調(diào)質(zhì)工藝對低碳微合金鋼管組織及性能的影響*

李鴻斌，任永峰，白耀崗，張錦剛，余 晗，鮮林云，王 亮，焦 煒，張曉梅

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3.陜西省高性能連續(xù)管重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

我國能源需求快速增長，國家加大了“深、低、海、非”領(lǐng)域的油氣勘探開發(fā)，其中超深層油氣井的井深及超長水平井的長度不斷被刷新，頁巖氣作為國內(nèi)油氣加快發(fā)展的最現(xiàn)實(shí)接替資源，已進(jìn)入快速增長期。隨著對地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)塊的開發(fā)，油、氣田開采難度不斷加大，油氣開采深度、水平段長度、作業(yè)壓力、井內(nèi)壓力及溫度、腐蝕環(huán)境等工況日趨苛刻，復(fù)雜井況對管材的綜合性能提出了更高的要求，尤其是提高了對高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞的要求[1-6]。

有研究表明，調(diào)質(zhì)處理能夠使鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，即同時具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。調(diào)質(zhì)處理是指淬火和高溫回火結(jié)合起來互相銜接的熱處理工藝，其主要目的是調(diào)整組織、減少碳化物，使組織均勻，具有良好的強(qiáng)韌性配合，從而提高其綜合力學(xué)性能[7-14]。目前，文獻(xiàn)中對于高頻焊接鋼管調(diào)質(zhì)前后性能的變化研究甚少，為此本研究采用高頻焊接鋼管，在鋼材化學(xué)成分不變的情況下，通過實(shí)驗室不同淬火+回火工藝調(diào)質(zhì)熱處理試驗，研究不同調(diào)質(zhì)熱處理工藝對鋼管的強(qiáng)度、硬度和金相組織的影響規(guī)律，為調(diào)質(zhì)態(tài)高性能鋼管開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用熱軋卷板，經(jīng)連續(xù)成型、高頻焊接、焊縫熱處理，制備出Φ50.8 mm×4.44 mm鋼管，單根長度為5 m，共10 根，用于開展調(diào)質(zhì)熱處理試驗及檢測評價，其主要化學(xué)成分見表1，鋼管的力學(xué)性能見表2。

表1 鋼管化學(xué)成分 %

表2 鋼管力學(xué)性能

1.2 試驗方法

取單根長度5 m的鋼管，在箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理試驗。考慮到鋼管的奧氏體化溫度，淬火溫度選取930 ℃，保溫時間分別取2 min、4 min、8 min、12 min，然后水冷，測試不同保溫時間下管材組織和性能。采用優(yōu)選的淬火工藝進(jìn)行淬火，開展不同回火保溫時間（3 min、6 min、12 min、18 min）、不同回火溫度（450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃）試驗。將調(diào)質(zhì)完成的樣管按照相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備及檢測分析。用ZWICK1200 型試驗機(jī)，依據(jù)ASTM A370—2009《鋼制品力學(xué)性能試驗的方法和定義》進(jìn)行整管拉伸試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×450 mm；依據(jù)GB/T 4340.1—2009，使用Durascan 70 硬度計進(jìn)行硬度試驗；依據(jù)GB/T 4340.1—2009，采用Leica DMI5000M 金相顯微鏡對管樣進(jìn)行金相顯微組織觀察；采用WE-30B型液壓式萬能試驗機(jī)，依據(jù)API SPEC 5ST《連續(xù)油管規(guī)范》及ASTM A450《碳素鋼、鐵素體和奧氏體合金鋼鋼管的一般要求》進(jìn)行樣管壓扁及擴(kuò)口試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×102 mm；用PLW-100 型疲勞試驗機(jī)進(jìn)行低周疲勞試驗，試樣尺寸為Φ50.8 mm×4.44 mm×1 524 mm，彎曲模半徑為1 828 mm，管樣在內(nèi)壓34.47 MPa下反復(fù)進(jìn)行彎曲—拉直—彎曲循環(huán)疲勞試驗，并記錄疲勞循環(huán)次數(shù)，直到試樣出現(xiàn)泄壓或漏水后結(jié)束試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同淬火保溫時間對組織及性能的影響

