蘇國(guó)錦, 徐藹彥, 王海博, 王紅江, 劉西西

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司, 天津 065200； 2.西安三維應(yīng)力工程技術(shù)有限公司, 西安 710061)

隨著油田勘探開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，深井、高溫井、高壓井、非常規(guī)井、富含腐蝕介質(zhì)的油氣井越來(lái)越多，常規(guī)的油套管材料已經(jīng)無(wú)法滿足大多數(shù)油氣井的使用要求[1]。為了保證生產(chǎn)的安全與高效，強(qiáng)度高、低溫韌性及耐腐蝕性能良好的油管鋼在油氣田的開(kāi)采過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者們開(kāi)展了大量有關(guān)油管鋼失效原因和機(jī)理的研究，主要集中在材料、腐蝕及密封方面[4-7]。然而，由于油田現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性和多變性，有些理論研究尚未形成共識(shí)，許多問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究和深入探討分析,并且關(guān)于油管鋼顯微組織及力學(xué)性能的研究還較少[8-9]?；诖耍P者對(duì)某廠生產(chǎn)的超級(jí)13Cr油管鋼的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行了試驗(yàn)與分析，其結(jié)論對(duì)超級(jí)13Cr油管鋼的生產(chǎn)及油田油套管材料的選用具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用某廠生產(chǎn)的規(guī)格為φ114.30 mm×12.70 mm的超級(jí)13Cr油管鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.022C，0.289Si，0.346Mn，0.015P，0.004S，13.428Cr，5.018Ni，2.029Mo，0.026Nb，0.063V，0.004Ti，0.074Cu(其余為Fe)。生產(chǎn)過(guò)程中的熱處理工藝為：采用整管油淬(960 ℃，30 min)+高溫回火(700 ℃，60 min)的調(diào)質(zhì)工藝，確保性能穩(wěn)定；采用連續(xù)式氮?dú)獗Ｗo(hù)光亮爐，確保性能均勻；矯直后采用高溫退火工藝，確保殘余應(yīng)力最小。

從該超級(jí)13Cr油管鋼管體截取金相試樣，經(jīng)打磨并拋光，苦味酸浸蝕后，采用光學(xué)顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》分析其顯微組織；依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》評(píng)定其晶粒度。采用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》測(cè)試該超級(jí)13Cr油管鋼在不同溫度下的沖擊吸收能量(試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口)。采用拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。采用洛氏顯微硬度計(jì)，依據(jù)GB/T 230.1-2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》測(cè)試管體內(nèi)表面、外表面和壁厚中間的硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為超級(jí)13Cr油管鋼的顯微組織形貌，可見(jiàn)其顯微組織為回火馬氏體+少量長(zhǎng)條狀δ鐵素體(δ-Fe)，晶粒度等級(jí)為9級(jí)。由圖1 b)可見(jiàn)馬氏體主要呈伸長(zhǎng)的條狀，條與條之間呈現(xiàn)出小角度，這種小角度的晶界不易腐蝕，因而該超級(jí)13Cr油管鋼具有較好的耐腐蝕性能。測(cè)得該超級(jí)13Cr油管鋼的δ鐵素體含量高達(dá)1.21%(面積分?jǐn)?shù))，δ鐵素體可導(dǎo)致沖擊試樣裂紋快速擴(kuò)展，使該超級(jí)13Cr油管鋼的沖擊性能降低；其晶粒等級(jí)較高，晶粒較細(xì)，具有更好的強(qiáng)化作用，有利于提高該超級(jí)13Cr油管鋼的強(qiáng)度。

圖1 超級(jí)13Cr油管鋼的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of the super 13Cr tubing steel: a) at low magnification; b) at high magnification

2.2 沖擊韌性

不同溫度下，該超級(jí)13Cr油管鋼的示波沖擊力-位移曲線如圖2所示。由圖2可知，在100 ℃和50 ℃時(shí)超級(jí)13Cr油管鋼的示波沖擊曲線與GB/T 19748-2019《金屬材料 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗(yàn) 儀器化試驗(yàn)方法》中F型相似。溫度在常溫(23 ℃)及以下時(shí)的沖擊曲線，可見(jiàn)明顯的不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展特征。對(duì)比-90，-60，-10 ℃下的示波沖擊曲線，可見(jiàn)溫度越低，不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展特征出現(xiàn)得越早，因此溫度越低，斷口表面脆性特征的比例越大。

圖2 不同溫度下超級(jí)13Cr油管鋼的示波沖擊力-位移曲線Fig.2 Oscillographic impact force-displacement curves of the super 13Cr tubing steel at different temperatures

