張雅麗，董 健，段建良，劉志坤，高潤(rùn)秋，鄭士晶，宋煥鵬

(信達(dá)科創(chuàng)(唐山)石油設(shè)備有限公司 河北 唐山 063000)

0 引 言

連續(xù)油管的材料是低碳合金鋼，具有較好的撓性，又稱撓性油管，單根長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)千米。連續(xù)油管主要用于油田修井、測(cè)井、鉆井、完井等作業(yè)，工作過程中需承受反復(fù)彎曲和多次塑性變形，因此連續(xù)油管應(yīng)具有較高的疲勞強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命。單根連續(xù)油管長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，是將鋼帶端部通過焊接方式連接在一起，焊接方式采用45°斜焊縫，所以對(duì)焊接接頭的質(zhì)量就提出了更加嚴(yán)格的要求，焊接接頭的質(zhì)量和性能與焊接組織形態(tài)有著密切的關(guān)系[1]，因此改善焊接接頭組織形態(tài)具有重要意義，如何通過熱處理獲得組織均勻的連續(xù)油管是目前亟待解決的問題。

連續(xù)油管上的斜焊縫和縱焊縫由于焊接時(shí)的高溫加熱，改變了原母材組織的形態(tài)，常規(guī)的熱處理工藝是為了消除焊接和成型過程中的殘余應(yīng)力，而本試驗(yàn)研究使用連續(xù)式加熱爐、淬火裝置及中頻熱處理設(shè)備生產(chǎn)制造了一種組織均勻的超高強(qiáng)度連續(xù)油管。

1 連續(xù)油管試驗(yàn)樣品情況

試驗(yàn)選取用于制造CT90，Φ50.8 mm×4.4 mm連續(xù)油管的鋼帶，用試驗(yàn)設(shè)備 Labspark1000 直讀光譜儀對(duì)鋼帶進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)JB-120A對(duì)鋼帶材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。用YJ-2000光學(xué)金相顯微鏡對(duì)鋼帶的材料進(jìn)行金相分析，其金相組織如圖1所示。用G-300鋸床將試驗(yàn)選取的鋼帶按照角度為45°的斜角進(jìn)行分割，分割后長(zhǎng)度約為2 m的鋼帶樣品是35個(gè)，長(zhǎng)度約為20 m的鋼帶樣品是3個(gè)。用等離子斜焊接工藝將長(zhǎng)度為2 m的鋼帶樣品連接成一體，然后卷成管狀，用激光焊接工藝制成連續(xù)油管。

表1 鋼帶樣品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 鋼帶樣品力學(xué)性能

圖1 鋼帶樣品材料的金相組織

常規(guī)熱處理工藝是連續(xù)油管在縱焊縫經(jīng)過模擬正火后，對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行回火熱處理以達(dá)到所需要的性能。均質(zhì)處理工藝是連續(xù)油管在縱焊縫經(jīng)過模擬正火后，使連續(xù)油管勻速通過退火爐使其組織完全奧氏體化，退火爐實(shí)行分段加熱，依次為分段預(yù)熱區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，分段預(yù)熱區(qū)是為了加快連續(xù)油管的升溫過程，使連續(xù)油管受熱更加均勻，保證在穩(wěn)定區(qū)達(dá)到Ac3以上30～50 ℃并保溫一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全部奧氏體化，然后進(jìn)行淬火處理，淬火后勻速通過中頻線圈進(jìn)行快速回火處理，不同回火溫度處理后，分別得到ST125T和ST140T超高強(qiáng)度連續(xù)油管，熱處理工藝如圖2所示。

圖2 熱處理工藝圖

2 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

2.1 金相組織試驗(yàn)

在未進(jìn)行熱處理的試驗(yàn)用連續(xù)油管的斜焊縫部位取橫向金相試樣，該金相試樣經(jīng)過研磨、剖光后，用4%的硝酸酒精溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，用YJ-2000光學(xué)金相顯微鏡分析其焊縫及熱影響區(qū)的金相組織，熱影響區(qū)的過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全結(jié)晶區(qū)和回火區(qū)及焊縫的金相組織如圖3所示。圖3(a)的焊縫區(qū)為粗大的貝氏體[2-3]。圖3(b)的過熱區(qū)為粒狀貝氏體及塊狀和長(zhǎng)條狀鐵素體上分布著碳化物，同時(shí)塊狀鐵素體之間分布著針狀鐵素體。圖3(c)的正火區(qū)為均勻的多邊形鐵素體。圖3(d)的不完全結(jié)晶區(qū)為細(xì)小的鐵素體及粗大鐵素體的混合組織。圖3(e)的回火區(qū)為條帶狀鐵素體和珠光體。

