孫晶，藏中山，梁紅星，馬繼順，金 梅，王洪兵，李柄睿

(1. 山東墨龍石油機(jī)械股份有限公司 山東 壽光 262700； 2. 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 上海 201324；3. 青島工學(xué)院 山東 青島 266300)

0 引 言

隨著石油行業(yè)的發(fā)展，石油工業(yè)用鋼的需求量日益增加，高鋼級(jí)油套管需求量更是逐年增大，但是隨著套管制造行業(yè)的不斷競(jìng)爭(zhēng)和原材料價(jià)格的不斷上漲，其附加值逐步萎縮。P110是目前廣泛使用的石油套管鋼級(jí)，強(qiáng)度和韌性均較高，具有良好的綜合力學(xué)性能[1-3]。許占海等人[4-5]提出的經(jīng)濟(jì)型30MnCr22鋼種開始在P110鋼級(jí)套管得到初步應(yīng)用，但是實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)用于大直徑套管時(shí)，回火溫度過低，導(dǎo)致矯直終了溫度存在低于400 ℃的情況，不能滿足P110鋼級(jí)PSL2等級(jí)的要求。

JMat Pro是英國(guó)Sente Software公司開發(fā)的材料性能模擬軟件，基于金屬材料類型可以計(jì)算模擬材料的多種性能和相圖[6]。本文采用JMat Pro軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的30Mn2Cr試驗(yàn)鋼進(jìn)行熱力學(xué)及相變計(jì)算分析，為該試驗(yàn)鋼熱處理工藝的設(shè)計(jì)和制定提供理論依據(jù)。

1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)及熱力學(xué)計(jì)算

30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1，將表1中化學(xué)成分在JMat Pro軟件中進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算。圖1為試驗(yàn)鋼400～1 000 ℃平衡相組成計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，試驗(yàn)鋼在400 ℃下由鐵素體、碳化物M7C3和非金屬化合物MnS組成。隨著溫度升高，605 ℃時(shí)碳化物M7C3完全溶解，700 ℃時(shí)奧氏體開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)化，并在790 ℃時(shí)達(dá)到99.99%，剩余部分為非金屬化合物MnS。滲碳體在480 ℃開始出現(xiàn)，610 ℃趨于最大值，722 ℃完全溶解。

表1 P110鋼種化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 30Mn2Cr試驗(yàn)鋼在400～1 000 ℃范圍內(nèi)的各溫度點(diǎn)平衡相組成

2 熱處理參數(shù)計(jì)算

2.1 30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的TTT和CCT曲線圖計(jì)算

30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的TTT等溫轉(zhuǎn)變曲線和CCT過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線如圖2所示。圖中給出了相變點(diǎn)A3、A1、Bs、Ms、Mf的數(shù)值，具體數(shù)值見表2?？梢钥闯?0Mn2Cr試驗(yàn)鋼的A3溫度為786.2 ℃，A1溫度為722.0 ℃。奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度Ac3按照Andrews熱處理經(jīng)典公式(1)[7]計(jì)算為815 ℃。由于公式計(jì)算與實(shí)際Ac3轉(zhuǎn)變溫度存在一定的差距，結(jié)合在線熱處理生產(chǎn)設(shè)備精度設(shè)計(jì)鋼種淬火溫度為900 ℃。30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的CCT曲線圖給出了五條不同的冷卻路線(圖2b)，分別為100.0、 10.0、1.0 ℃/s、0.1和0.01 ℃/s。其中最大冷速100.0 ℃/s下，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為364.3 ℃，在329.9 ℃獲得50%馬氏體含量，在250.2 ℃獲得90%馬氏體含量。采用軟件的鼠標(biāo)獲取功能可以得到此冷速下的最大馬氏體含量為98.91%，其余組織為0.11%的奧氏體、0.12%的鐵素體和0.86%的貝氏體。表3為不同冷速下30Mn2Cr試驗(yàn)鋼力學(xué)性能計(jì)算值，從表中可以看出，在100.0 ℃/s冷速下試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度為1 710.7 MPa，屈服強(qiáng)度1 481.6 MPa，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的P110鋼級(jí)套管屈服強(qiáng)度在758～965 MPa之間和抗拉強(qiáng)度≥862 MPa的要求，表明經(jīng)過適當(dāng)溫度回火處理后，30Mn2Cr試驗(yàn)鋼能夠達(dá)到P110鋼級(jí)套管的強(qiáng)度要求。

表3 不同冷速下30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能計(jì)算值

圖2 鋼種的TTT和CCT曲線

表2 30Mn2Cr試驗(yàn)鋼相變點(diǎn) ℃

Ac3(℃)=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+
104V+31.5Mo+13.1W

(1)

式中的元素符號(hào)代表其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，適用鋼的成分范圍為：C≤0.6，Mn≤4.9，Cr≤5.0，Ni≤5.0，Mo≤5.4。