由示波沖擊力-位移曲線提取的不同溫度下超級(jí)13Cr油管鋼的試驗(yàn)特征值見(jiàn)表1，可見(jiàn)不同溫度下的沖擊吸收能量均滿足技術(shù)要求。隨著溫度的升高，裂紋形成能量基本不變，裂紋擴(kuò)展能量增大，裂紋擴(kuò)展能量占沖擊總能量的66%左右，沖擊吸收能量增大，剪切斷面率增大，沖擊吸收能量和剪切斷面率增大趨勢(shì)基本一致；-90 ℃時(shí)，沖擊吸收能量為158 J，仍然滿足技術(shù)協(xié)議要求；100 ℃時(shí)，沖擊吸收能量達(dá)到221 J。這說(shuō)明隨著溫度的升高，金屬原子間結(jié)合力越小，超級(jí)13Cr油管鋼的沖擊韌性增大，沖擊開(kāi)裂敏感性降低。

表1 不同溫度下超級(jí)13Cr油管鋼示波沖擊特征值Tab.1 Characteristic values of oscilloscopic impact of the super 13Cr tubing steel at different temperatures

2.3 拉伸性能

該超級(jí)13Cr油管鋼的室溫拉伸性能見(jiàn)表2，可見(jiàn)其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為823 MPa和936 MPa，屈強(qiáng)比為0.88，斷后伸長(zhǎng)率為28.5%。這說(shuō)明該材料的抗變形能力較強(qiáng)，塑性較好，拉伸性能滿足技術(shù)要求。

表2 超級(jí)13Cr油管鋼的室溫拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of the super 13Cr tubing steel

2.4 洛氏硬度

該超級(jí)13Cr油管鋼的室溫洛氏硬度見(jiàn)表3，可見(jiàn)硬度平均值約為29.4 HRC，壁厚中間部位的硬度較外壁和內(nèi)壁的稍高，不同象限的硬度基本一致，硬度測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)要求。

表3 超級(jí)13Cr油管鋼的硬度Tab.3 Hardness of the super 13Cr tubing steel HRC

2.5 疲勞性能

該超級(jí)13Cr油管鋼的疲勞性能見(jiàn)表4，一般情況下，鋼的疲勞壽命要求是107次，該超級(jí)13Cr油管鋼當(dāng)使用應(yīng)力低于550 MPa時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，當(dāng)高于550 MPa時(shí)就會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，其疲勞強(qiáng)度為550 MPa。

表4 超級(jí)13Cr油管鋼的疲勞性能Tab.4 Fatigue properties of the super 13Cr tubing steel

3號(hào)試樣的疲勞斷口形貌如圖3所示。圖3 a)為斷口整體形貌，從左至右分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)，可見(jiàn)其放射線清晰，瞬斷區(qū)沿旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)則是因?yàn)閿U(kuò)展速率不一致導(dǎo)致的。在旋轉(zhuǎn)彎曲條件下疲勞微裂紋形成后，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中試樣在旋轉(zhuǎn)，載荷向軸旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，疲勞裂紋沿順載荷移動(dòng)方向擴(kuò)展快，逆載荷移動(dòng)方向擴(kuò)展慢。圖3 b)為裂紋源區(qū)，疲勞裂紋萌生于試樣表面，可見(jiàn)疲勞輝紋。圖3 c)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，可以看到準(zhǔn)解理微觀斷裂特征，平臺(tái)上有一些放射狀臺(tái)階區(qū)及河流花樣，并存在二次裂紋，為典型的脆性斷口形貌；緩慢擴(kuò)展區(qū)較平坦，有比較明顯的放射狀條紋，即貝紋線特征，裂紋擴(kuò)展方向與紋路方向平行，由表面向內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展。圖3 d)為瞬斷區(qū)，可見(jiàn)明顯的韌窩形貌，表明材料韌性較好。

圖3 3號(hào)試樣疲勞斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fatigue fracture of the sample 3:a) overall morphology; b) crack source zone; c) crack propagation zone; d) instantaneous fracture zone

3 結(jié)論

(1) 按前述熱處理?xiàng)l件下研制出的超級(jí)13Cr油管鋼的顯微組織為回火馬氏體+少量長(zhǎng)條狀δ鐵素體，晶粒度為9級(jí)。

(2) 在-90～100 ℃時(shí)，該超級(jí)13Cr油管鋼的沖擊吸收能量隨溫度升高而增大，裂紋擴(kuò)展能量、剪切斷面率都隨之升高，而沖擊開(kāi)裂敏感性降低；-90 ℃低溫下的沖擊吸收能量(158 J)也能滿足技術(shù)要求。室溫下，超級(jí)13Cr油管鋼的屈服強(qiáng)度為823 MPa，抗拉強(qiáng)度為936 MPa，硬度為29.4 HRC，均滿足技術(shù)要求。

(3) 該超級(jí)13Cr油管鋼的疲勞強(qiáng)度為550 MPa。