80KSI-SUP13Cr超級馬氏體不銹鋼管成形與 熱處理工藝

劉富強，王錦永，陳明義，董俊超

新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056300

1 序言

L80-13Cr鋼具有良好的耐CO2腐蝕性，但當油井溫度超過150℃時，普通L80-13Cr鋼的耐蝕性會變差，由于大量CO2存在而變得不耐用。近年來，隨著較易開發油井的減少，處于高礦化度、高溫、高CO2分壓、高Cl-濃度和微量H2S含量等腐蝕性嚴重環境中的油井不斷增加，普通L80-13Cr鋼管已不能滿足使用要求，因此要求研發具備更高韌性和耐蝕性的材料[1-3]。超級13Cr是由L80-13Cr發展而來的超低碳馬氏體不銹鋼，wC降低到0.04%以下，wS降低到0.005%以下，合金成分進一步優化（wNi＝4.5%～6.5%、wMo＝1.5%～2.5%），力學性能和耐蝕性明顯改善，目前成為CO2、低H2S含量油氣開采環境用鋼的首選材料[4-6]。

目前，超級13Cr鋼管成熟的生產工藝流程為：鑄錠→鍛坯→坯料內外加工→熱擠壓成形→調質處理。此工藝要切除冒口，成材率比較低。用連鑄坯＋擠壓成形是新工藝，避免了鍛造工序，沒有冒口，可大幅提高成材率和企業經濟效益。

本文以φ91mm×28mm的80KSI-SUP13Cr鋼管為研究對象，通過63MN臥式擠壓機將連鑄坯擠壓成鋼管，然后調質處理。對坯料組織、鋼管組織、晶粒度和力學性能進行檢測分析，為80KSISUP13Cr鋼管工業化生產提供新的工藝數據。

2 試驗材料、工藝路線和檢測方法

2.1 試驗材料

80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯冶煉工藝為電弧爐＋精煉爐＋真空脫氣。連鑄坯成形后外徑280mm，機加工到外徑247mm、內徑45mm、長度800mm的空心坯料。在63MN臥式擠壓機上的擠壓成形，鋼管尺寸是φ91mm×28mm，化學成分見表1。

表1 80KSI-SUP13Cr不銹鋼管的化學成分 （質量分數） （%）

2.2 試驗工藝路線

試驗工藝路線：合金冶煉→連鑄坯→軟化退火→內鏜外車→感應電爐加熱→玻璃粉潤滑→熱擠壓→冷床空冷→超聲波無損檢測→調質處理→組織、性能檢測。

2.3 組織和力學性能檢測

組織腐蝕溶液是王水，晶粒度檢測標準是ASTM E112—2012《金屬平均晶粒度測定方法》，高溫鐵素體檢測標準是YB/T 4402—2014《馬氏體不銹鋼中δ鐵素體含量金相測定法》，金相顯微鏡是德國蔡司Axio ImagerA2m。力學性能檢測取樣位置在鋼管壁厚的1/2處，拉伸試驗標準是ASTM A370—2017《鋼制品力學性能試驗的標準試驗方法和定義》，橫向－10℃沖擊吸收能量檢測標準是ASTM E23—2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》，洛氏硬度檢測標準是ASTM E18—2018《金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度標準試驗方法》。

3 試驗過程和結果分析

3.1 80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯組織

由于連鑄坯存在疏松和中心裂紋，取樣時需避開這些區域，在超級13Cr不銹鋼連鑄坯橫截面靠近半徑的1/4和1/2處取組織試樣。連鑄坯料退火后顯微組織如圖1所示。

圖1 80KSI-SUP13Cr鋼管連鑄坯顯微組織

由圖1可看出，超級13Cr不銹鋼連鑄坯的組織粗大，晶界處富集δ鐵素體，平均含量（體積分數）達7%，這是因為凝固時冷卻速度較慢，高溫下鐵素體形成元素聚集，產生粗大組織和δ鐵素體相。坯料的疏松和中間裂紋處聚集較多的夾雜、氣孔、偏析等缺陷，經過測量，直徑280mm的連鑄坯中心缺陷的直徑為20～30mm。因此，只要內孔加工量＞30mm，就可以將坯料缺陷加工去除。本試驗擠壓前坯料先加工直徑45mm的內孔，不會影響擠壓質量。熱擠壓工藝是在三向壓應力作用下成形，有利于消除縮松、焊合缺陷，適合低塑性超級13Cr不銹鋼鑄坯變形加工。

3.2 鋼管熱擠壓成形模具結構

圖2所示為擠壓成形的模具結構[7]。在擠壓筒的前端有擠壓模和玻璃墊，擠壓桿前端是擠壓墊。當加熱到溫的坯料涂上玻璃粉后，裝進擠壓筒，擠壓桿推動擠壓墊和坯料向前移動到擠壓模的前端，同時芯棒穿入坯料內部。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續向前推動，通過擠壓墊對坯料施壓，先使坯料墩粗變形，消除坯料外圓與擠壓筒內壁的間隙以及坯料內表面與芯棒的間隙，然后高溫金屬被擠壓進入擠壓模與芯棒組成的環形孔腔而變成鋼管。待擠壓桿前進到限位停止處時，擠壓過程結束，擠壓筒內留下20～50mm沒有壓完的坯料壓余。然后鎖緊擠壓筒的開關打開，擠壓筒后撤，同時把坯料壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后撤，將坯料壓余從成品上用熱據切掉，鋼管從擠壓機出口方向輸送到冷床，進行下一個循環。

