宋光鑫，賀鐵山，郭 勝，左國(guó)鋒，趙映輝，周 勇

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

石油鉆鋌是石油鉆探過程中的重要工具。石油鉆鋌處在鉆柱組合的最下部，位于鉆桿與鉆頭之間，是鉆柱下部鉆具組合的重要組成部分，其主要作用是：給鉆頭施加鉆壓；保證壓縮條件下的必要強(qiáng)度并具有較好的韌性；減輕鉆頭的振動(dòng)、擺動(dòng)和跳動(dòng)等，使鉆頭工作平穩(wěn)和控制井斜。其主要特點(diǎn)是管體的壁厚大（一般為38～53 mm，相當(dāng)于鉆桿壁厚的4～6 倍），具有較大的重力和剛度。為了方便起下鉆工作，可以在鉆鋌的內(nèi)螺紋的外表面加工吊卡槽和卡瓦槽。石油鉆鋌在工作時(shí)受力情況極為復(fù)雜，其性能的好壞直接影響到鉆井工作的進(jìn)行和鉆井作業(yè)的安全。隨著鉆井深度的增加及鉆井環(huán)境的惡劣，采油環(huán)境日益惡化，同時(shí)伴隨著鉆井技術(shù)的不斷提高，對(duì)鉆具的使用要求也不斷提高，使得鉆鋌必須不斷提高性能以滿足目前的鉆井要求［1－3］。

鉆鋌材料一般使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AISI 1340 碳錳鋼、AISI 4145H 鉻鉬合金鋼或我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)40Mn2、42CrMo 鋼制造，并按協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)化學(xué)成分及微量元素的含量進(jìn)行有效地控制。AISI 1340 和AISI 4145H 是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ASME SECⅡA SA－29/SA－29M《鍛造和冷軋?zhí)妓丶昂辖痄摋l用一般要求規(guī)范》中的兩種常用鋼材料，其中AISI 1340 與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中的 40Mn2 的成分比較接近，由于這些鋼種的高價(jià)合金含量低，性價(jià)比高，并且在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和較好的韌性，所以在鉆鋌中得到廣泛的應(yīng)用［4－7］。目前，國(guó)內(nèi)鉆鋌一般采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5144—2013《鉆鋌》，鉆鋌管體料采購一般還會(huì)制訂采購技術(shù)協(xié)議，對(duì)材料的成分、微量元素、五害元素提出了相應(yīng)要求，同時(shí)對(duì)材料的調(diào)質(zhì)狀態(tài)的機(jī)械性能、沖擊韌性和淬透性提出相應(yīng)的要求［8－12］。

SY/T 5144—2013 中規(guī)定，對(duì)鉆鋌料進(jìn)行的熱處理應(yīng)為全長(zhǎng)全截面，工藝為正火+淬火+回火或淬火+回火。常用的調(diào)質(zhì)處理方式有：①常規(guī)的井式爐高溫加熱+水槽淬火+箱式爐回火，該方式的特點(diǎn)是加熱時(shí)間長(zhǎng)，功效低、能耗高、成本高；②中頻高溫加熱+水冷環(huán)組淬火+中頻回火，該方式的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)連續(xù)節(jié)奏快，但也存在鋼管整體透熱不一致，加熱不均勻?qū)е碌男阅懿痪鶆颍虎壑蓄l低溫預(yù)熱+高溫燃?xì)饧訜?水冷環(huán)組淬火+中頻回火，該方式的優(yōu)點(diǎn)是加熱均勻，生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，性能較均勻。在第2 和第3 種方式中，鋼管加熱后穿過一組水冷環(huán)進(jìn)行淬火冷卻，冷卻水環(huán)組的水量可調(diào)，鋼管只有外表面冷卻，內(nèi)表面未直接水冷，由于鋼管壁厚較厚，所以淬火鋼管在壁厚方向存在冷卻速度梯度。

1 問題的提出

1.1 鉆鋌管體料熱軋工藝

鉆鋌管體料的熱軋生產(chǎn)工藝為：煉鋼（電弧爐+爐外精煉）→弧型連鑄→坯料鋸切→環(huán)形爐加熱→二輥斜軋穿孔→Assel 軋制→定徑→冷床空冷→精整下線。

1.2 鉆鋌熱處理

某鉆鋌生產(chǎn)公司的鉆鋌生產(chǎn)熱處理設(shè)備工藝為中頻感應(yīng)爐預(yù)熱+輥底式燃?xì)鉅t均熱+10 組水冷環(huán)淬火+中頻感應(yīng)爐回火，其生產(chǎn)工藝流程為：熱軋鉆鋌管體料驗(yàn)收→調(diào)質(zhì)熱處理（淬火加熱→水冷環(huán)冷卻→回火）→性能檢驗(yàn)→機(jī)加工→成品。

