调质工艺对低碳微合金钢管组织及性能的影响*

2023-05-06李鸿斌任永峰白耀岗张锦刚鲜林云张晓梅

焊管 2023年4期

李鸿斌，任永峰，白耀岗，张锦刚，余晗，鲜林云，王亮，焦炜，张晓梅

（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008；3.陕西省高性能连续管重点实验室，陕西宝鸡 721008）

0 前言

我国能源需求快速增长，国家加大了“深、低、海、非”领域的油气勘探开发，其中超深层油气井的井深及超长水平井的长度不断被刷新，页岩气作为国内油气加快发展的最现实接替资源，已进入快速增长期。随着对地质条件复杂区块的开发，油、气田开采难度不断加大，油气开采深度、水平段长度、作业压力、井内压力及温度、腐蚀环境等工况日趋苛刻，复杂井况对管材的综合性能提出了更高的要求，尤其是提高了对高强度、高韧性、抗疲劳的要求[1-6]。

有研究表明，调质处理能够使钢具有良好的综合力学性能，即同时具有较高的强度、塑性和韧性。调质处理是指淬火和高温回火结合起来互相衔接的热处理工艺，其主要目的是调整组织、减少碳化物，使组织均匀，具有良好的强韧性配合，从而提高其综合力学性能[7-14]。目前，文献中对于高频焊接钢管调质前后性能的变化研究甚少，为此本研究采用高频焊接钢管，在钢材化学成分不变的情况下，通过实验室不同淬火+回火工艺调质热处理试验，研究不同调质热处理工艺对钢管的强度、硬度和金相组织的影响规律，为调质态高性能钢管开发提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用热轧卷板，经连续成型、高频焊接、焊缝热处理，制备出Φ50.8 mm×4.44 mm钢管，单根长度为5 m，共10 根，用于开展调质热处理试验及检测评价，其主要化学成分见表1，钢管的力学性能见表2。

表1 钢管化学成分 %

表2 钢管力学性能

1.2 试验方法

取单根长度5 m的钢管，在箱式电阻炉中进行热处理试验。考虑到钢管的奥氏体化温度，淬火温度选取930 ℃，保温时间分别取2 min、4 min、8 min、12 min，然后水冷，测试不同保温时间下管材组织和性能。采用优选的淬火工艺进行淬火，开展不同回火保温时间（3 min、6 min、12 min、18 min）、不同回火温度（450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃）试验。将调质完成的样管按照相关检测标准进行试样制备及检测分析。用ZWICK1200 型试验机，依据ASTM A370—2009《钢制品力学性能试验的方法和定义》进行整管拉伸试验，试样尺寸为Φ50.8 mm×4.44 mm×450 mm；依据GB/T 4340.1—2009，使用Durascan 70 硬度计进行硬度试验；依据GB/T 4340.1—2009，采用Leica DMI5000M 金相显微镜对管样进行金相显微组织观察；采用WE-30B型液压式万能试验机，依据API SPEC 5ST《连续油管规范》及ASTM A450《碳素钢、铁素体和奥氏体合金钢钢管的一般要求》进行样管压扁及扩口试验，试样尺寸为Φ50.8 mm×4.44 mm×102 mm；用PLW-100 型疲劳试验机进行低周疲劳试验，试样尺寸为Φ50.8 mm×4.44 mm×1 524 mm，弯曲模半径为1 828 mm，管样在内压34.47 MPa下反复进行弯曲—拉直—弯曲循环疲劳试验，并记录疲劳循环次数，直到试样出现泄压或漏水后结束试验。

2 试验结果及分析

2.1 不同淬火保温时间对组织及性能的影响

钢管在相同加热温度930 ℃，不同保温时间2 min、4 min、8 min 和12 min 下完成淬火试验，不同试验条件下样管的力学性能和硬度检测结果如图1 所示。由图1 可知，淬火保温2 min 时，样管的力学性能与原始钢管相比，其屈服强度降低，抗拉强度提高，延伸率降低，硬度提升；淬火保温4 min 时，样管的屈服强度为790 MPa，抗拉强度为1 240 MPa，伸长率7.6%，硬度均值为426HV1.0，样管的强度、硬度达到峰值，焊缝硬度与母材硬度趋于一致；随着淬火保温时间延长到8 min、12 min，样管的强度、硬度指标略有降低，伸长率基本保持不变。

