Φ244.48 mm×13.84 mm R95套管拉伸性能和幾何尺寸超標原因分析*

王冬林,霍 軒,馬 鑫,鐘 琦,唐浩宇,閆 凱

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077;2.中國石油煤層氣有限責任公司北京物資分公司 陜西 西安 710082;3.中國石油西南油氣田公司物資分公司 四川 成都 610031)

0 引 言

隨著國內油田產量的日益提高,P110、N80常見鋼級油套管使用比例日益提升,R95鋼級套管目前使用需求也日益增多。與此同時,隨著油套管需求的進一步提升,對油套管性能也提出更高要求[1-4]。近期,某公司生產的Φ244.48 mm×13.84 mm R95套管生產過程中出現熱處理屈服強度不合格,幾何尺寸(主要包括壁厚、橢圓度、直度)超標現象。本文結合此情況,對熱處理出現不合格情況進行分析,找出原因,保證了Φ244.48 mm×13.84 mm R95套管后續生產質量。

1 API Spec 5CT對R95套管要求[5]

1.1 拉伸性能要求

R95套管拉伸性能包括屈服強度Rt0.5、抗拉強度Rm以及延伸率A,其中延伸率最小值按照API 5CT推薦公式進行計算,詳細要求見表1。由表1可以看出,R95套管屈服強度合格范圍為655～758 MPa,允許波動范圍為103 MPa[6],相對于API 5CT其他鋼級,屈服強度波動范圍要小得多,例如P110鋼級屈服強度合格區間為758～965 MPa,屈服強度允許波動范圍為207 MPa,R95允許波動范圍不到P110鋼級的二分之一。

表1 R95套管拉伸性能要求

1.2 熱處理和矯直要求

R95套管應采用無縫或電焊工藝(S或EW)進行制造,熱處理要求是整體淬火+回火(Q&T),標準規定最低回火溫度為538 ℃,詳細熱處理及矯直要求見表2。

表2 R95熱處理及矯直要求

矯直要求:除正常矯直所必需的和壓縮冷加工量不大于3%的冷加工外,R95產品在最終回火作業后,不得進行拉伸或擴徑冷加工。

1.3 幾何尺寸公差

R95套管尺寸主要包括外徑、壁厚、直度及橢圓度等尺寸,按照API 5CT要求,Φ244.48 mm×13.84 mm R95規格套管尺寸公差見表3。其中外徑、壁厚、直度是API 5CT要求,橢圓度是技術協議要求。

表3 R95套管尺寸要求

2 采用的鋼種及其化學成分

R95套管采用的鋼種為27CrMn4,采用ARL-3460直讀光譜儀、QL-CS20H型號CS分析儀對其試樣進行成品化學分析,制樣嚴格按照ASTM A370標準執行,并對樣品進行了分析前處理以防止氧化等其他因素對樣品分析結果產生影響,取2個試樣,其成品分析結果見表4。

表4 R95套管成品化學分析結果(質量分數) %

由表4可知:該批鋼管符合API 5CT對R95鋼級套管化學成分的要求,且化學分析結果顯示離散度很小,煉鋼和軋管工藝能精確保證化學成分的符合性和集中性。

3 R95套管熱處理分析

為了達到R95的性能要求,工廠對該批荒管進行調質熱處理。筆者主要根據工廠生產實際,對該批荒管熱處理后性能和幾何尺寸進行具體描述(總共1 000支,10批)。

熱處理采用了調質熱處理,其中淬火工藝為淬火加熱溫度880 ℃、淬火保溫時間60 min,水淬(噴淋)冷卻至室溫;回火工藝為回火溫度620 ℃,回火保溫時間50 min。由該熱處理工藝處理的光管力學性能出現批量性力學性能超標,主要表現為屈服強度大于標準規定上限值,10批次中有9批不合格,不合格率90%,熱處理后拉伸試驗結果見表5。而幾何尺寸發生了較大變化,部分尺寸出現了超標現象,主要表現為光管外徑相對于荒管增加;30%光管壁厚超標,低于標準規定下限;部分光管橢圓度超過了技術協議要求;全長直度符合標準,部分光管管端直度超過了標準值,詳細情況見表6。

表5 熱處理后拉伸強度結果

表6 熱處理尺寸超標情況

4 原因分析

該批鋼管進行熱處理主要出現了兩方面的問題:熱處理屈服強度問題和幾何尺寸問題,下面就這2個問題分別進行分析。

4.1 屈服強度分析

1)熱處理爐溫度控制不均勻。該熱處理爐隨后經校驗,淬火爐溫度控制很好,偏差控制±15 ℃,但回火爐經檢驗之后發現,加熱有效區部分與管材擺放范圍不匹配,另外,溫度均勻性不夠,熱電偶溫度顯示溫度最大偏差在30 ℃,普遍溫度偏差20 ℃左右,回火爐只滿足GB/T 9452-2012[7]Ⅵ級熱處理爐要求,這就是造成屈服強度超標的客觀原因。

2)研究表明[8-9]:屈服強度過高一般是由回火工藝引起的,回火溫度過低、保溫時間過短容易造成熱處理屈服強度超上限。從R95套管上切取試塊進行試驗,淬火工藝不變,每次僅改變回火溫度或保溫時間單參數,回火工藝其他參數不變,可以得出回火溫度、保溫時間與拉伸性能影響關系,如圖1、圖2所示。

圖1 回火溫度對屈服強度的影響曲線

圖2 回火保溫時間對屈服強度的影響曲線

由圖可以看出,隨著回火溫度升高,屈服強度下降;隨著回火保溫時間增加,屈服強度也下降,即回火溫度、回火保溫時間與屈服強度是負相關關系,且曲線斜率很大,可見回火溫度、回火保溫時間對屈服強度影響很大?；鼗鸨貢r間50 min,屈服強度已經超上限,再加上回火爐溫度控制不均勻因素影響,實際熱處理溫度也可能只有590 ℃,兩種因素疊加也就造成批量屈服強度不合格。