圖3 未經(jīng)熱處理的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織

圖4為未進(jìn)行熱處理的試驗(yàn)用連續(xù)油管縱焊縫部位的不同區(qū)域的金相組織。圖4(a)焊縫和圖4(b)熱影響區(qū)的過熱區(qū)均為粗大的貝氏體。圖4(c)熱影響區(qū)的正火區(qū)是多邊形鐵素體和少量的珠光體。圖4(d)熱影響區(qū)的不完全重結(jié)晶區(qū)為鐵素體和珠光體。圖4(e)熱影響區(qū)的回火區(qū)為鐵素體和珠光體。

圖4 未經(jīng)熱處理的連續(xù)油管縱焊縫部位的金相組織

對(duì)一段試驗(yàn)用連續(xù)油管進(jìn)行常規(guī)熱處理，常規(guī)熱處理后的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織如圖5所示，常規(guī)熱處理后的連續(xù)油管縱焊縫的金相組織如圖6所示。從圖5和圖6可見，特影響區(qū)的正火區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和回火區(qū)為均勻的鐵素體，圖5(f)為母材的金相組織，在經(jīng)過常規(guī)熱處理后為帶狀鐵素體和珠光體。

對(duì)一段試驗(yàn)用連續(xù)油管進(jìn)行均質(zhì)處理，均質(zhì)處理后的連續(xù)油管斜焊縫部位的金相組織如圖7所示，均質(zhì)處理后的連續(xù)油管縱焊縫部位的金相組織如圖8所示。常規(guī)熱處理的目的是為了消除冶金危害及消除應(yīng)力[4]，均質(zhì)處理改善了組織的不均勻性，使焊縫組織和熱影響區(qū)組織發(fā)生了細(xì)化。焊縫、熱影響區(qū)的各區(qū)域及母材的金相組織均為回火索氏體組織，回火索氏體組織是鐵素體與粒狀碳化物的混合物，在常溫下是一種平衡組織，具有良好的塑性和韌性，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，因此具有較好的綜合力學(xué)性能[5-7]。

圖5 常規(guī)熱處理的連續(xù)油管斜焊縫部位金相組織

圖6 常規(guī)熱處理的連續(xù)油管縱焊縫部位金相組織

圖7 均質(zhì)處理的連續(xù)油管斜焊縫部位及母材金相組織

圖8 均質(zhì)處理的連續(xù)油管縱焊縫部位金相組織

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

在未熱處理、常規(guī)熱處理和均質(zhì)處理的連續(xù)油管上分別截取3個(gè)長(zhǎng)度為450 mm的全管體拉伸試樣，試樣形貌如圖9所示。用JB/WAW-600D萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。從表3和表4可見，常規(guī)熱處理的連續(xù)油管強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到CT90，而通過均質(zhì)處理工藝獲得的超高強(qiáng)度連續(xù)油管強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到了ST125T或者ST140T。有斜焊縫的全管體試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度近似于無斜焊縫全管體試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

圖9 全管體拉伸試樣

表3 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管無斜焊縫試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管斜焊縫試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)ASTM A370-2020《Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未熱處理連續(xù)油管與ST125T連續(xù)油管進(jìn)行夏比V型缺口吸收能的斷裂韌性試驗(yàn)，試樣取自距焊縫周向90°的位置，取縱向試樣，試樣規(guī)格為3.3 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)在0 ℃的溫度下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表5。表5的試驗(yàn)結(jié)果表明，ST125T連續(xù)油管的斷裂吸收能低于未熱處理連續(xù)油管的斷裂吸收能。ST125T連續(xù)油管的斷裂吸收能與未熱處理連續(xù)油管的斷裂吸收能對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

表5 夏比V型缺口試驗(yàn)結(jié)果

圖10 夏比沖擊斷裂吸收能對(duì)比

在CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管上分別取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV

從表6可見，CT90的焊縫及熱影響區(qū)因?yàn)榇嬖谪愂象w組織使其硬度高于母材的硬度，但其硬度值均低于248 HV。均質(zhì)處理后的焊縫、熱影響區(qū)與母材均為回火索氏體組織，均質(zhì)處理的連續(xù)油管平均硬度值低于280 HV或者330 HV。CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖11 CT90與ST125T、ST140T連續(xù)油管硬度數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 疲勞性能試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)應(yīng)在盤卷之前所截取試樣上進(jìn)行，試樣長(zhǎng)度為1.5 m，循環(huán)彎曲半徑為1 219.2 mm(48 in)，內(nèi)壓為35 MPa，疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖12所示。CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表7。從表7可見，ST125T和ST140T的連續(xù)油管的疲勞壽命是高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，同時(shí)中間位置帶有斜焊縫試樣的平均疲勞次數(shù)占無斜焊縫試樣的平均疲勞次數(shù)的百分比由78%增加到92%，常規(guī)熱處理工藝減少了降低疲勞性能的脆性成分，焊縫組織的均勻性提高了連續(xù)油管的疲勞壽命[8]。

