馮建昶，趙 光，牟永勝

(1.辛集市澳森鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河北 辛集 052300；2.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 0630163；3.臨沂市特種設(shè)備檢驗(yàn)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(guò)程及完井后油氣正常運(yùn)行的重要部件，其在井下受拉、壓、彎、扭等復(fù)雜應(yīng)力作用，是維持油氣井運(yùn)行的生命線，因此對(duì)管體質(zhì)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(zhì)，近期生產(chǎn)的一批H40熱軋板材，在用戶處輥壓制造石油套管過(guò)程中出現(xiàn)了外形缺陷，從現(xiàn)場(chǎng)取缺陷卷的原板和一段缺陷套管進(jìn)行檢驗(yàn)，并結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析確定產(chǎn)生缺陷的原因。

1 輥壓制管外形缺陷基本情況

本次出現(xiàn)問題的熱軋H40板材厚度為8.7 mm，客戶輥壓生產(chǎn)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(shù)控切斷，外形缺陷出現(xiàn)的工序?yàn)檩亯汗ば?，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(chǎn)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(xiàn)了不規(guī)則的平面缺陷，而且缺陷位置隨機(jī)出現(xiàn)，并不是在焊管的某個(gè)固定區(qū)域。通過(guò)與客戶溝通了解到此規(guī)格套管的輥壓線生產(chǎn)工藝較之前未作改動(dòng)，同時(shí)使用之前批次相同規(guī)格的H40板材進(jìn)行生產(chǎn)，所產(chǎn)套管未出現(xiàn)外形缺陷，因此可以排除該缺陷是由客戶設(shè)備原因造成的。為分析外形缺陷產(chǎn)生原因，從現(xiàn)場(chǎng)取回缺陷卷原板和存在缺陷的一段套管(見圖2)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

圖1 輥壓制管出現(xiàn)的外形缺陷

(a)缺陷卷原始板料

2 缺陷樣品檢驗(yàn)分析

2.1 取樣位置及試驗(yàn)方法

檢驗(yàn)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(gè)，4個(gè)橫向4個(gè)縱向，用于檢驗(yàn)板料不同部位力學(xué)性能差異，樣品加工按照《GB/T 228.1-2021金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫拉伸試驗(yàn)方法》和《GB/T 232-2010金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行，樣品的形狀和尺寸如圖4所示，拉伸試驗(yàn)在上海三思縱橫科技股份有限公司的WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，彎曲試驗(yàn)采用長(zhǎng)春第一材料試驗(yàn)機(jī)廠的QE-106液壓彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。同時(shí)取成分樣品1個(gè)，分析板料的化學(xué)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(duì)比不同部位組織和硬度差異，金相檢驗(yàn)按照《GB/T 13298-2015 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，設(shè)備為德國(guó)蔡司AXIO Vert.A1金相顯微鏡，硬度測(cè)試選用洛氏硬度，標(biāo)準(zhǔn)為《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》，試驗(yàn)設(shè)備為萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司的HBRV-187.5洛氏硬度計(jì)。

(a)

(a)拉伸樣品尺寸(R表示直徑)

2.2 化學(xué)成分

缺陷卷板料的內(nèi)控及實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表1所示，其各元素含量的實(shí)測(cè)值均在內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，化學(xué)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(duì)所取樣品的拉伸和彎曲性能進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(gè)部位的拉伸性能均滿足企業(yè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲性能的結(jié)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(guò)程中套管外形缺陷的位置存在隨機(jī)性，也就是說(shuō)并非板料的所有位置均存在問題，現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)結(jié)果

表3 缺陷卷板料彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.4 洛氏硬度

為進(jìn)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(jìn)行硬度檢驗(yàn)，取樣位置見圖3，硬度標(biāo)尺選用洛氏硬度HRBW，壓頭選用1.5875 mm硬質(zhì)合金球，總試驗(yàn)力980.7 N，其適用范圍為20～100 HRBW，每個(gè)位置測(cè)試3個(gè)有效數(shù)據(jù)，其結(jié)果列于表4中。表4數(shù)據(jù)表明缺陷位置的硬度值明顯高于正常部位，說(shuō)明缺陷位置處和正常位置處的力學(xué)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(yàn)