3)從熱處理爐的情況可以看出,雖然制定了熱處理工藝,但實際熱處理工藝與理論值偏差較大,因此在實際熱處理時可能產生了不合理的組織,如魏氏組織。魏氏組織是在熱處理過程中形成的粗晶粒奧氏體在淬火水冷時,一部分游離的鐵素體除了沿晶界析出外,另一部分會沿晶粒內部獨自析出,形成分布在珠光體上的片狀鐵素體組織。魏氏組織中鐵素體和滲碳體的針片,會形成很多脆斷面,嚴重影響鋼的強度,增加脆性。

由上述分析可知,屈服強度不合格主要是由于回火爐溫度控制不均勻、回火溫度過低、回火保溫時間不夠、產生不合理組織等綜合因素引起的,因此對不合格9批R95套管重新熱處理。重新熱處理不改變淬火工藝,只對回火工藝進行了改變。重新熱處理采用的回火工藝為:回火溫度630 ℃,回火保溫時間70 min,且更換溫度控制符合要求的回火爐。經重新熱處理的光管屈服強度得到很好的改善,9批次屈服強度均合格,屈服強度范圍為678～740 MPa,方差為20.7 MPa,屈服強度穩定性得到很大提升。

4.2 幾何尺寸分析

為了研究套管外徑、壁厚超標情況,取其中1根套管進行試驗。熱處理后去除氧化皮,一根管子等間距選取10個截面,每個截面以Π尺測量外徑,每個截面選取相隔90°四點求平均值定為該截面壁厚,淬火、回火前后外徑、壁厚情況對比如圖3、圖4所示。

圖3 淬火、回火對套管外徑影響曲線

圖4 淬火、回火對套管壁厚影響曲線

通過上述分析,幾何尺寸變化原因如下。

1)由圖3可知:各截面經淬火后外徑均增大,增大程度各有不同,增大百分比在0.1%～0.25%之間;但經過回火后外徑減小,減小百分比在0.01%～0.02%之間(幾乎可以忽略不計)。這是由于淬火形成體積更大的馬氏體,回火時雖然馬氏體轉變成體積更小的索氏體,但淬火體積增大程度遠大于回火體積減小程度,最終表現為外徑增大。建議在回火工序后增加定徑工序,外徑最大可以減徑1%,完全可以抵消熱處理之后外徑增大量。為了達到更大的減徑效果,應增加定徑機數量,要求≥4臺架。

2)由圖4可知:各截面經過淬火后壁厚增大,增大百分比在0.2%～0.5%之間,但經過回火后壁厚減小,減小百分比在1%～1.9%之間?；鼗鸨诤駵p小程度遠大于淬火壁厚增大程度,最終表現為壁厚減少。經調查,該批套管采購合同是按照長度結算價格,所以工廠為了節約原材料成本,壁厚盡量按照下偏差進行生產,由于熱處理壁厚減薄,造成部分套管壁厚不合格。圖4顯示壁厚未出現低于下限的原因是,每個截面選取相隔90°四點求平均值定為該截面壁厚,由于軋制壁厚偏析性,每個截面最小點壁厚遠小于該規定截面壁厚。

3)管端因為長時間高溫受熱,而引起了管端“坍塌”(“坍塌”現象為管端長時間受高溫加熱,由于重力以及變軟等原因形成橢圓),從而造成橢圓度明顯增大。特別對于外徑與壁厚比值過大的鋼管,因“坍塌”而引起的端部橢圓度變化更加明顯。而本規格套管外徑與壁厚之比不算大,“坍塌”現象不明顯,所以僅有10%光管橢圓度超標,而且超出得也很小。為了解決橢圓度增大問題,一般要保證鋼管在加熱過程中一直保持勻速旋轉。

4)熱處理后直度不合格原因主要為:當淬火溫度大于馬氏體轉變的起始溫度Ms時,就容易發生形狀畸變。該形狀畸變是由熱應力造成的,表現為在錯綜復雜的應力綜合作用下,由不均勻的塑性變形而引起[10]。再加上熱處理爐溫度控制不均勻,增強了管材各部位熱應力效果,這些應力作用加速了形狀畸變程度。對于形狀畸變,一般熱處理后采取矯直工藝進行解決。一般采用溫矯工藝,溫度控制在560 ℃,對于直度超差不大的鋼管也可以采取冷矯工藝。

5 結論與建議

1)屈服強度不合格主要是由于回火爐溫度控制不均勻、回火溫度過低、回火保溫時間不夠等綜合因素引起的。

2)幾何尺寸不合格原因:外徑、壁厚淬火后數值增大,回火后數值減小,主要是由于熱處理組織變化以及淬火、回火影響程度不同而引起;橢圓度超標是因為管端長時間高溫受熱而發生了“坍塌”;熱處理后直度不合格主要是由于熱處理發生了形狀畸變。

3)針對屈服強度不合格,修正回火工藝并且更換溫度控制符合要求的回火爐(回火爐經過檢定,溫度控制符合GB/T 9452-2012[7]Ⅲ級),重新熱處理的光管屈服強度得到很好的改善。9批次屈服強度均合格,而且屈服強度范圍為678～740 MPa,方差為20.7 MPa,屈服強度穩定性得到很大提升。建議制定更加精細的回火工藝,并制定更合理的熱處理檢定頻次。

4)針對幾何尺寸不合格,提出了增加定徑機數量、鋼管加熱時保持勻速旋轉、采用合適矯直工藝等方式進行解決。