張 然

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程進行和完井后整個油井的正常運行。每一口井根據不同的鉆井深度和地質情況，要使用幾層套管。套管下井后要采用水泥固井，其與油管、鉆桿不同，不可以重復使用。隨著深井、超深井的開發(fā)量日益增大，采油條件越來越惡劣，對油井管的性能要求也越來越高，高鋼級套管的需求量也在加大［1-12］。API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》中的石油套管鋼級按使用條件分為4組，其中Q125鋼級石油套管屬于高強度、高韌性套管，制造方法為無縫工藝或電焊工藝，熱處理方式由制造廠選擇進行全長淬火+回火熱處理。PSL-2類石油套管是在API Spec 5CT—2011標準PSL-1類石油套管要求的基礎上，根據其適用環(huán)境對各鋼級提出了額外要求，在產品的性能指標上主要增加了統(tǒng)計沖擊功的要求。為了滿足市場需求，適應油田的工作條件，設計生產滿足API Spec 5CT—2011標準要求的Q125鋼級石油套管勢在必行。

天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）試制生產Q125鋼級高強度石油套管時，以Mn-Cr-Mo中碳鋼為基礎，通過合理設計、控制合金元素總含量，采用電爐冶煉→精煉→真空脫氣→連鑄工藝生產連鑄圓管坯，然后在連軋管機組軋制成型，后續(xù)采用淬火+回火的熱處理方式調整產品組織性能，使產品的機械性能、硬度、統(tǒng)計沖擊功等滿足API Spec 5CT—2011標準對PSL-2類Q125鋼級的性能要求。這里主要論述Q125鋼級高強度石油套管的試制生產情況［13］。

1 產品主要技術指標

天津鋼管依據API Spec 5CT—2011標準對PSL-2類Q125鋼級的屈服強度、抗拉強度、伸長率、硬度和沖擊功要求，結合天津鋼管生產實踐經驗，制定Q125鋼級高強度石油套管的力學性能指標，Q125鋼級高強度石油套管的力學性能指標見表1。

表1 Q125鋼級高強度石油套管的力學性能指標

2 材料的設計及制管工藝設計

2.1 材料成分設計

材料以Mn-Cr-Mo中碳鋼為基礎，通過合理配比合金元素的含量，保證合金元素總含量≤2.5%。合金元素的加入，首要的目的是提高鋼的淬透性，保證在淬火時全壁厚容易獲得馬氏體；其次是提高鋼的回火穩(wěn)定性，使淬火鋼在回火時析出的碳化物更細小、均勻和穩(wěn)定，經自然冷卻后獲得更高的強度；同時降低P、S元素的含量，以減少夾雜物對鋼脆性的影響［14-15］。冶煉采用電爐冶煉+精煉+真空脫氣+連鑄的工藝流程，主要化學元素成分控制范圍見表2。

表2 Q125鋼主要化學元素成分（質量分數）控制范圍 %

Mn和Fe形成固溶體，提高鐵素體和奧氏體鋼的硬度與強度；同時Mn在鋼中使珠光體細化，也能夠間接提高鋼的強度，Mn具有穩(wěn)定奧氏體組織的能力，能夠很好地增加鋼的淬透性，并且Mn可以使鋼在熱處理后的組織均勻、細化，避免滲碳層中碳化物的聚集成塊。

Cr元素可以顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，減緩奧氏體的分解速度，通過調質熱處理提高鋼材的淬透性；防止回火脆性，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使鋼經淬火、回火后具有較好的綜合力學性能，并提高材料表面的耐磨性。

Mo在鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中，Mo是縮小奧氏體相區(qū)的元素，在鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，在調質鋼中，Mo能夠促使管材淬深、淬透，提高鋼管的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使管材可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應力，提高塑性。

