肖國章，高 霞，2，庫宏剛

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；

2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008）

隨著世界各國對天然氣、石油能源的需求日益增加，大量高酸性油氣田被勘探和開發(fā)，例如我國的川東北、川西南等油氣田為世界上少有的高酸性油氣田區(qū)塊，以及國外的中東地區(qū)南北帕斯、北美墨西哥灣等。

高酸性油氣田開采環(huán)境中含有較高Cl-、CO2、H2S、S0，常用的不銹鋼抗腐蝕管材已無法滿足此種油氣田的開采需求，故而采用了大量的耐蝕合金油套管尤其是鎳基耐蝕合金油套管。國內(nèi)使用的鎳基耐蝕合金油套管絕大部分依賴進口，而寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）、天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）、浙江久立集團股份有限公司（簡稱浙江久立）等廠家在鎳基耐蝕合金油套管生產(chǎn)方面仍處于剛剛起步階段［1-3］。本文綜合國內(nèi)外研究成果，論述高酸性氣田用鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)及加工關鍵工藝，并提出未來研究方向。

1 鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)加工關鍵工藝

目前常用的鎳基耐蝕合金油套管鋼種主要有028（UNS N08028）、825（UNS N08825）、G3（UNS N06985）、050（UNS N06950）、C276（UNS N10276）等，主要化學成分見表1。國內(nèi)外生產(chǎn)鎳基耐蝕合金油套管的主要廠家有日本新日鐵住金公司（簡稱新日鐵）、法國V&M集團、美國特殊金屬公司Special Metals（簡稱美國特鋼）、天津鋼管和寶鋼股份等廠家［4］。

表1 鎳基耐蝕合金用于井下油套管的極限使用環(huán)境和材料限制

鎳基耐蝕合金油套管相對于API標準耐腐蝕油套管，在化學成分、生產(chǎn)工藝、外觀質(zhì)量、力學性能及無損探傷等方面較為復雜和苛刻［5-7］。

NACE MR 0175/ISO 15156-3 ∶2009 標準［8］列出了不同類別的高強度鎳基耐蝕合金用于井下油套管的極限使用環(huán)境，具體見表1。

鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)及加工關鍵工藝：合金冶煉—（鍛造）—熱擠壓—中間熱處理（固溶處理）—冷軋—管螺紋加工等。制造工序較復雜，生產(chǎn)難度較大且質(zhì)量要求嚴格。

1.1 鎳基耐蝕合金油套管用鋼的冶煉工藝

鎳基耐蝕合金主要有以下冶煉方法：①真空感應爐—電渣重熔雙聯(lián)法，適合冶煉鎳基高鉬、高鎢以及含較高鋁、鈦的耐蝕合金；②真空感應冶煉，適合冶煉含易氧化元素Al、Ti含量較低的鐵鎳鉻耐蝕合金；③中頻感應爐—電渣重熔雙聯(lián)法，適合冶煉Si、C含量較高，不含Al、Ti元素的耐蝕合金；④電弧爐—爐外精煉—電渣重熔法，適合冶煉C含量較低，不含Al、Ti元素，有特殊要求的鐵鎳基耐蝕合金；⑤電弧爐—爐外精煉法，適合冶煉C含量較低，不含Al、Ti元素的鐵鎳基耐蝕合金［9］。

ISO 13680∶2010《石油天然氣工業(yè)用耐蝕合金油套管及接箍無縫管供貨技術條件》標準中規(guī)定，鎳基耐蝕合金應采用氧氣頂吹或電弧爐工藝生產(chǎn)，再經(jīng)過AOD（氬氧脫碳）、VOD（真空氧氣脫碳）、VAR（真空電弧重熔）、ESR（電渣重熔）、VIM（真空感應熔化）和 VAD（真空電弧脫氣）等精煉［6，10］。

根據(jù)鎳基耐蝕合金實物使用條件以及對質(zhì)量的要求，并結合生產(chǎn)成本等方面的考慮，通常選取真空感應爐—電渣重熔雙聯(lián)法或者電弧爐—爐外精煉法的冶煉工藝。

真空爐與電弧爐這兩種冶煉工藝比較，在應用方面，真空爐冶煉的耗損大、經(jīng)濟技術指標低、成本高，而電弧爐冶煉生產(chǎn)成本相對較低；在產(chǎn)品原始組織和質(zhì)量方面，真空爐冶煉的合金晶粒大、枝晶多，有時會因為成分不均而難以滿足正常的生產(chǎn)需要，而電弧爐冶煉的合金晶粒細小均勻而且質(zhì)量相對較好；因此，電弧爐冶煉技術必將成為耐蝕合金優(yōu)化冶煉工藝的首選［11-15］。

可以通過鍛造工藝控制加熱制度、鍛造火次、鍛造溫度等參數(shù)來消除冶煉后鑄錠的粗晶以及鍛坯的白斑、點狀偏析、環(huán)狀偏析等缺陷，把缺陷率降低至最低。除此之外，也可使用離心鑄造坯［16］。

