馮建昶，趙 光，牟永勝

(1.辛集市澳森鋼鐵集團有限公司技術中心，河北 辛集 052300；2.唐山鋼鐵集團有限責任公司技術中心，河北 唐山 0630163；3.臨沂市特種設備檢驗研究院，山東 臨沂 276000)

石油套管是支撐油氣井井壁以保證鉆井過程及完井后油氣正常運行的重要部件，其在井下受拉、壓、彎、扭等復雜應力作用，是維持油氣井運行的生命線，因此對管體質量提出了很高的要求[1]。H40熱軋板材是制造石油套管的常用材質，近期生產的一批H40熱軋板材，在用戶處輥壓制造石油套管過程中出現了外形缺陷，從現場取缺陷卷的原板和一段缺陷套管進行檢驗，并結合生產數據分析確定產生缺陷的原因。

1 輥壓制管外形缺陷基本情況

本次出現問題的熱軋H40板材厚度為8.7 mm，客戶輥壓生產石油套管的工藝流程為縱剪分卷—開卷—輥壓成型—高頻焊接—定徑—數控切斷，外形缺陷出現的工序為輥壓工序，具體情況如圖1所示，合格的套管截面為理想的圓形，而此批次生產的套管截面在某些部位的圓弧變成了近似直線，本該順滑的圓弧面出現了不規(guī)則的平面缺陷，而且缺陷位置隨機出現，并不是在焊管的某個固定區(qū)域。通過與客戶溝通了解到此規(guī)格套管的輥壓線生產工藝較之前未作改動，同時使用之前批次相同規(guī)格的H40板材進行生產，所產套管未出現外形缺陷，因此可以排除該缺陷是由客戶設備原因造成的。為分析外形缺陷產生原因，從現場取回缺陷卷原板和存在缺陷的一段套管(見圖2)進行檢驗分析。

圖1 輥壓制管出現的外形缺陷

(a)缺陷卷原始板料

2 缺陷樣品檢驗分析

2.1 取樣位置及試驗方法

檢驗的樣品取樣位置如圖3(a)所示，在缺陷卷的板料中取拉伸試樣和彎曲試樣各8個，4個橫向4個縱向，用于檢驗板料不同部位力學性能差異，樣品加工按照《GB/T 228.1-2021金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫拉伸試驗方法》和《GB/T 232-2010金屬材料 彎曲試驗方法》的要求進行，樣品的形狀和尺寸如圖4所示，拉伸試驗在上海三思縱橫科技股份有限公司的WAW-300微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，彎曲試驗采用長春第一材料試驗機廠的QE-106液壓彎曲試驗機測試。同時取成分樣品1個，分析板料的化學成分。在外形缺陷套管的缺陷部位和正常部位取金相和硬度樣品，位置如圖3(b)所示，分析對比不同部位組織和硬度差異，金相檢驗按照《GB/T 13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法》進行，設備為德國蔡司AXIO Vert.A1金相顯微鏡，硬度測試選用洛氏硬度，標準為《GB/T 230.1-2018 金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，試驗設備為萊州華銀試驗儀器有限公司的HBRV-187.5洛氏硬度計。

(a)

(a)拉伸樣品尺寸(R表示直徑)

2.2 化學成分

缺陷卷板料的內控及實測化學成分如表1所示，其各元素含量的實測值均在內控標準要求的范圍之內，化學成分符合要求。

表1 缺陷卷板料成分 單位：%

2.3 拉伸及彎曲性能

對所取樣品的拉伸和彎曲性能進行檢驗，試驗結果列于表2和表3中，從中可以看出沿板寬方向板料不同部位橫縱向的拉伸性能差別不大，且各個部位的拉伸性能均滿足企業(yè)的內控標準要求，彎曲性能的結果也類似，因此從拉伸和彎曲性能上看難以分析出輥壓制管外形缺陷的原因。輥壓制管過程中套管外形缺陷的位置存在隨機性，也就是說并非板料的所有位置均存在問題，現場取原始料片難以分辨，所取回的缺陷卷的板料可能是不存在缺陷的部位。

表2 缺陷卷板料拉伸試驗結果

表3 缺陷卷板料彎曲試驗結果

2.4 洛氏硬度

為進一步分析造成套管外形缺陷的原因，從取回缺陷套管的正常位置和缺陷位置分別截取小段樣品進行硬度檢驗，取樣位置見圖3，硬度標尺選用洛氏硬度HRBW，壓頭選用1.5875 mm硬質合金球，總試驗力980.7 N，其適用范圍為20～100 HRBW，每個位置測試3個有效數據，其結果列于表4中。表4數據表明缺陷位置的硬度值明顯高于正常部位，說明缺陷位置處和正常位置處的力學性能存在較大差異。

