侯永利，劉新成，焦 煒

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

一種經(jīng)濟(jì)型N80Q套管熱處理工藝研究

侯永利1,2，劉新成1,2，焦 煒1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了獲得32Mn6鋼調(diào)質(zhì)升級為N80Q鋼級石油套管的熱處理工藝,研究和分析了32Mn6鋼的相變溫度和淬透性，制定了試驗條件下的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，并進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果顯示，32Mn6鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)（淬火+回火）處理后，得到了回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能，滿足石油套管性能的需求，其各項指標(biāo)均達(dá)到API 5CT規(guī)范對N80Q鋼級套管要求。研究表明，作為水淬鋼種，32Mn6鋼可用來生產(chǎn)N80Q鋼級油套管。最后結(jié)合金相圖對不同回火溫度下的組織進(jìn)行了分析,確定了32Mn6生產(chǎn)N80Q鋼級的熱處理工藝。

32Mn6鋼；鋼級；淬透性；熱處理工藝；經(jīng)濟(jì)型

目前我國油井管產(chǎn)品供大于求，生產(chǎn)能力超過500萬t，市場競爭日益激烈，因此研發(fā)低成本、經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品是企業(yè)應(yīng)對市場競爭、改善經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。套管是石油行業(yè)專業(yè)管材，N80鋼級套管是需求量較大的常規(guī)品種，如果企業(yè)生產(chǎn)N80套管產(chǎn)品時選用外購的N80鋼級管坯，僅完成管端車絲工序，經(jīng)濟(jì)效益較低。本研究采用價格相對較低的32Mn6材質(zhì)管坯，通過熱處理調(diào)質(zhì)，提升套管力學(xué)性能，以達(dá)到API 5CT規(guī)范對N80Q鋼級套管的要求，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 試樣制備與研究方法

對外購的32Mn6材質(zhì)管坯進(jìn)行化學(xué)成分測定，測定結(jié)果見表1，夾雜物和有害元素均符合API標(biāo)準(zhǔn)要求。試樣均從現(xiàn)場熱軋管上截取，長度按照熱處理試驗平臺要求制作，試樣規(guī)格為Φ139.7 mm×9.17 mm×5 000 mm 和 Φ139.7 mm×9.17 mm×5 000 mm。

表1 試驗用鋼32Mn6化學(xué)成分 %

試驗在連續(xù)熱處理試驗平臺進(jìn)行，試樣分別在封閉的高溫電阻爐和低溫電阻爐中進(jìn)行加熱，爐溫偏差±4℃。為保證淬火的冷卻速度和均勻度，淬火工序采用新型內(nèi)噴外淋淬火裝置[1]，冷卻水溫度不高于30℃。力學(xué)性能試驗采用萬能試驗機(jī)，金相組織形貌在掃描電子顯微鏡下觀察。

依據(jù)32Mn6鋼相變溫度和對其淬透性的分析，制定試驗條件下調(diào)質(zhì)熱處理工藝，選用影響熱處理工藝性能的4個主要工藝參數(shù)[2]，即淬火溫度、淬火時間、回火溫度和回火時間，分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗。為保證試驗精度，每個溫度制取3個拉伸試樣和9個沖擊試樣，然后取平均值。

2 熱處理工藝參數(shù)的制定

某鋼種能否適用于水淬熱處理工藝，其相變點溫度（AC1、AC3）和淬透性是重要依據(jù)，也是制定該鋼種熱處理制度的基礎(chǔ)[3]。

2.1 32Mn6鋼相變點溫度的測算

根據(jù)鋼的化學(xué)成分，相變點溫度（AC1、AC3、Ms）可根據(jù)公式（1）～（3）[4-5]計算確定：

經(jīng)過計算得出32Mn6鋼的AC1=716℃，AC3=809℃，Ms=375℃。為加速奧氏體形成，淬火溫度可偏高些，一般亞共析鋼的淬火溫度為Ac3以上 30～50℃，合金鋼為 AC3以上 50～100℃[6]。