1.2 管材的熱擠壓工藝

鎳基耐蝕合金高溫塑性極差，熱成型溫度范圍窄，變形抗力較大，所以無法采用傳統(tǒng)的穿孔軋制工藝制造，必須通過高溫下的高速率大應變的擠壓工藝完成，將金屬加熱到在再結晶溫度以上進行擠壓，使管坯從?？字袛D出，從而得到與?？讛嗝嫘螤钕喾墓懿摹?/p>

熱擠壓過程中，管坯在三向壓應力狀態(tài)下變形，既解決了難變形金屬的鋼管成型，又可避免鋼管內(nèi)外表面由于張應力引起的缺陷。因此，熱擠壓成型特別適合高強度鋼、不銹鋼、鎳基合金等管材的成型［17-18］。

鎳基合金擠壓工藝中主要控制坯料加熱溫度（尤其是預熱溫度）、擠壓力、擠壓速度等參數(shù)，以及潤滑和工模具設計。

擠壓力是熱擠壓工藝中的一個重要參數(shù)，鎳基耐蝕合金擠壓過程中，擠壓力隨著擠壓軸的移動逐漸變化，金屬開始從?？琢鞒鰰r擠壓力達到最大值。影響擠壓力的因素主要有坯料狀態(tài)和擠壓工藝參數(shù)等。隨著溫度的升高，合金的流變應力逐漸下降，變形更易發(fā)生，所以最大擠壓力隨著坯料預熱溫度的升高而降低。

在熱擠壓過程中，鎳基耐蝕合金在變形過程中同時發(fā)生加工硬化效應和動態(tài)再結晶軟化，加工硬化在擠壓速度較小時起主要作用，擠壓力隨擠壓速度的增大而逐漸升高。當擠壓速度大于150 mm/s時，再結晶軟化過程削弱了部分硬化作用。擠壓速度較大時，坯料的變形速度增加，變形功和摩擦熱也增加，導致坯料溫升明顯增大，合金塑性指標增強，所需的擠壓力反而逐漸下降。

坯料的溫升主要取決于變形工件散熱能力和外界對變形體能量輸入之間的平衡關系。熱擠壓通常在近似于絕熱條件下進行，擠壓速度越快，坯料與擠壓模具之間的接觸時間越短，兩者之間的換熱過程來不及進行，熱變形功及摩擦生熱大部分被坯料吸收，因此鎳基耐蝕合金擠壓過程中坯料溫升顯著（超過70℃）。隨著坯料預熱溫度的增加，合金的屈服強度逐漸下降，塑性指標提高，合金的流動能力逐漸增強，變形更容易，擠壓強度和變形功逐漸降低；因此坯料的溫升也逐漸降低［19］。生產(chǎn)實踐證明，擠壓工藝中要考慮到坯料在擠壓過程中的溫升，防止坯料過燒，鎳基合金熱擠壓溫度區(qū)間應控制在 1 050～1 150 ℃范圍內(nèi)［20］。

1.3 中間熱處理

ISO 13680∶2010規(guī)定，高鎳合金油套管金屬化合物相、氮化物、碳化物總量不應超過1%，σ析出相不應超過0.5%［6］。由于高鎳合金管成分的特殊性，經(jīng)過熱擠壓工序后，往往會出現(xiàn)沿晶界分布的第二相，如氮化物相、碳化物相、σ相等，這些析出相的出現(xiàn)會對材料的耐腐蝕性、塑韌性等產(chǎn)生嚴重的危害，因此必須通過固溶處理工藝予以消除。此外，固溶處理還能夠起到消除加工硬化的作用，以便于冷軋工序的進行。熱處理工藝中，固溶處理溫度一般為1 080～1 200℃，固溶處理的時間與材料形狀、尺寸有關。為獲得最佳的耐蝕性能，對冷卻方式和速率的選擇要合理。

1.4 冷加工工藝

鎳基合金的室溫強度很低（大約200 MPa），只能靠加工強化得到高鋼級的產(chǎn)品，但冷加工硬化程度越高，工藝控制難度就越大［21］。

一般來說，普通油套管的力學性能是通過熱軋（熱處理）工藝來保障的，而高鎳合金油套管通過冷軋來實現(xiàn)力學性能的提高。目前，825和G3等高鎳合金油套管一般采用冷軋的方式來控制管體的力學性能。采用冷軋方式成型的優(yōu)勢是：①可避免產(chǎn)生有害的第二相；②通過設置合理的軋制變形量，便可生產(chǎn)出強度高、沖擊韌性良好的產(chǎn)品；③產(chǎn)品尺寸精度高，表面質(zhì)量好，光潔度高。