图1 保温时间对样管强度和硬度的影响

原始钢管母材及930 ℃淬火不同保温时间样管的金相组织如图2 所示，对应的焊缝组织如图3 所示。可以看出，原始钢管的母材和焊缝组织以铁素体和粒状贝氏体为主，焊缝晶粒相对粗大；保温2 min 时，淬火后样管的母材组织相对细小，以粒状贝氏体为主，抗拉强度及硬度提升有限，且焊缝组织晶粒粗大，母材组织均匀细化而焊缝组织无明显改善；保温时间为4 min、8 min、12 min 时，淬火后样管的母材组织相对粗大，主要是马氏体和少量残余奥氏体组成，且焊缝与母材组织趋于一致；保温时间在4～12 min，强度及硬度相差较小，不同工艺下样管屈服强度为775～790 MPa，抗拉强度为1 200～1 240 MPa，伸长率为7.6%～8.3%，硬度均值为408HV1.0～426HV1.0。因此，淬火后形成的大量马氏体组织是钢管抗拉强度及硬度提升的根本原因，也是最终获得性能优异的调质钢管的保障。

图2 钢管及930 ℃淬火不同保温时间样管母材组织形貌

图3 钢管及930 ℃淬火不同保温时间样管焊缝组织形貌

根据综合性能检测结果，优选钢管淬火工艺为淬火温度930 ℃、保温时间4 min、水冷。

2.2 不同回火温度和回火时间对组织及性能的影响

设定相同的淬火加热温度930 ℃、保温时间4 min、水冷，开展3 min、6 min、12 min、18 min不同回火保温时间，450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃不同回火温度的调质工艺试验，不同试验状态下样管的屈服强度、抗拉强度、伸长率及硬度检测结果如图4所示。由图4（a）可知，回火保温时间3 min及6 min条件下，样管屈服强度随回火温度的升高呈先升高后降低趋势，在回火温度600 ℃达到峰值；回火保温时间12 min及18 min条件下，屈服强度随回火温度的升高呈下降趋势。由图4（b）可知，在不同回火时间下，样管抗拉强度随回火温度的升高呈下降趋势，在回火时间较短的3 min和6 min下，抗拉强度下降较为缓慢。由图4（c）可知，样管伸长率随回火温度的升高呈升高趋势；回火保温时间3 min条件下，样品不同回火温度下伸长率整体较低；回火保温时间12 min条件下，样品不同回火温度下伸长率整体较高，出现峰值；而保温时间18 min条件下，样品不同回火温度下伸长率较回火保温时间12 min 呈下降趋势。由图4（d）可知，样管硬度随回火温度的升高而呈下降趋势；随回火保温时间的延长而呈下降趋势。

图4 回火时间和回火温度对样管力学性能的影响

930 ℃加热、保温4 min淬火、回火保温时间6 min，回火温度450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、650 ℃、700 ℃下样管的母材金相组织如图5所示。由图5可以看出，当回火温度在450 ℃、500 ℃时，马氏体未完成分解，大部分回火组织仍能保持板条形态，因此，样管具有高的抗拉强度；当回火温度增加到550～700 ℃时，板条马氏体转变成铁素体+碳化物的组织并逐渐增多，板条束边界更加模糊，且碳化物析出更加均匀弥散，因此，样管强度和硬度降低，韧性增加。

2.3 典型调质样管性能评价

930 ℃加热、保温4 min 后水冷、600 ℃回火后保温6 min，对实物样管进行热处理试验，并全面测试分析了该样管性能。

调质后样管拉伸性能见表3，压扁试验结果见表4，扩口试验结果见表5，硬度试验结果见表6，母材及焊缝微观组织形貌如图6 所示，弯曲疲劳试验结果如图7所示。由表3可知，调质样管屈服强度为940 MPa，抗拉强度为1 055 MPa，断后伸长率为18.4%，达到130 ksi管材的拉伸性能设计要求。由表4、表5 可知，在相对严苛的压扁、扩口试验条件下，试样焊缝、母材均未出现裂纹，表明调质样管焊缝及母材性能一致，管材沿周向具有良好的塑性。由表6 可知，调质样管管体硬度为326HV1.0～347HV1.0，满足≤ 382HV1.0的设计要求，且硬度波动较小，表明管体母材及焊缝性能一致。由图6可知，经调质处理后，钢管的高频焊焊缝已经趋于工程无缝化，焊缝组织与母材组织基本一致，管体组织细小、均匀，以回火索氏体为主，铁素体基体上的碳化物细小均匀弥散分布。在内压34.47 MPa、弯曲半径1 828 mm 条件下进行调质样管弯曲疲劳试验，由图7 可知，在相同测试条件、相同规格下，调质样管的疲劳寿命是常规110 ksi 钢管的2 倍以上，较130 ksi 钢管的疲劳寿命提高60%以上。