2.2 回火后的強(qiáng)度計(jì)算

圖3為軟件模擬出的30Mn2Cr試驗(yàn)鋼在900 ℃淬火+回火保溫10 min條件下，強(qiáng)度隨回火溫度變化的趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，隨著回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。表4為JMat Pro計(jì)算出的30Mn2Cr試驗(yàn)鋼在900 ℃淬火條件下，各個(gè)回火溫度保溫10 min后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值。從表4中可以看出，回火溫度460 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度高于P110鋼級(jí)要求，500～580 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度滿足P110鋼級(jí)要求，580 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度已處于P110鋼級(jí)套管的下限。

圖3 30Mn2Cr試驗(yàn)鋼不同工藝回火后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化

表4 不同回火溫度下的力學(xué)性能計(jì)算值

3 小試樣熱處理爐驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和工業(yè)熱處理設(shè)備狀況，設(shè)計(jì)30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的小試樣熱處理爐驗(yàn)證工藝。取5件339.72 mm×12.19 mm長(zhǎng)300 mm的管段進(jìn)行900 ℃淬火+5種不同回火溫度驗(yàn)證試驗(yàn)，回火溫度分別為470、500、530、560、590 ℃。管段在井氏電阻爐內(nèi)加熱和保溫，爐內(nèi)時(shí)間設(shè)計(jì)同在線熱處理保持一致，淬火爐內(nèi)時(shí)間70 min，回火爐內(nèi)時(shí)間110 min。

按照API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)管段的拉伸及沖擊韌性試驗(yàn)，拉伸試樣為38.1 mm縱向條形，沖擊試樣為10 mm×7.5 mm×55 mm橫向樣[8]。試驗(yàn)設(shè)備為WAW-600C萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)和JB-300B半自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。

表5為鋼種熱處理驗(yàn)證試驗(yàn)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。從表5可以看出，隨著回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，伸長(zhǎng)率和沖擊功則逐漸升高，這符合回火溫度對(duì)一般淬火回火鋼的影響規(guī)律。在500～590 ℃回火溫度區(qū)間，拉伸和沖擊性能均滿足P110鋼級(jí)的要求。其中，560 ℃回火溫度下的屈服強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)中線，沖擊功約為標(biāo)準(zhǔn)要求16 J的4倍，表明該鋼管按照900 ℃淬火+560 ℃回火控制可獲得良好的力學(xué)性能匹配。

表5 不同回火溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 工業(yè)熱處理

表6為30Mn2Cr試驗(yàn)鋼同30MnCr22鋼種熱處理339.72 mm×12.16 mm P110鋼級(jí)相同屈服強(qiáng)度下的回火溫度與矯直溫度對(duì)比參數(shù)。從表中可以看出，30Mn2Cr試驗(yàn)鋼的回火溫度高于30MnCr22鋼種50 ℃，矯直終了溫度高40 ℃，矯直溫度滿足不低于400 ℃的P110鋼級(jí)PSL2等級(jí)要求。在線進(jìn)行了30Mn2Cr試驗(yàn)鋼339.72 mm×12.16 mm P110鋼級(jí)套管的熱處理，熱處理參數(shù)為 900 ℃淬火+560 ℃回火，熱處理后的套管拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，金相組織如圖5所示。結(jié)果顯示，拉伸和沖擊韌性指標(biāo)均達(dá)到了P110鋼級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求，在線工業(yè)熱處理結(jié)果同小試樣熱處理爐驗(yàn)證結(jié)果一致，顯微組織為回火索氏體和少量鐵素體，實(shí)際晶粒度在9.5～10級(jí)之間。

表6 工業(yè)化參數(shù)對(duì)比

圖4 工業(yè)驗(yàn)證力學(xué)性能結(jié)果

圖5 工業(yè)熱處理回火組織

5 結(jié) 論

1)利用JMatPro軟件模擬計(jì)算，30Mn2Cr試驗(yàn)鋼在100 ℃/s冷速下淬火可以得到98.91%的馬氏體含量，抗拉強(qiáng)度為1 710.7 MPa，屈服強(qiáng)度1 481.6MPa，經(jīng)過500～580 ℃回火后強(qiáng)度可以達(dá)到P110鋼級(jí)套管的要求。

2)小試樣熱處理爐驗(yàn)證試驗(yàn)和在線工業(yè)熱處理試驗(yàn)結(jié)果表明，30Mn2Cr試驗(yàn)鋼經(jīng)過900 ℃淬火+560 ℃回火后，強(qiáng)度和韌性匹配最優(yōu)，339.72 mm×12.16 mm規(guī)格套管工業(yè)熱處理后各項(xiàng)強(qiáng)度和韌性性能均滿足P110鋼級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求，矯直溫度滿足P110鋼級(jí)PSL2等級(jí)不低于400 ℃的規(guī)定。