隨著冷加工變形量的增加，鎳基合金的抗拉強度和屈服強度均增加，伸長率降低，而屈強比是先增加后降低，說明變形量增加到一定程度，鎳基合金屈服強度的增加幅度將低于抗拉強度的增加幅度［20］。實踐證明，生產(chǎn)G3合金110 kpsi（1 kpsi=6.89 MPa）級油套管最后冷加工變形量應以17%~28%為宜，125 kpsi級油套管的冷加工變形量采用30%~44%為宜；生產(chǎn)825合金110 kpsi級油套管最后冷加工變形量應以30%~35%為宜，125 kpsi級油套管的冷加工變形量采用41%~45%為宜［22］。

1.5 螺紋加工工藝

鎳基耐蝕合金有著較好的韌性和較高的硬度，切削難度較大。鎳基耐蝕合金油套管的螺紋采用成型刀車削，且大都為非API螺紋，加工難度大。在螺紋切削加工過程中產(chǎn)生較高的切削熱量，并且容易出現(xiàn)“粘刀”現(xiàn)象，刀具磨損比較嚴重，車刀壽命比較短，即使采用材料特殊并進行表面涂層處理的車刀，也只能加工3～5個合格螺紋；因此選用合適的刀具材料、合理的切削量和有效的刀具冷卻方式，是鎳基耐蝕合金油套管螺紋加工的關鍵環(huán)節(jié)。

鎳基耐蝕合金螺紋加工時一般選用硬質(zhì)合金刀具或PVD涂層硬質(zhì)合金工具，其中PVD涂層的最大優(yōu)點是沉積溫度較低［23］。TiAlN涂層高溫合金刀具對鎳基耐蝕合金螺紋的車削最為有效［24］。

切削時一般采用低的切削速度，較大的進給量，中等的背吃刀量（切削深度），保持進給勻速不變，盡可能避免刀具切削刃在加工硬化層上切削。在螺紋質(zhì)量控制上，要及時掌握刀具的磨損情況，螺紋加工切削量分多次進給，每次進給完成后通過對螺紋進行測量的方法進而掌握刀具的磨損量，以確定下次進給時的刀具補償量，逐次循環(huán)直到滿足螺紋尺寸要求為止［25］。

要提高刀具壽命，減小刀具磨損，提高螺紋表面的加工質(zhì)量，需對刀具進行有效的冷卻，在螺紋加工區(qū)域及時充分地噴澆切削冷卻液。

2 未來研究方向

鎳基耐蝕合金油套管具有高合金化、制造工藝復雜、生產(chǎn)難度大及質(zhì)量要求嚴格等特點，長期以來其制造技術被日本新日鐵、法國V&M集團及美國特鋼等制造商所壟斷，且產(chǎn)品價格昂貴，供貨周期長。國內(nèi)鎳基耐蝕合金油套管的研發(fā)及生產(chǎn)也在不斷發(fā)展與進步，如寶鋼股份已有超過5年的應用業(yè)績。國內(nèi)研究應著重加強生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定控制，提高產(chǎn)品的加工效率和成材率；另外，腐蝕性能的研究可以作為一個長期的工作來開展。結合目前國內(nèi)對鎳基耐蝕合金油套管的開發(fā)現(xiàn)狀，建議從以下方面加強研究：

（1）冶煉工藝方面。鎳基耐蝕合金組織單一、合金元素多、冶煉工藝復雜，原料的成分和質(zhì)量對合金的組織、熱變形及耐腐蝕性能起著決定性作用，因此應將提高合金冶煉工藝作為首要研究重點，從而嚴格控制合金元素含量，獲得低偏析、高質(zhì)量的坯料。

（2）加工工藝方面。鎳基耐蝕合金的熱擠壓工藝及冷加工工藝直接決定了最終的產(chǎn)品質(zhì)量，因此也是研究的一個重點。鎳基合金高溫強度高，高溫塑性差，應將合金的高溫熱變形行為、相變規(guī)律、擠壓磨具的設計及潤滑等作為研究重點，不斷優(yōu)化加工工藝，加強生產(chǎn)過程的穩(wěn)定控制。

（3）耐腐蝕性能方面。加強對耐蝕合金在模擬開采環(huán)境中的耐蝕機理研究，著力提高耐腐蝕性能評級能力，為選擇合理經(jīng)濟的鋼種提供理論依據(jù)。

（4）螺紋加工工藝方面。加強對螺紋加工工藝中切削刀具及切削工藝的研究，提高螺紋加工質(zhì)量及加工效率。

3 結 論

酸性油氣田用鎳基耐蝕合金油套管，其坯料冶煉最常用的工藝是電弧爐熔煉—氬氧脫碳—電渣重熔；管坯生產(chǎn)需采用熱擠壓工藝，熱擠壓溫度區(qū)間應控制在1 050～1 150℃；冷加工前需對管坯進行固溶處理，處理溫度控制在1 080～1 200℃；使用冷軋工藝來提高管材強度，控制管體性能。國內(nèi)應著重加強生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定控制、冶煉工藝、加工工藝、耐腐蝕及螺紋加工等的研究。

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