圖2 熱擠壓成形模具結構[7]

3.3 80KSI-SUP13Cr鋼管擠壓成形和表面質量

連鑄坯加工到尺寸為φ247mm×φ45mm×800mm的擠壓用坯料，頭部外圓處加工R25～R30mm的圓角，修磨拋光表面質量，表面粗糙度≤3.2μm，去除坯料表面油污和雜質；將坯料在電磁感應爐中直接加熱，850℃以下用低功率預熱，隨后用高功率快速加熱到外表面1170～1220℃、心部溫度1130℃以上；然后用玻璃粉潤滑劑涂覆坯料外表面，形成熔融狀態的潤滑薄膜，隔開金屬與擠壓模具；坯料送入擠壓筒，擠壓筒內徑255mm，擠壓模內徑93mm，芯棒直徑35.5mm，擠壓前修磨清理擠壓模具（見圖3a），擠壓速度150～250mm/s，理論設計擠壓比約8.6，在擠壓筒、擠壓模組成的環形孔腔里，擠壓出φ91mm×28mm的鋼管（見圖3b），擠壓后在冷床上空冷（見圖3c）。

依據ASTM E213—2014《金屬管超聲波檢驗標準作法》要求，對擠壓管進行超聲波檢測，同時進行表面質量目視檢查。檢測結果表明：連鑄坯擠壓管表面平整，無折疊、裂紋缺陷（見圖3d）。

圖3 擠壓鋼管的狀態

3.4 80KSI-SUP13Cr鋼管熱處理工藝和性能檢測

超級13Cr不銹鋼合金含量高，淬透性好，馬氏體轉變的臨界冷卻速度低，空冷就可以完成馬氏體的轉變。據相關文獻[8]介紹，超級13Cr銹鋼的Ac3約910℃，為促進奧氏體化成分均勻化，設定熱處理工藝為：淬火加熱溫度1000℃，加熱時間120min，風冷，一次回火630℃×240min后空冷，二次回火635℃×210min后空冷。

80KSI-SUP13Cr鋼管調質處理后的力學性能見表2。

表2 80KSI-SUP13Cr鋼管調質處理后的力學性能

由表2可看出，鋼管調質處理后，抗拉強度為868～875MPa，屈服強度為570～590MPa，硬度23.5～24.9HRC，伸長率為23%～24%，平均沖擊吸收能量在130J以上，強度和韌性均滿足技術指標。這是因為，連鑄坯加熱到高溫時，經大擠壓比塑性變形，鑄態粗大組織被充分破碎，形成細小等軸晶，材料組織均勻性得到提高，獲得了強度和韌性同時兼備的性能。

3.5 80KSI-SUP13Cr鋼管晶粒度和組織

對調質后的80KSI-SUP13Cr鋼管取樣，觀察晶粒度和組織，如圖4所示。

圖4 擠壓鋼管調質后的晶粒度和顯微組織

從圖4可看出，連鑄坯經過大擠壓比塑性壓縮變形后，微觀縮松消失，粗大組織被充分破碎，板條馬氏體致密，板條束間距較小，細小等軸晶均勻分布，晶粒平均尺寸為20～30μm，晶粒度7.0～8.0級。顯微組織是低碳回火馬氏體＋少量逆變奧氏體＋少量δ鐵素體，利于高強度和高韌性的匹配。對于超級馬氏體不銹鋼，過多的高溫鐵素體存在是有害的，因為高溫鐵素體與回火組織塑性不同，對沖擊韌度有負面影響，因此ISO 13680—2010《石油和天然氣工業.管套、管道和接箍的耐腐合金無縫鋼管.交貨技術條件》要求材料組織中δ鐵素體含量（體積分數，下同）＜5%。經過檢測，鋼管組織中δ鐵素體含量為1.79%，大大低于連鑄坯δ鐵素體含量，說明在鋼管高溫擠壓充分破碎鑄態組織過程中，元素得到了充分擴散，不同區域成分變得一致，減小了成分偏析和組織不均。

4 結束語

1）將超級馬氏體鋼φ280m m×800m m連鑄坯加工到尺寸為φ247mm×φ45mm×800mm的擠壓坯，表面粗糙度≤3.2μm，擠壓溫度1170～1220℃，擠壓比約8.6，擠壓速度150～250mm/s，成功擠壓出φ91mm×28mm的鋼管，表面質量和微觀組織均比較理想。

2）連 鑄 坯＋熱 擠 壓 成 形 后，經 過1000℃×120min、風冷＋630℃×240min、空冷＋635℃×210m i n、空冷的熱處理工藝，生產出了80KSI-SUP13Cr鋼管。材料的抗拉強度為868～875MPa，屈服強度為570~590MPa，伸長率為23%～24%，硬度為23.5～24.9HRC，－10℃橫向沖擊吸收能量為131～143J，滿足ISO 13680—2010標準要求。