淬火加熱為中頻預(yù)熱和燃?xì)鉅t均熱，鋼管螺旋前進(jìn)，回火采用中頻感應(yīng)爐回火。鋼管水淬時(shí)，被加熱的鋼管通過密布環(huán)形噴嘴的冷卻裝置，水流連續(xù)均勻噴射到鋼管表面從而達(dá)到完全淬透管壁所要求的快速均勻冷卻效果。熱處理工藝：淬火加熱分為7 段加熱，每段獨(dú)立控制，淬火冷卻采用10 組冷卻水環(huán)，每組水環(huán)可獨(dú)立控制，冷卻水溫要求控制在≤40 ℃，淬火加熱溫度880 ℃±15 ℃，保溫時(shí)間10 min，回火加熱溫度565 ℃±10 ℃，保溫時(shí)間20 min。

1.3 性能不均勻

本次分析的鉆鋌管體為同一生產(chǎn)廠家，分兩批進(jìn)行熱處理的AISI 1340 碳錳鋼Φ139.7 mm×31.75 mm 規(guī)格熱軋態(tài)管體料，第一批熱處理時(shí)間為冬天（1～2 月），當(dāng)?shù)仄骄鶞囟龋?～10 ℃，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)淬火水溫為20 ℃左右，冷卻速度為25～30 ℃/s；第二批熱處理時(shí)間為夏天（5～6 月），當(dāng)?shù)仄骄鶞囟?1～31 ℃，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)淬火水溫為35 ℃左右，冷卻速度21～28 ℃/s。經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，兩批鋼管強(qiáng)度波動(dòng)較大，室溫沖擊功偏低，已不具備通過降低回火溫度來提高強(qiáng)度的條件。具體性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1，如圖 1～2 所示。

表1 鉆鋌管料熱處理后產(chǎn)品力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（1） 第一批共計(jì)57 根，屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍為140 MPa，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍130 MPa；

（2） 第二批共計(jì)59 根，屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍為140 MPa，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍為160 MPa，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都存在超標(biāo)準(zhǔn)要求下限的情況；

（3） 第一批和第二批的室溫沖擊功平均值分別為78，65 J，第二批部分批次低于54 J。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 化學(xué)成分

圖1 鉆鋌管料熱處理后拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 鉆鋌管料熱處理后室溫沖擊性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為分析性能波動(dòng)的原因，從第二批產(chǎn)品中抽樣檢驗(yàn)成分，樣品為鋼管橫截面，試驗(yàn)位置分為鋼管橫截面的四個(gè)象限，從每個(gè)象限的內(nèi)、中、外各打2 個(gè)點(diǎn)，共抽檢24 個(gè)點(diǎn)的化學(xué)成分，化學(xué)成分分析取樣位置如圖3 所示，分析結(jié)果見表2，結(jié)果表明：四個(gè)象限的化學(xué)成分比較均勻且內(nèi)外表面偏差較少，較好地滿足了采購標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 鉆鋌管料化學(xué)成分分析取樣位置示意

表2 鉆鋌管料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）平均值 %

2.2 性能檢驗(yàn)

為了分析性能波動(dòng)的原因，對(duì)第二批熱處理后的產(chǎn)品抽樣檢驗(yàn)橫截面的洛氏硬度，從外表面到內(nèi)表面均勻間距打10 個(gè)點(diǎn)硬度，同時(shí)每一支鋼管在任意位置壁厚中部取樣做一組拉伸和一組沖擊試驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3，如圖4 所示，結(jié)果表明：

（1） 所有檢測(cè)的鋼管橫截面均存在周向四個(gè)象限硬度不均勻的現(xiàn)象；

表3 鉆鋌管體的拉伸和室溫縱向沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

（2） 由外至內(nèi)硬度逐漸降低，但同一截面在壁厚方向下降幅度不一致；

圖4 鉆鋌管體截面四個(gè)象限的硬度試驗(yàn)結(jié)果

（3） 管號(hào)4 的屈服強(qiáng)度偏低，沖擊性能只有46 J，不能滿足協(xié)議要求。

2.3 金相試驗(yàn)

抽樣檢驗(yàn)四個(gè)象限（內(nèi)、中、外）金相分析結(jié)果，見表4，如圖5～8 所示，四個(gè)象限的調(diào)質(zhì)組織為：回火索氏體組織S回+回火貝氏體組織B+少量的鐵素體組織F，不同象限的組織含量不一樣，四個(gè)象限存在金相組織不均勻的現(xiàn)象。

表4 鉆鋌管體金相試驗(yàn)結(jié)果

（1） 第二點(diǎn)的位置應(yīng)為半馬氏體組織的位置，到鋼管外表面的距離為16～24 mm；

（2） 第一、二象限要比第三、四象限的淬透層深度大；

（3） 在第三、四象限還觀察到晶界鐵素體，這種組織會(huì)惡化材料的沖擊性能并降低材料的強(qiáng)度性能；

圖5 第一象限金相分析結(jié)果

圖6 第二象限金相分析結(jié)果

圖7 第三象限金相分析結(jié)果

圖8 第四象限金相分析結(jié)果

（4） 四個(gè)象限金相組織分析結(jié)果與硬度試驗(yàn)結(jié)果的總體變化規(guī)律一致，由壁厚內(nèi)部到外部微觀組織中的回火索氏體的含量呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且每個(gè)象限增長(zhǎng)速率不一致。