2.2 32Mn6鋼淬透性

從32Mn6鋼的化學(xué)成分可以看出，該鋼種的w（C）約為0.30%，合金元素Mn能增加奧氏體穩(wěn)定性，能增加鋼的淬透性，雖然不及Cr、Mo鋼，但價格更為經(jīng)濟(jì)。按照鋼的化學(xué)成分，計算該鋼水淬臨界直徑（淬透性）約為25 mm，鋼的水淬硬度采用公式（5）～（6）[7]測算：

32Mn6鋼所對應(yīng)100%馬氏體硬度為51 HRC，50%馬氏體硬度為36HRC。單向水淬9.17 mm深度時硬度約為49HRC，接近100%馬氏體，遠(yuǎn)高于50%馬氏體硬度，滿足API標(biāo)準(zhǔn)要求[8]（N80鋼在水淬后得到大于50%馬氏體組織）。由于試驗采用內(nèi)噴外淋冷卻工藝，內(nèi)外表面雙向冷卻，冷卻效果更佳，完全能滿足Φ139.7 mm×7.72 mm和Φ139.7 mm×9.17 mm淬透要求。

根據(jù)32Mn6鋼相變點溫度和淬透性，設(shè)定32Mn6鋼管熱處理工藝：淬火溫度850～900℃，淬火加熱時間30～40 min，回火溫度為580～650℃，回火加熱時間50～60 min。

3 熱處理試驗

此次試驗是在熱處理實驗室進(jìn)行，目的是研究32Mn6鋼熱處理工藝性能，提升原有管坯鋼級，挖掘其力學(xué)潛能，增加銷售價值。根據(jù)鋼的相變溫度和淬透性，初定熱處理試驗工藝，具體參數(shù)見表2。

對熱處理試驗后的試樣進(jìn)行綜合力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表3和表4。按照API 5CT對N80Q鋼級套管性能規(guī)定[8]，屈服強(qiáng)度為552～758 MPa，拉伸強(qiáng)度≥689 MPa，延伸率≥15%，橫向沖擊功≥20 J，縱向沖擊功≥41 J。試驗結(jié)果表明，經(jīng)熱處理工藝后的32Mn6鋼的力學(xué)性能完全滿足API 5CT對N80Q鋼級套管性能的要求。

表2 32Mn6鋼熱處理試驗工藝

表3 熱處理后Φ39.7 mm×7.72 mm試樣的力學(xué)性能檢測結(jié)果

表4 熱處理后Φ39.7 mm×9.17 mm試樣的力學(xué)性能檢測結(jié)果

4 試驗結(jié)果討論

4.1 淬火

從表3、表4試驗數(shù)據(jù)可以看出，6個試樣熱處理后各項性能均符合API 5CT要求，屈服強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)的最小屈服強(qiáng)度?？紤]實際用管壁厚較薄，淬火溫度僅選擇870±10℃一種，試驗結(jié)果較為理想。資料顯示，當(dāng)淬火溫度達(dá)到完全奧氏體溫度，溫度繼續(xù)升高時，奧氏體晶粒會自發(fā)長大，會降低沖擊性能，因此淬火溫度不宜過高[9]。

淬火加熱時間根據(jù)經(jīng)驗公式t=kd[10]計算得到，其中d是工件有效厚度（mm）；k是加熱系數(shù)，一般取1.5～2.0 min/mm。計算可得本次加熱時間為18 min，保溫時間15～20 min。不論試驗還是生產(chǎn)，該鋼種均以水作為淬火介質(zhì)，一般情況，水的冷卻能力強(qiáng)，具有冷速高、操作方便、勞動條件好等特點[11]。由于32Mn6鋼淬透性較高，加之試驗采用內(nèi)噴外淋冷卻工藝，產(chǎn)生的應(yīng)力較小，冷卻均勻度較好。日本鋼管公司的研究結(jié)果表明[12]，采用內(nèi)噴外淋淬火裝置，完全保證鋼管得到的淬火組織，在一定范圍內(nèi)的冷卻水溫度，能夠滿足該鋼種冷卻速度的要求，考慮水溫對鋼淬透性的影響，水溫應(yīng)控制在30℃左右，最高不超過35℃[13]，否則影響鋼的淬透性。試驗淬火水溫約為25℃。