通過對鋼中合金元素Mn+Cr+Mo進行合理控制，能夠起到細化晶粒、優(yōu)化鋼材組織結構的作用，有助于提高鋼管淬透性，提高鋼管的拉伸及沖擊性能。

2.2 制管工藝流程設計及主要工序描述

2.2.1 制管工藝流程設計

天津鋼管根據現有生產設備，制定的制管工藝為：管坯鋸切→環(huán)形爐加熱→斜軋穿孔→Φ168 mm PQF連軋管機連軋［16-20］→再加熱爐加熱→SRM張力定（減）徑機定（減）徑→冷床冷卻→管排鋸機鋸切→矯直→過程探傷→中間庫→熱處理（淬火+回火）→熱矯直→超聲波探傷→車絲→水壓、通徑→測長及稱重→噴標打印→成品打捆入庫。

2.2.2 試制過程主要工序描述

對產品試制成功起主要影響作用的工序有：冶煉工序中的精煉、真空脫氣、連鑄；軋管機組熱軋工序中的管坯加熱、斜軋穿孔、連軋、SRM張力定（減）徑機定（減）徑；熱處理工序中的淬火、回火。

（1）冶煉工序。精煉工序保證坯料成分精確控制在目標范圍內，且波動量較少，為熱處理后產品的性能指標及性能穩(wěn)定性提供了有力保障；真空脫氣工序可保證材料中氣體含量、有害元素、夾雜物含量處于較低水平；連鑄工序中采用多極液壓式結晶器振動及液面自動控制技術、電磁攪拌技術，可保證成品管坯無成分偏析，坯料內部皮下裂紋、皮下氣泡、中部裂紋、心部裂紋、縮孔、潔凈度、翻皮、白點、異金屬夾雜物等符合相關要求［21-23］。

（2）熱軋工序。加熱管坯時，要保證管坯加熱到奧氏體化溫度，應避免過熱、過燒，以免在熱成型或熱處理后出現裂紋等表面缺陷，以及降低熱處理后產品的延展性；在斜軋穿孔、連軋工序，應保證在奧氏體區(qū)實現高溫大變形［24］；在張力定（減）徑工序，應保證產品的幾何尺寸符合API Spec 5CT—2011標準要求。

（3）熱處理工序。淬火、回火工序是實現產品具有良好機械性能和高韌性最關鍵的工序。淬火工序應保證鋼管在加熱到完全奧氏體化之后，采用內噴+外淋的水淬方式或浸入式淬火方式，使鋼管縱向及徑向組織均勻且完全淬透；高溫回火時，根據材質化學成分將鋼加熱到一定溫度，并根據成品外徑及壁厚保溫一定時間，然后空冷，使淬火后的馬氏體組織完全轉化為回火索氏體組織［25］。

3 產品試制情況及結果分析

天津鋼管試制Q125鋼級Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強度石油套管時，使Φ210 mm合格圓管坯經Φ168 mm PQF連軋管機組軋制，然后淬火（920℃±10℃保溫17 min）+回火（620℃±10℃保溫35 min）熱處理。從試制產品的管端取樣，按照API Spec 5CT—2011標準要求檢測其縱向拉伸性能、沖擊性能和硬度。Q125鋼級Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強度石油套管的拉伸性能檢測結果見表3，沖擊性能和硬度檢測結果如圖1所示。

表3 Q125鋼級Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強度石油套管的拉伸性能檢測結果

圖1 Q125鋼級Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格高強度石油套管的沖擊性能和硬度檢測結果

從表3可以看出：此次生產的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級高強度石油套管的屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊功均符合API Spec 5CT—2011標準PSL-2類產品要求；屈服強度高出API Spec 5CT—2011標準要求50～80 MPa，基本達到預期目標值；抗拉強度高出API Spec 5CT—2011標準要求65～90 MPa；屈強比在0.90以上；伸長率約為API Spec 5CT—2011標準要求的2倍，材料的延展性較好。

從圖1可以看出：此次生產的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級高強度石油套管，其縱向沖擊試驗（取樣30個樣本，每個樣本3組，共90組試驗值）最小值84 J，平均值94 J，高出API Spec 5CT—2011標準要求值39 J的兩倍有余。

根據 API Spec 5CT—2011標準 A.7節(jié)（SR12統(tǒng)計沖擊試驗）要求，對PSL-2類 Q125鋼級石油套管進行統(tǒng)計沖擊試驗，具體計算公式如下：