2.4 小 結(jié)

（1） 對(duì)比第一批和第二批產(chǎn)品的熱處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，兩批產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大，屈服強(qiáng)度波動(dòng)值均在140 MPa 左右，說明該生產(chǎn)線上產(chǎn)品性能的波動(dòng)性較大，質(zhì)量不太穩(wěn)定，冬天生產(chǎn)的鋼管比夏天生產(chǎn)的鋼管性能穩(wěn)定性相對(duì)較好。

（2） 硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，同一橫截面四個(gè)象限的同一圓周上硬度結(jié)果不均勻，偏差較大，金相組織分析結(jié)果表明，四個(gè)象限的金相組織不均勻，第三和第四象限的壁厚中部可見晶界鐵素體，說明在鋼管壁厚中部已存在冷卻速度較慢，存在較多非馬氏體組織，這些組織的出現(xiàn)會(huì)惡化產(chǎn)品的沖擊性能并降低產(chǎn)品的強(qiáng)度性能。

3 討 論

（1） 試驗(yàn)分析的鋼種為AISI 1340 碳錳鋼，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的40Mn2，查胡志忠著《鋼及其熱處理曲線手冊(cè)》中圖1-1-293 的40Mn2 鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線：該鋼的Ac1、Ac3分別為713，766 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms為340 ℃，馬氏體臨界轉(zhuǎn)變冷卻速度為 25 ℃/s 左右［13］。

（2） 根據(jù)相關(guān)資料研究表明：材料的淬透性可以用材料的臨界淬火直徑表示，與其成分有較大的關(guān)系，特別是合金元素，可以用公式并查表進(jìn)行計(jì)算［14］。根據(jù)表2 中所提供的成分，計(jì)算出的臨界直徑dI為61～64 mm。同時(shí)文獻(xiàn)［13］給出的40Mn2的淬透層半馬氏體直徑約為42 mm。

（3） 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)熱處理工藝為淬火870 ℃+冷卻水環(huán)穿過式冷卻+回火570 ℃。生產(chǎn)冷卻只對(duì)外表面進(jìn)行噴射，內(nèi)表面不直接冷卻，鋼管的實(shí)際冷卻從外到內(nèi)，可以看成單面淬火。按照上述數(shù)據(jù)，鋼管單面冷卻時(shí)得到50%馬氏體的淬透深度為21～31 mm，由于鋼管的實(shí)際壁厚可能超過31 mm，所以會(huì)存在部分未淬透的情況。

（4） 現(xiàn)場(chǎng)的冷卻速度數(shù)據(jù)不詳，估計(jì)在20～50℃/s，所以在AISI 1340 水淬時(shí)，實(shí)際冷卻速度處于馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界轉(zhuǎn)變速度附近，鋼管可能存在部分未淬透情況，造成鋼管中間位置存在組織不均勻現(xiàn)象，由于鋼管周向存在壁厚偏差，易發(fā)生鋼管周向淬火不均勻［15］。

（5） 在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)由于水冷環(huán)的噴嘴出水不均勻，淬火過程中四個(gè)象限的水量不均，鋼管周向冷卻不均勻，部分區(qū)域水量過小，冷卻速度過慢，導(dǎo)致產(chǎn)生貝氏體，甚至出現(xiàn)晶界鐵素體組織。

（6） 夏天的水溫較冬天高，將在一定程度上減慢冷卻速度，從而影響熱處理產(chǎn)品的淬透性，不利于保證產(chǎn)品性能。

（7） 根據(jù)分析和相關(guān)研究結(jié)果，提高鋼中的Mn、Cr 等合金含量可以提高材料的淬透性，從而保證心部組織為回火索氏體，并提高材料的性能均勻性。

4 結(jié) 論

（1） AISI 1340 鋼管熱處理性能不合格的主要原因是水淬裝置的冷卻速度過慢，馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，從而使熱處理鋼管強(qiáng)度波動(dòng)范圍較大，沖擊性能不高。

（2） AISI 1340 鋼管熱處理性能不合格次要原因是淬火水冷時(shí)周向存在冷卻速度不均勻，從而造成鋼管周向性能的不均勻，存在部分象限取樣的性能不合格現(xiàn)象。

（3） 建議適當(dāng)提高 AISI 1340 鋼的 Mn、Cr 等合金含量，提高材料的淬透性。

（4） 建議增大鋼管淬火時(shí)的冷卻水量，定期檢查淬火用水池內(nèi)水溫的變化，保證冷卻速度。

（5） 建議定期檢查噴嘴狀態(tài)，保證淬火時(shí)水冷速度的周向均勻性。