長度8900±100mm，相關數據如表4。

分析表中數據可以看出，生產的機械性能符合V150 技術要求，沖擊韌性能夠達到90J 以上。

在管體熱處理方案實施過程中，對淬火、回火后管體金相組織進行了分析，照片如圖3 所示。淬火后的管體金相組織為95%以上的馬氏體組織（圖3a）；回火后的管體金相均能達到95%以上的回火索氏體組織（圖3b），晶粒度在9 級以上。

6 討論與分析

6.1 產品設計性能

高韌性V150 鋼級鉆桿管體產品主要性能指標是沖擊韌性。通過開發的鋼種，配合合理的熱處理方式能夠達到高強度與高韌性匹配的效果，管體生產性能滿足客戶要求。

6.2 生產中遇到問題

采用該材料已經生產V150 鋼級鉆桿管體1000 噸左右，產品全部應用于穿越施工，在西氣東輸二線南昌—上海支干線林頭村撫河、贛江兩項穿越工程中均取得了良好的效果。V150 鋼級強度高，屈服強度上下限范圍僅有月100MPa，生產中出現3 個批次強度不合格，2 次超上限，1 次低于下限，生產中不易控制。穿越施工和石油鉆井作業還有一些不同點，穿越施工對鉆桿的最小屈服強度有限制，對屈服上限沒有要求，反而希望能夠承受的拉力越大越好，V150 鋼級的屈服強度范圍還可以進一步探討。

表4 V150 鋼級生產機械性能

圖3 管體熱處理后的金相組織

7 結語

通過化學成分設計，開發出了應用于V150 鋼級的鋼種，配合合理的熱處理工藝開發成功V150 鋼級鉆桿管體，該產品有以下特點：

（1）V150 鋼 級 鉆 桿 管 體 沖 擊 韌 性 好，-20 ℃、7.5×10mm 可以達到90J 以上，滿足了高韌性鉆桿的要求。

（2）V150 鋼級鉆桿管體回火溫度660℃比較理想。