高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管的開發

介紹了天津鋼管集團股份有限公司（TPCO）開發的高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管。通過合金化技術、純凈鋼冶煉、控制軋制、熱處理技術等手段，材料屈服強度達到1000MPa鋼級水平，同時具有良好的低溫沖擊韌性和優良的高溫力學性能，保證了其可以滿足苛刻條件下的使用安全性。

隨著世界經濟的快速發展，對能源的需求數量急劇增加，石油探測和開采力度日益加大。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，在有硫化氫的油氣田里，還要求能抗硫化氫腐蝕。

天津鋼管集團股份有限公司（TPCO）立足于新的技術要求，從鋼種設計出發，對產品的煉鋼、軋制、熱處理等工藝進行了嚴格控制，研究了一種既有高溫強度，又有低溫沖擊韌性的S135鋼級鉆桿用無縫鋼管。本文將對該產品的開發做詳細介紹。

1高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管的研制與開發

1.1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，碳含量多控制在0.24～0.35之間，通過適當添加合金元素提高強度和淬透性。本設計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，并適當添加其他合金元素來提高鉆桿的強度和淬透性。

碳元素是一種能有效提高強度且成本低廉的合金元素。提高鋼中碳含量是提高材料強度高效和經濟的手段，成為傳統高強鋼的設計方案，但是以犧牲塑韌性為代價的。研究表明鋼中碳含量對馬氏體形態有顯著影響，0.3%C以下以板條馬氏體為主兼有部分片狀馬氏體（孿晶馬氏體），0.26%C以下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和孿晶型馬氏體相比具有良好的韌性，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。為此將碳含量設計在0.20～0.26%。

硅和錳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，錳含量增加，鋼的淬透性增加。但錳含量的增加，也增加鋼的回火敏感性，降低鋼的韌性。另外錳含量過高對鋼的焊接性能不利。設計時以錳含量0.80～1.20%最宜。硅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，因此硅含量取0.20～0.35%。硫和磷元素是殘存在鋼中的有害元素，一般情況下其含量越低越好。

鉻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。當鉻含量低于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。但鉻會顯著提高鋼的脆性轉變溫度，增加鋼的回火脆性。適宜的鉻含量范圍是0.30～1.25%，最佳范圍應該在0.95～1.10%。

鉬元素是碳化物形成元素，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。利用鉬元素的二次硬化可以抑制低合金鋼常見的隨回火溫度升高強度降低現象，實現提高回火溫度解決高強度和高韌性匹配的問題；鉬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好的抗氫致斷裂能力；鉬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，故鉬含量應控制在0.50～0.60%。

釩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，釩合金分階段析出，細化軋制的奧氏體晶粒度和微觀組織；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軋晶界，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，釩與碳一起析出細小彌散的沉淀粒子，起到彌散強化的作用；此外釩還具有提高回火穩定性、提高回火溫度的作用，可以保證出回火爐后鋼管在較高溫度下矯直，降低矯直產生的殘余應力。但釩元素過多，根據固溶度積公式在鋼種無法溶解，故在設計中選擇釩含量在0.60～0.80%。

1.2煉鋼工藝

24CrMo45V采用100t電爐+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，根據終點碳控制鋁含量不小于0.020%，同時控制出鋼溫度在1620～1640℃，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少鋼液溫降。根據全Al含量的高低適當補喂Al線，使LF爐出鋼時的ω（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。

1.3軋制工藝

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

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。將該鋼種在Gleeble熱模擬試驗機上進行不同溫度下變形抗力和面縮率測定，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區間約為1100～1150℃?？刂骗h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。

1.4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1050～1150℃之間，溫度過高易造成鋼鐵過燒，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，以及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30～50s，使得奧氏體充分均勻，又不造成晶粒的過度長大。

（3）控制鐓粗變形量分配：一次鐓粗和二次鐓粗采用大壓下量變形，三次鐓粗采用小壓下量變形控制，提高尺寸精度。同時在感應加熱溫度控制上，一次鐓粗和二次鐓粗在1050～1150℃溫度之間盡量走上限（偏高溫控制），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（連續冷卻轉變曲線）確定。24CrMo45V鋼種的CCT曲線如圖1所示，不同冷卻速度下的金相組織如圖2所示。

根據鋼的CCT曲線和設備條件，24CrMo45V管材最好使用調質熱處理工藝，通過調質熱處理可以得到均勻細小的回火索氏體組織，并將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，調質處理還是細化晶粒度的非常有效的方式。

1.5高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管的實際性能

1.5.1強度

強度是保證鉆桿服役的前提，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API SPEC 5DP上PSL-3 S135的標準前提下，還要保持較高的高溫強度。鋼管的室溫強度分布如圖3所示，鋼管在溫度200℃，250℃，300℃，350℃條件下的強度數值見表2所示。

1.5.2沖擊韌性

API SPEC 5DP上規定，PSL-3 S135鉆桿管體全尺寸最低平均沖擊功不小于100J，單個值不小于80J，3/4尺寸最低平均沖擊功不小于80J，單個值不小于64J。通過檢測，生產的高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管的沖擊值高于標準的要求，保證了其在服役狀態下的安全性。鋼管的沖擊值如圖4所示，測定鋼管的韌脆轉變溫度如圖5所示。

1.5.3鋼管的組織和晶粒度

鉆桿管體的組織和晶粒度直接影響鉆桿的性能。經試驗，管體金相為回火索氏體，組織細小而均勻；平均晶粒度直徑在10微米左右，晶粒度等級≥9級。組織和晶粒度如圖6所示。

2結果與討論

2.1產品設計與實際性能

高強度高低溫韌性鉆桿的主要性能指標是-20℃的韌性和室溫以及高溫的拉伸性能。通過成分設計，冶煉時控制夾雜物產生，合理的熱處理方式和制度來達到高強度和高低溫韌性的效果，實際性能完全可以滿足客戶和標準的要求。

2.2控制夾雜物

夾雜物對鋼材性能的影響一直是個熱門研究的話題，尤其當鋼材的屈服強度等級越來越高的時候，鋼材的低溫沖擊韌性對夾雜物越來越敏感。有研究表明，不同類型的夾雜物形成于鋼鐵冶煉過程，但在軋制過成發生不同的變形，類型不同導致變形后分布方向差異很大，對沖擊韌性的方向性影響各異。另外在材料受到沖擊載荷的過程中，韌性斷裂過程是由夾雜物處在應力作用下引起的空隙開始的，由于夾雜物和析出物同金屬的彈性、塑性有相當大的差別，所以在金屬的變形過程中，夾雜物和析出物不能隨基體變形，在它周圍產生愈來愈大的應力，使夾雜物與基體的界面脫開而產生微裂紋。

開發高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管過程中，充分考慮到了P、S以及Al、O等元素對沖擊韌性的影響，S含量都要控制的非常低，基本要達到0.003%以下，以0.001%為目標。在煉鋼階段采用Ca處理的夾雜物變性技術將條狀硫化物夾雜物球化處理，最大限度降低該類夾雜物對管體沖擊韌性的影響。如圖7所示。

3結論

通過化學成分的合理設計，對煉鋼、軋制、熱處理的嚴格控制，開發出了高強度高低溫韌性鉆桿用無縫鋼管，產品的性能具有以下特點：

a)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。

b）不但室溫強度高，在350℃情況下仍能達到125ksi鋼級的水平。

c）低溫沖擊韌性好，-20℃情況下全尺寸沖擊功可達到120J以上，韌脆轉變轉變溫度低，這樣可以更好保證在低溫狀態下的安全性。