鋼管在相同加熱溫度930 ℃，不同保溫時間2 min、4 min、8 min 和12 min 下完成淬火試驗，不同試驗條件下樣管的力學(xué)性能和硬度檢測結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，淬火保溫2 min 時，樣管的力學(xué)性能與原始鋼管相比，其屈服強(qiáng)度降低，抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低，硬度提升；淬火保溫4 min 時，樣管的屈服強(qiáng)度為790 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 240 MPa，伸長率7.6%，硬度均值為426HV1.0，樣管的強(qiáng)度、硬度達(dá)到峰值，焊縫硬度與母材硬度趨于一致；隨著淬火保溫時間延長到8 min、12 min，樣管的強(qiáng)度、硬度指標(biāo)略有降低，伸長率基本保持不變。

圖1 保溫時間對樣管強(qiáng)度和硬度的影響

原始鋼管母材及930 ℃淬火不同保溫時間樣管的金相組織如圖2 所示，對應(yīng)的焊縫組織如圖3 所示。可以看出，原始鋼管的母材和焊縫組織以鐵素體和粒狀貝氏體為主，焊縫晶粒相對粗大；保溫2 min 時，淬火后樣管的母材組織相對細(xì)小，以粒狀貝氏體為主，抗拉強(qiáng)度及硬度提升有限，且焊縫組織晶粒粗大，母材組織均勻細(xì)化而焊縫組織無明顯改善；保溫時間為4 min、8 min、12 min 時，淬火后樣管的母材組織相對粗大，主要是馬氏體和少量殘余奧氏體組成，且焊縫與母材組織趨于一致；保溫時間在4～12 min，強(qiáng)度及硬度相差較小，不同工藝下樣管屈服強(qiáng)度為775～790 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 200～1 240 MPa，伸長率為7.6%～8.3%，硬度均值為408HV1.0～426HV1.0。因此，淬火后形成的大量馬氏體組織是鋼管抗拉強(qiáng)度及硬度提升的根本原因，也是最終獲得性能優(yōu)異的調(diào)質(zhì)鋼管的保障。

圖2 鋼管及930 ℃淬火不同保溫時間樣管母材組織形貌

圖3 鋼管及930 ℃淬火不同保溫時間樣管焊縫組織形貌

根據(jù)綜合性能檢測結(jié)果，優(yōu)選鋼管淬火工藝為淬火溫度930 ℃、保溫時間4 min、水冷。

2.2 不同回火溫度和回火時間對組織及性能的影響

設(shè)定相同的淬火加熱溫度930 ℃、保溫時間4 min、水冷，開展3 min、6 min、12 min、18 min不同回火保溫時間，450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃不同回火溫度的調(diào)質(zhì)工藝試驗，不同試驗狀態(tài)下樣管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率及硬度檢測結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，回火保溫時間3 min及6 min條件下，樣管屈服強(qiáng)度隨回火溫度的升高呈先升高后降低趨勢，在回火溫度600 ℃達(dá)到峰值；回火保溫時間12 min及18 min條件下，屈服強(qiáng)度隨回火溫度的升高呈下降趨勢。由圖4（b）可知，在不同回火時間下，樣管抗拉強(qiáng)度隨回火溫度的升高呈下降趨勢，在回火時間較短的3 min和6 min下，抗拉強(qiáng)度下降較為緩慢。由圖4（c）可知，樣管伸長率隨回火溫度的升高呈升高趨勢；回火保溫時間3 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率整體較低；回火保溫時間12 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率整體較高，出現(xiàn)峰值；而保溫時間18 min條件下，樣品不同回火溫度下伸長率較回火保溫時間12 min 呈下降趨勢。由圖4（d）可知，樣管硬度隨回火溫度的升高而呈下降趨勢；隨回火保溫時間的延長而呈下降趨勢。