4.2 回火

從試驗數(shù)據(jù)來看，回火溫度選取590℃、610℃和650℃時，其力學(xué)性能均符合API 5CT要求。就試驗結(jié)果而言，回火溫度對屈服強(qiáng)度影響較大，對沖擊韌性影響不明顯。但符合“隨著回火溫度增高，強(qiáng)度有所降低，韌性有所提高”這一規(guī)律[14]。圖1為不同回火溫度時32Mn6鋼顯微組織，從圖1可以看出，回火均得到回火索氏體組織。在590℃回火時，晶內(nèi)、晶界存在棒狀和條狀碳化物；回火溫度達(dá)到650℃時，棒狀和條狀碳化物粗化和長大，數(shù)量增多。

圖1 不同回火溫度32Mn6鋼顯微組織

回火時間由加熱時間和保溫時間合計而得，回火時間參考公式t=kd+b計算，其中d是工件有效厚度（mm）；k是加熱系數(shù)，一般取1.0～1.5 min/mm；b為附加時間，一般為15～20 min。計算本次加熱時間為15 min，保溫時間為20～30 min。因此回火時間只要大于35 min就可滿足回火要求。

通過對試驗結(jié)果分析，結(jié)合實際熱處理設(shè)備特點，32Mn6材質(zhì)的無縫套管管坯熱處理最終采用“870℃水淬、40 min+600～650℃回火、50～60 min”工藝。經(jīng)該工藝處理后的32Mn6鋼屈服強(qiáng)度可達(dá) 615～730 MPa，拉伸強(qiáng)度可達(dá)705～815 MPa，橫向沖擊功達(dá) 85～93 J，縱向沖擊功可達(dá)122～140 J，可保證套管管坯的力學(xué)性能滿足API 5CT對N80Q鋼級套管要求。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前利用32Mn6鋼制造的N80Q套管在公司已推廣生產(chǎn)，同32Mn6材質(zhì)J55套管相比，32Mn6材質(zhì)N80Q套管價格增加600元/t，同時可結(jié)束公司依賴外購N80管坯狀況，增強(qiáng)了公司市場競爭力。

6 結(jié) 論

（1）按照API 5CT對N80Q技術(shù)規(guī)范要求，完全可以用32Mn6材質(zhì)鋼管生產(chǎn)N80Q鋼級油套管，為保證處理后套管力學(xué)性能穩(wěn)定處在標(biāo)準(zhǔn)中上限，可適當(dāng)降低回火溫度。

（2）32Mn6材質(zhì)未含稀有合金元素，外購熱軋32Mn6管坯原料成本低；熱處理采用水淬工藝，生產(chǎn)成本低，無火災(zāi)隱患和環(huán)境污染。

（3）32Mn6材質(zhì)J55套管管坯調(diào)質(zhì)工藝確定為“870℃水淬、 40 min+600～650℃回火、 50～60 min”，調(diào)質(zhì)后的套管力學(xué)性能滿足API 5CT規(guī)范N80Q鋼級套管要求。

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Study on a Kind of Economical Heat Treatment Technology for N80Q Grade Casing

HOU Yongli1,2,LIU Xincheng1,2,JIAO Wei1,2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petrolenm and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to obtain the oil casing steel heat treatment process of 32Mn6 steel upgraded to N80Q grade,it researched and analyzed the transformation temperature and hardenability of 32Mn6 steel,formulated tempering heat treatment process under experimental conditions and conducted experimental study.Test results showed that the sorbite organization was obtained for 32Mn6 steel after quenching and tempering treatment,it has the good comprehensive mechanical properties,which can meet the performance requirements of oil casing,and the various indexes reach the requirements of API 5CT standard.Research showed that as water quench steel grade,32Mn6 steel can be used to product N80Q steel grade oil casing.Finally,combined with metallographic figure,the microstructures were analyzed under different tempering temperature,determined the heat treatment process of 32Mn6 steel to produce N80Q grade oil casing steel.

32Mn6 steel;steel grade;hardenability,heat treatment process;economical

TG156

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.007

侯永利（1976—），男，陜西扶風(fēng)人，工程師，現(xiàn)主要從事鋼管熱處理工藝研究工作。

2016-04-22

黃蔚莉