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(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)　陜西　西安　710077；2. 長(zhǎng)慶鉆井總公司管具公司　陜西　榆林　719000)

0　引　言

N80 1類非調(diào)質(zhì)油管屬于經(jīng)濟(jì)型中碳微合金高強(qiáng)韌鋼，是非調(diào)質(zhì)油井管用鋼中最高鋼級(jí)，其生產(chǎn)方法是在中碳含錳鋼中添加微合金元素，通過熱軋后控制冷卻速度來(lái)獲得細(xì)小鐵素體+珠光體和彌散析出V的碳氮氧化物，即可滿足需要的良好的強(qiáng)韌性[1-3]，該生產(chǎn)方法簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效益，在油氣田得到廣泛應(yīng)用。由于API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)N80 1類油管管體沖擊韌性進(jìn)行強(qiáng)制要求，導(dǎo)致有些生產(chǎn)廠僅追求化學(xué)成分和高強(qiáng)度滿足要求，而忽略了韌性的匹配，使該類油管在使用過程中發(fā)生脆性斷裂，本文通過化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相顯微組織及斷口分析等試驗(yàn)方法對(duì)該類油管脆性斷裂機(jī)理進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)措施。

1　試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1　化學(xué)成分分析

試驗(yàn)材料為油田現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生脆性斷裂的N80 l類油管，規(guī)格為Φ88.90 mm×6.45 mm，在斷口附近取樣，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A751-14a規(guī)定的試驗(yàn)方法，用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。表1中的化學(xué)成分結(jié)果均滿足API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1　斷裂油管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.2　力學(xué)性能試驗(yàn)

在管體上取縱向拉伸和沖擊試樣，分別按照ASTM A370-15和ASTM E23-12c標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，在UTM 5305材料試驗(yàn)機(jī)和PIT302D沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，油管抗拉和屈服強(qiáng)度滿足API Spec 5CT《套管和油管》標(biāo)準(zhǔn)的要求，但伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2　拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表3　　夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.3　金相分析

在斷口附近取金相試樣，用MeF4A金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行組織，晶粒度，夾雜物分析，結(jié)果為A、B、C、D類非金屬夾雜物均未超標(biāo)，晶粒度6.0級(jí)，內(nèi)表面組織為：珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+帶狀馬氏體+少量貝氏體，如圖1所示。壁厚中心組織為：珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+少量馬氏體+少量貝氏體，如圖2所示。外表面組織為：珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+少量馬氏體+少量貝氏體，如見圖3所示。橫截面內(nèi)壁側(cè)有1/2壁厚組織中存在馬氏體帶狀組織偏析，如圖4所示。

圖1　內(nèi)表面組織

圖2　心部組織

1.4　斷口形貌及能譜分析

斷裂油管宏觀斷口形貌如圖5所示，整個(gè)斷口表面較平整，斷裂“人字紋”收斂于內(nèi)表面，為典型的起裂于內(nèi)壁的脆性斷口。在源區(qū)附近取斷口試樣在TESCAN VEGAII型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，整個(gè)斷口為準(zhǔn)解理脆性斷裂特征，如圖6所示。對(duì)斷口表面源區(qū)組織偏析處進(jìn)行微區(qū)能譜分析，分析位置如圖7所示，化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明，馬氏體組織內(nèi)V和Mn元素含量相對(duì)較高，而C含量相對(duì)較少。

圖4　內(nèi)表面帶狀組織偏析

圖5　油管斷口宏觀形貌

圖7　源區(qū)微區(qū)能譜分析位置

2　分析與討論

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，該油管的化學(xué)成分、非金屬夾雜物及拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但伸長(zhǎng)率和沖擊吸收能低于標(biāo)準(zhǔn)要求，晶粒度較正常油管(8～9級(jí))粗大，且組織中出現(xiàn)異常馬氏體和貝氏體組織，尤其是靠近內(nèi)表面一側(cè)，存在嚴(yán)重馬氏體帶狀組織偏析。較多的V元素存在于馬氏體相內(nèi)，相比正常的細(xì)小鐵素體+珠光體和彌散析出的V的碳氮化合物微粒，韌性明顯降低。斷口為典型的脆性準(zhǔn)解理形貌，且起裂于油管內(nèi)表面馬氏體帶狀組織較多區(qū)域，可判斷油管發(fā)生脆性斷裂的主要原因是硬脆相馬氏體帶狀組織的存在。馬氏體帶狀組織存在的主要原因是終軋溫度和冷卻速度。