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(nèi)表面5個(gè)位置的縱向金相組織進(jìn)行對(duì)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(shí)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(nèi)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(nèi)生長(zhǎng)，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(zhuǎn)變之前的奧氏體晶粒[2]。魏氏組織中鐵素體形成機(jī)制為切變機(jī)制，其同貝氏體中的鐵素體轉(zhuǎn)變機(jī)制類似，樣品會(huì)出現(xiàn)浮凸現(xiàn)象[3]。轉(zhuǎn)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(xué)位向關(guān)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(wǎng)狀鐵素體，然后再?gòu)木W(wǎng)狀鐵素體平行地向晶內(nèi)長(zhǎng)大。當(dāng)鐵素體在魏氏組織中形成時(shí)，碳就從鐵素體中擴(kuò)散到兩側(cè)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(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w[4]。魏氏組織中的鐵素體可認(rèn)為就是無(wú)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(xué)性能，也就是更高的硬度和強(qiáng)度，組織上與2.4節(jié)的硬度檢驗(yàn)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)對(duì)原始板料和缺陷套管的檢驗(yàn)結(jié)果可以分析出板料的某些區(qū)域在寬度方向上存在力學(xué)性能差異，力學(xué)性能的不均使得板料在輥壓過(guò)程中的塑性變形不協(xié)調(diào)，高硬度高強(qiáng)度區(qū)域在輥?zhàn)幼饔孟虏荒芟裾^(qū)域一樣完成要求的塑性變形程度，導(dǎo)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(qiáng)度特性是由于魏氏組織和貝氏體等硬化組織出現(xiàn)所致，這兩種組織形成均需要較快的冷卻速度，需要分析產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)查找原因進(jìn)而改進(jìn)。

3 產(chǎn)線調(diào)查分析及改進(jìn)措施

材料的成分符合企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，因此產(chǎn)線調(diào)查略過(guò)煉鋼及之前工序，從熱軋進(jìn)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(jī)架粗軋-精軋水除磷-6機(jī)架精軋-冷卻-卷取。選取之前生產(chǎn)的一個(gè)正常卷和此批次的一個(gè)缺陷卷進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于此批次的H40鋼種，其冷裝時(shí)間≥30 min，均熱時(shí)間>25 min，駐爐時(shí)間在(163，256)min范圍內(nèi)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，除磷及冷卻模式均采用自動(dòng)模式，同其他批次同規(guī)格產(chǎn)品無(wú)差異，定寬及粗軋參數(shù)也未作相關(guān)改動(dòng)。二者的差異在于為了提高產(chǎn)量將原來(lái)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(jìn)行了相應(yīng)調(diào)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(gè)參數(shù)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(guò)程中發(fā)生了魏氏組織和貝氏體轉(zhuǎn)變，造成了板帶的均勻性差異。

表5 缺陷卷和正常卷參數(shù)對(duì)比

為確保產(chǎn)品再生產(chǎn)的穩(wěn)定，結(jié)合分析結(jié)果，其工藝做如下調(diào)整：(1)關(guān)閉精軋F(tuán)2機(jī)架間冷卻水，降低軋制速度與單位時(shí)間冷卻強(qiáng)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(duì)冷卻不均敏感性。(3)適當(dāng)降低錳含量，降低成分對(duì)冷卻的敏感性。對(duì)工藝調(diào)整后的產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，輥壓制管時(shí)未再出現(xiàn)此類問題。

4 結(jié)論

本文對(duì)H40板材輥壓制造石油套管的外形缺陷成因進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，所得結(jié)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(chǎn)生了魏氏組織和貝氏體，導(dǎo)致其較正常部位硬度偏高，板材的均勻性產(chǎn)生差異和力學(xué)性能的不均，使得板料在輥壓過(guò)程中的塑性變形不協(xié)調(diào)，高硬度高強(qiáng)度區(qū)域在輥?zhàn)幼饔孟虏荒芟裾^(qū)域一樣完成所要求的塑性變形程度，導(dǎo)致了不規(guī)則缺陷平面的形成。

(2)產(chǎn)線工藝調(diào)查產(chǎn)生魏氏組織和貝氏體的原因是為了提升產(chǎn)量而提高了精軋軋制速度和精軋機(jī)架次冷卻水量，進(jìn)而導(dǎo)致終軋溫度和卷取溫度合格率降低所致，通過(guò)降低軋制速度和控制冷卻模式及適當(dāng)降低鋼中錳含量等措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，避免客戶后續(xù)生產(chǎn)中此類問題的產(chǎn)生。