圖4 回火時間和回火溫度對樣管力學(xué)性能的影響

930 ℃加熱、保溫4 min淬火、回火保溫時間6 min，回火溫度450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃下樣管的母材金相組織如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)回火溫度在450 ℃、500 ℃時，馬氏體未完成分解，大部分回火組織仍能保持板條形態(tài)，因此，樣管具有高的抗拉強(qiáng)度；當(dāng)回火溫度增加到550～700 ℃時，板條馬氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體+碳化物的組織并逐漸增多，板條束邊界更加模糊，且碳化物析出更加均勻彌散，因此，樣管強(qiáng)度和硬度降低，韌性增加。

2.3 典型調(diào)質(zhì)樣管性能評價

930 ℃加熱、保溫4 min 后水冷、600 ℃回火后保溫6 min，對實(shí)物樣管進(jìn)行熱處理試驗，并全面測試分析了該樣管性能。

調(diào)質(zhì)后樣管拉伸性能見表3，壓扁試驗結(jié)果見表4，擴(kuò)口試驗結(jié)果見表5，硬度試驗結(jié)果見表6，母材及焊縫微觀組織形貌如圖6 所示，彎曲疲勞試驗結(jié)果如圖7所示。由表3可知，調(diào)質(zhì)樣管屈服強(qiáng)度為940 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 055 MPa，斷后伸長率為18.4%，達(dá)到130 ksi管材的拉伸性能設(shè)計要求。由表4、表5 可知，在相對嚴(yán)苛的壓扁、擴(kuò)口試驗條件下，試樣焊縫、母材均未出現(xiàn)裂紋，表明調(diào)質(zhì)樣管焊縫及母材性能一致，管材沿周向具有良好的塑性。由表6 可知，調(diào)質(zhì)樣管管體硬度為326HV1.0～347HV1.0，滿足≤ 382HV1.0的設(shè)計要求，且硬度波動較小，表明管體母材及焊縫性能一致。由圖6可知，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼管的高頻焊焊縫已經(jīng)趨于工程無縫化，焊縫組織與母材組織基本一致，管體組織細(xì)小、均勻，以回火索氏體為主，鐵素體基體上的碳化物細(xì)小均勻彌散分布。在內(nèi)壓34.47 MPa、彎曲半徑1 828 mm 條件下進(jìn)行調(diào)質(zhì)樣管彎曲疲勞試驗，由圖7 可知，在相同測試條件、相同規(guī)格下，調(diào)質(zhì)樣管的疲勞壽命是常規(guī)110 ksi 鋼管的2 倍以上，較130 ksi 鋼管的疲勞壽命提高60%以上。

表3 調(diào)質(zhì)樣管拉伸性能

表4 壓扁試驗結(jié)果

表5 擴(kuò)口試驗結(jié)果

圖6 調(diào)質(zhì)樣管母材及焊縫微觀組織形貌

表6 硬度試驗結(jié)果（HV1.0）

圖7 鋼管彎曲疲勞性能對比

3 結(jié) 論

（1）試驗管材通過合理的調(diào)制熱處理能夠大幅提升鋼管的力學(xué)性能，達(dá)到所需要的強(qiáng)度、韌性和塑形等指標(biāo)的合理匹配。

（2）不同淬火的保溫時間、回火溫度、回火保溫時間對鋼管組織及力學(xué)性能均有一定的影響，相對而言，回火溫度和回火保溫時間的影響更為明顯。回火溫度升高，回火保溫時間延長，材料的強(qiáng)度下降，塑性、韌性指標(biāo)隨之上升。

（3）在930 ℃加熱、4 min 保溫后水冷、600 ℃回火后6 min保溫條件下，樣管屈服強(qiáng)度為940 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 055 MPa，斷后伸長率為18.4%，達(dá)到130 ksi鋼級鋼管拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)要求，且具有良好的塑性及抗彎曲疲勞性能，整體力學(xué)性能顯著提升。