式中Smin——批試驗沖擊功的最小值，J；

S平均——批試驗沖擊功的平均值，J；

F——系數，由API Spec 5CT—2011標準表C.51或E.51確定；

σlot——批試驗沖擊功的標準偏差，J。

從圖1可知，批試驗沖擊功的平均值S平均為93.611 1 J，標準偏差為3.764 7 J，F取4.022；因此可由公式（1）計算出該Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級高強度石油套管的批試驗沖擊功的最小值Smin為78 J，滿足API Spec 5CT—2011標準規(guī)定的最低要求39 J，剪切面積百分比全部達到100%，證明統(tǒng)計沖擊功完全滿足API Spec 5CT—2011標準要求。

由圖1還可以看出：此次生產的Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級高強度石油套管的硬度平均值為34 HRC，標準偏差為0.659 2 HRC，內表面、中部、外表面的硬度值變化≤4 HRC。

此外，金相檢驗發(fā)現，該材料的微觀組織全部為回火索氏體，晶粒度為8.5級，達到預期目的。

4 工業(yè)推廣情況

影響管材性能的主要因素有：材料的化學成分，淬火、回火溫度及其保溫時間等。在生產Φ127 mm×9.19 mm規(guī)格Q125鋼級高強度石油套管時，Mn、Cr、Mo均是能夠影響奧氏體相區(qū)的元素，通過合理的合金加入量，可以提高鋼管淬透性，保證鋼管各項性能。淬火溫度（920±10）℃，保溫時間控制在17 min，能夠在不影響批量生產節(jié)奏的前提下，保證管材組織的奧氏體成分均勻化。同時，經過（620±10）℃回火后，Q125鋼級高強度石油套管的組織為回火索氏體，各項性能指標均能達到預期；當回火溫度繼續(xù)升高，組織發(fā)生再結晶現象，并逐漸出現少量的多邊形鐵素體，勢必會導致強度有一定幅度下降，雖然仍能夠達到API Spec 5CT—2011標準要求，但效果不佳。綜合考慮，將熱處理制度制定為淬火（溫度920℃±10℃，保溫17min）+回火（溫度620℃±10℃，保溫35 min），能夠符合生產實際，并保證產品性能滿足標準要求。

近三年，天津鋼管生產了Φ88.9，101.6，177.8，244.48，339.72 mm規(guī)格的油套管及配套接箍料共2 500 t以上，其產品的力學性能全部符合API Spec 5CT—2011標準對Q125鋼級的要求。統(tǒng)計不同規(guī)格產品的力學性能，結果顯示：Φ88.9，101.6，177.8 mm規(guī)格油套管的屈服強度、抗拉強度在API Spec 5CT—2011標準要求的上限水平，伸長率約為該標準要求的2倍，沖擊韌性指標高出該標準要求的2倍有余，硬度變化值≤4 HRC；Φ244.48，339.72 mm規(guī)格油套管的壁厚相對較厚，其屈服強度、抗拉強度在API Spec 5CT—2011標準要求的中下限水平，伸長率接近該標準要求的2倍，沖擊韌性指標高出該標準要求的2倍，硬度變化值≤5 HRC。由此可以看出，天津鋼管生產的Q125鋼級油套管產品，其綜合性能良好，完全能夠滿足API Spec 5CT—2011對PSL-2類Q125鋼級的要求。

此外，API Spec 5CT—2011標準規(guī)定PSL-3類Q125鋼級石油套管的屈服強度上限值為965 MPa；因此，若后續(xù)開發(fā)PSL-3類Q125鋼級石油套管，應對材料化學成分或熱處理制度進行重新調整，以降低其屈服強度目標值及變化范圍。

5 結 語

天津鋼管生產的Q125鋼級高強度石油套管，其產品的力學性能、硬度、統(tǒng)計沖擊功等指標處于API Spec 5CT—2011標準PSL-2類Q125鋼級的中上限水平。目前，天津鋼管已實現了Φ88.9～339.72 mm各規(guī)格Q125鋼級高強度油套管的工業(yè)化生產。