圖12 疲勞試驗(yàn)機(jī)

表7 CT90、ST125T和ST140T連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.4 高溫高壓腐蝕試驗(yàn)

對(duì)ST125T和CT90連續(xù)油管進(jìn)行高溫高壓腐蝕試驗(yàn)，取環(huán)形試樣，測(cè)試環(huán)境為5%的氯化鈉溶液和CO2氣體，測(cè)試壓力為3.45 MPa(500 psi)，試驗(yàn)溫度為120 ℃，試驗(yàn)周期96 h，ST125T和CT90連續(xù)油管的高溫高壓腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表8。

由表8可以看出，CT90焊縫的平均腐蝕速率高于母材的平均腐蝕速率，而經(jīng)均質(zhì)處理工藝處理的ST125T連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。

表8 CT90與ST125T連續(xù)油管高溫高壓腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

將用于制造CT90，Φ50.8 mm×4.4 mm連續(xù)油管的鋼帶焊接成連續(xù)油管后，分別進(jìn)行常規(guī)熱處理、均質(zhì)處理兩種不同的熱處理工藝，并與沒有進(jìn)行熱處理的連續(xù)油管進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。鋼帶間的斜焊縫、連續(xù)油管的縱焊縫在三種不同試驗(yàn)條件下的金相組織試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)油管焊接時(shí)在斜焊縫和縱焊縫的焊縫及熱影響區(qū)都會(huì)產(chǎn)生粗大的貝氏體組織，常規(guī)熱處理后焊縫及熱影響區(qū)的粗大貝氏體仍然存在，并不能改善焊縫、熱影響區(qū)及母材組織間的均勻性，均質(zhì)處理后連續(xù)油管的焊縫、熱影響區(qū)及母材均為回火索氏體，金相組織是均勻形態(tài)。

通過對(duì)試驗(yàn)用連續(xù)油管進(jìn)行力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)熱處理工藝獲得CT90連續(xù)油管，均質(zhì)處理在淬火后采用不同的回火溫度分別獲得ST125T和ST140T連續(xù)油管，屬于超高強(qiáng)度連續(xù)油管，因?yàn)檫B續(xù)油管存在斜焊縫，使存在斜焊縫的連續(xù)油管拉伸試樣延伸率出現(xiàn)了降低，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度近似于沒有斜焊縫的連續(xù)油管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。將均質(zhì)處理獲得的ST125T連續(xù)油管與沒有進(jìn)行熱處理的連續(xù)油管進(jìn)行夏比V型缺口試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ST125T連續(xù)油管的平均斷裂吸收能為49.7 J，低于沒有進(jìn)行熱處理的連續(xù)油管的平均斷裂吸收能53.3 J，說明在提高強(qiáng)度的同時(shí)保證了連續(xù)油管的韌性。將均質(zhì)處理獲得的ST125T和ST140T超高強(qiáng)度連續(xù)油管與常規(guī)熱處理獲得的CT90連續(xù)油管進(jìn)行硬度試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)處理后的超高強(qiáng)度連續(xù)油管硬度值明顯增加，CT90連續(xù)油管的最大硬度值為245.7 HV，ST125T和ST140T超高強(qiáng)度連續(xù)油管的最大硬度值分別為273.0 HV和325.1 HV。ST125T和ST140T超高強(qiáng)度連續(xù)油管的疲勞壽命明顯高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，將中間位置帶有斜焊縫的疲勞試樣的平均疲勞次數(shù)占無斜焊縫疲勞試樣的平均疲勞次數(shù)的百分比由78%提高至92%。CT90連續(xù)油管與ST125T超高強(qiáng)度連續(xù)油管的高溫高壓腐蝕試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果為，ST125T超高強(qiáng)度連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出均質(zhì)處理后獲得了均勻回火索氏體組織，回火索氏體是鐵素體與粒狀碳化物的混合物，在常溫下是一種平衡組織，具有良好的塑性和韌性，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，因此具有較好的綜合力學(xué)性能，與常規(guī)熱處理獲得的連續(xù)油管的綜合性能進(jìn)行對(duì)比，均質(zhì)處理的超高強(qiáng)度連續(xù)油管的綜合性能得到了顯著提高[9-10]。

4 結(jié) 論

1)均質(zhì)處理后連續(xù)油管的焊縫、熱影響區(qū)及母材均為回火索氏體。

2)均質(zhì)處理工藝使連續(xù)油管強(qiáng)度達(dá)到ST125T或ST140T，該ST125T或ST140T連續(xù)油管具有較好的綜合力學(xué)性能。

3)均質(zhì)處理的ST125T和ST140T的連續(xù)油管的疲勞壽命高于CT90連續(xù)油管的疲勞壽命，均質(zhì)處理的ST125T連續(xù)油管的平均腐蝕速率低于CT90連續(xù)油管的平均腐蝕速率。