表4 缺陷套管不同部位硬度差別

2.5 顯微組織檢驗

同洛氏硬度的取樣位置相同(圖3(b))截取缺陷套管正常位置和缺陷位置的金相樣品，其顯微組織見圖5，由于板料的厚度為8.7 mm，厚度較大，為更好的觀察組織差異，選取樣品厚度方向的外表面、1/4、1/2、3/4及內表面5個位置的縱向金相組織進行對比。由圖5可見正常位置沿厚度方向的組織較一致，為多邊形鐵素體和珠光體的混合組織，同時含有少量針狀鐵素體和貝氏體組織，表明其冷卻速度較快，缺陷位置的組織沿厚度方向差別較大，外表面和內表面為先共析鐵素體從奧氏體晶界上沿著奧氏體的一定晶面向晶內生長，呈針片狀析出的魏氏組織，而其他部位則是貝氏體和鐵素體混合組織，從組織中可大概分辨轉變之前的奧氏體晶粒[2]。魏氏組織中鐵素體形成機制為切變機制，其同貝氏體中的鐵素體轉變機制類似，樣品會出現浮凸現象[3]。轉變中鐵素體在較快冷卻速度下形成，因而鐵素體只能沿奧氏體的某一特定晶面析出，并與母相奧氏體存在一定的晶體學位向關系。這類針狀鐵素體既可以從奧氏體中直接析出，亦可以沿奧氏體組織的晶界先析出網狀鐵素體，然后再從網狀鐵素體平行地向晶內長大。當鐵素體在魏氏組織中形成時，碳就從鐵素體中擴散到兩側母相奧氏體中，從而使鐵素體針之間的奧氏體碳含量不斷增加，最終轉變?yōu)橹楣怏w[4]。魏氏組織中的鐵素體可認為就是無碳化物貝氏體。因此缺陷位置的魏氏組織和貝氏體組織相比于正常位置的鐵素體和珠光體組織具有更高的力學性能，也就是更高的硬度和強度，組織上與2.4節(jié)的硬度檢驗有很好的對應關系。

通過對原始板料和缺陷套管的檢驗結果可以分析出板料的某些區(qū)域在寬度方向上存在力學性能差異，力學性能的不均使得板料在輥壓過程中的塑性變形不協調，高硬度高強度區(qū)域在輥子作用下不能像正常區(qū)域一樣完成要求的塑性變形程度，導致不規(guī)則缺陷平面的形成。而板料缺陷區(qū)域的高硬度高強度特性是由于魏氏組織和貝氏體等硬化組織出現所致，這兩種組織形成均需要較快的冷卻速度，需要分析產線的生產數據查找原因進而改進。

3 產線調查分析及改進措施

材料的成分符合企業(yè)內控標準要求，因此產線調查略過煉鋼及之前工序，從熱軋進行分析。H40的熱軋工藝流程為：加熱爐加熱-高壓水除磷-定寬-2機架粗軋-精軋水除磷-6機架精軋-冷卻-卷取。選取之前生產的一個正常卷和此批次的一個缺陷卷進行對比，對于此批次的H40鋼種，其冷裝時間≥30 min，均熱時間>25 min，駐爐時間在(163，256)min范圍內，均滿足標準要求，除磷及冷卻模式均采用自動模式，同其他批次同規(guī)格產品無差異，定寬及粗軋參數也未作相關改動。二者的差異在于為了提高產量將原來的精軋軋制速度做了提升，由于終軋溫度未做改變，因此精軋的冷卻水量也進行了相應調整，如表5所示，精軋速度較之前提升了21%，精軋的冷卻水量提升了18%，這兩個參數提升之后，終軋溫度和卷取溫度合格率則有了明顯下降，這表明軋制速度提升后增加的冷卻水量沒能合理的冷卻軋制板帶，造成其某些部位的終軋溫度偏高，奧氏體晶粒粗大，在隨后的層流冷卻過程中發(fā)生了魏氏組織和貝氏體轉變，造成了板帶的均勻性差異。

表5 缺陷卷和正常卷參數對比

為確保產品再生產的穩(wěn)定，結合分析結果，其工藝做如下調整：(1)關閉精軋F2機架間冷卻水，降低軋制速度與單位時間冷卻強度，降低板寬方向冷卻不均勻敏感度。(2)層冷模式由前段冷卻修改為后段冷卻，降低層冷水對冷卻不均敏感性。(3)適當降低錳含量，降低成分對冷卻的敏感性。對工藝調整后的產品進行跟蹤，輥壓制管時未再出現此類問題。

4 結論

本文對H40板材輥壓制造石油套管的外形缺陷成因進行了檢驗分析，所得結論如下。

(1)套管外形缺陷的原因是板材某些部位溫度偏高，以較快的速度冷卻產生了魏氏組織和貝氏體，導致其較正常部位硬度偏高，板材的均勻性產生差異和力學性能的不均，使得板料在輥壓過程中的塑性變形不協調，高硬度高強度區(qū)域在輥子作用下不能像正常區(qū)域一樣完成所要求的塑性變形程度，導致了不規(guī)則缺陷平面的形成。

(2)產線工藝調查產生魏氏組織和貝氏體的原因是為了提升產量而提高了精軋軋制速度和精軋機架次冷卻水量，進而導致終軋溫度和卷取溫度合格率降低所致，通過降低軋制速度和控制冷卻模式及適當降低鋼中錳含量等措施對產品進行了相關改進，避免客戶后續(xù)生產中此類問題的產生。