在快冷速條件下[4,5]，比如冷卻速度大于2.3 ℃/s時(shí)，微合金碳氮化物的析出受到抑制，此時(shí)形變對(duì)析出的誘導(dǎo)作用顯著，若形變發(fā)生在適宜V的碳氮化物析出的溫度區(qū)間，則相變前析出的大量微細(xì)相可以成為γ/α相變的形核核心，促進(jìn)鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，若形變溫度低于V的碳氮化物的析出溫度(如880 ℃)，則V、C仍大量固溶于奧氏體中，固溶于奧氏體中的V還可提高淬透性，促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，如果冷卻速度大于10 ℃/s時(shí)則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使韌性顯著降低。

在慢冷區(qū)，比如冷卻速度小于2.3 ℃/s時(shí)，如果終軋溫度較低，發(fā)生不完全再結(jié)晶，沿奧氏體邊界及內(nèi)部變形帶上生成新相的形核率增加有利于鐵素體沿晶界和晶內(nèi)析出，加之試樣在高溫區(qū)的停留時(shí)間相對(duì)較短以及微細(xì)碳氮化物的彌散析出，有效地抑制了晶粒的長(zhǎng)大。晶內(nèi)針狀鐵素體的存在可提高鋼的韌性，但在工業(yè)生產(chǎn)中，為了獲得鐵素體、珠光體組織良好的強(qiáng)韌性配合，鐵素體含量應(yīng)盡量控制，同時(shí)要避免出現(xiàn)貝氏體和馬氏體組織，終軋溫度應(yīng)控制在880～1 000 ℃范圍內(nèi)，冷卻速度控制在0.7～2.3 ℃/s。

基于以上分析，可判斷該油管的終軋溫度高于1 000 ℃，冷卻速度大于10 ℃/s，在較高溫度下使得奧氏體晶粒度偏粗大，網(wǎng)狀鐵素體析出較多，同時(shí)由于冷卻速度過快，V的碳氮化合物析出不充分，對(duì)晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用減小，使得較多V元素固溶于奧氏體中，提高淬透性，促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，尤其是內(nèi)表面型變量較大的情況下，馬氏體帶狀組織偏析較明顯，顯著降低韌性，導(dǎo)致油管在承受拉應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂。

3　結(jié)　論

1)失效的N801類油管得化學(xué)成分、非金屬夾雜物、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等性能滿足API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，但其延伸率。沖擊韌性都低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)非調(diào)質(zhì)N80 1類油管斷裂機(jī)理是油管終軋后或者正火處理后冷卻速度過快、V的碳氮化合物析出不充分、對(duì)晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用減小，使得較多V元素固溶于奧氏體中；提高淬透性、促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，尤其是內(nèi)表面型變量較大的情況下，馬氏體帶狀組織偏析較明顯，顯著降低韌性，導(dǎo)致油管在使用過程中，承受拉應(yīng)力作用時(shí)，從內(nèi)表面起裂，發(fā)生脆性斷裂。

3)建議對(duì)失效油管進(jìn)行重新熱處理，加熱溫度900 ℃，保溫30 min，然后以0.7～1.0 ℃/s的冷卻速率進(jìn)行冷卻，即可獲得細(xì)小的珠光體和鐵素體組織，和彌散析出的V的碳氮化合物微粒，以保證油管的良好的強(qiáng)度和韌性。

[1] 鞠艷美，張偉，李法興. 油井管用非調(diào)質(zhì)鋼36Mn2V冶金質(zhì)量控制技術(shù)[J]. 中國(guó)冶金，2012，22(12)：17-21.

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