非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)高強(qiáng)度油管

1、非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)高強(qiáng)度油管摘要 隨著石油勘采工程發(fā)展和深化，油管用鋼要求向高強(qiáng)度(即高鋼級(jí))和特殊用途方向發(fā)展。應(yīng)用現(xiàn)有條件生產(chǎn)必然使工藝裝備復(fù)雜、技術(shù)難度增大，成本偏高。 本文主要介紹我國八十年代研制開發(fā)的非調(diào)質(zhì)鋼(原用于汽車零件)，應(yīng)用到石油工業(yè)專用管材“高強(qiáng)度油管”是種新嘗試，效果顯著有廣闊發(fā)展前途。關(guān)鍵詞 非調(diào)質(zhì)鋼 高強(qiáng)度油管 熱處理 1前言 石油油管是石油勘采工程中主要器材之一，是專用材料。由套管、油管和鉆桿管為主體的管材統(tǒng)稱為油井管； 油管在油井采集過程中作為石油、天然氣由井底輸送到地面的管道用管。使用量大，約占油井管總消耗量的1/41/5，每年需求量數(shù)十萬噸。 由于地質(zhì)和油層構(gòu)造情況

2、和條件的不同，石油(即原油)生存狀態(tài)差異較大。石油往往是由油、氣與水共存。有的油質(zhì)較稀清澈如水；有的渾濁呈褐色，粘稠如泥漿；有的高溫(200250)，高壓(壓力高達(dá)數(shù)百大氣壓)自噴能力極強(qiáng)；有的常溫低壓流動(dòng)性極差，必須依靠抽油機(jī)抽吸提??；也有的含有大量C02、Cl離子或H2S等腐蝕性特強(qiáng)的介質(zhì)，狀況不一。 采油過程有時(shí)還需要作井下技術(shù)處理；利用油管進(jìn)行注水、酸化、壓裂或井下加熱等。 油井井深程度不同；有淺井、深井或超深井之分。然而原油(氣)采集輸送均使用油管管道和螺紋連接法。因此，油管不僅應(yīng)有足夠的剛性、強(qiáng)度和連接性，必須有良好的密封性、耐磨損和抗腐蝕等性能。特殊條件下工作的油管還需有特殊技術(shù)

3、條件和性能要求。 輸送介質(zhì)復(fù)雜、工作條件惡劣，對(duì)油管提出苛刻的技術(shù)條件和嚴(yán)格的材質(zhì)要求。國內(nèi)已有幾家油井管生產(chǎn)廠均能按API規(guī)范批量生產(chǎn)油管。每年供應(yīng)量約占需求量的4050，缺口較大。多數(shù)是小規(guī)格、低鋼級(jí)和V型螺紋為主體。已逐漸不能滿足深井、超深井和特殊情況采集的要求。研制生產(chǎn)高強(qiáng)度和特殊用途油管已勢(shì)在必行。目前主要依靠進(jìn)口。 高強(qiáng)度(即高鋼級(jí))油管采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和特殊熱處理法生產(chǎn)，必然會(huì)使工藝裝備復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本偏高。 非調(diào)質(zhì)鋼(CT80)是由本公司結(jié)合35MnVN鋼經(jīng)試驗(yàn)研究研制而成改進(jìn)型鋼號(hào)。適用于生產(chǎn)制造高強(qiáng)度油管。CT80鋼由電爐冶煉、LF爐外精煉、VD脫氣，連鑄成

4、 300mm2方坯，連軋成 95mm管坯。2非調(diào)質(zhì)鋼(CT80)的化學(xué)成份、力學(xué)性能、金相組織及物理參數(shù)21 化學(xué)成份表1 非調(diào)質(zhì)鋼CT80化學(xué)成分()(設(shè)定值)鋼號(hào)CSiMnPSVNCT800.30/0.400.20/0.401.20/1.700.0300.0300.10/0.200.010注：CT80鋼由本公司參考汽車零件用非調(diào)質(zhì)鋼研制而成，適用于生產(chǎn)高強(qiáng)度N80級(jí)油管。22 化學(xué)性能表2 非調(diào)質(zhì)鋼CT80力學(xué)性能（規(guī)定值）試樣狀態(tài)b(Mpa)s(Mpa)5(%)(%)Akv(J)HB熱 軋84054016455025623 金相組織非調(diào)質(zhì)鋼CT80的金相組織：鐵素體+珠光體+V（CN）化

5、合物。24 物理參數(shù)24.1 臨界點(diǎn)表3 CT80的鋼相轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度臨 界 點(diǎn)Ac1Ac3Ar1Ar3溫度（ºC）73581864073024.2彈性模數(shù)E=198000N/mm224.3膨脹系數(shù)=1.54×10-6mm/mmºC(20550ºC升溫時(shí))24.4脆性轉(zhuǎn)變溫度表4 CT80鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)溫度（ºC）200-20-40-60Akv(J)71.368.562.721.312.625 CT80鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)25.1 熱加工（熱軋） 加熱溫度T=12001250ºC 開軋溫度T=11601200ºC 終軋溫度T=10

6、501100ºC25.2冷卻方式：（軋后空冷或堆冷）25.3冷加工（冷拔）熱處理溫度T=7601050ºC（依據(jù)鋼管強(qiáng)度要求作適當(dāng)選擇調(diào)整）3CT80鋼的工藝特點(diǎn)31 CT80鋼化學(xué)成份中碳元素含量較低。碳和錳元素含量與37Mn5鋼接近、并含有微量V、N元素。物理性能與37Mn5鋼相似。因此，管坯加熱制度及生產(chǎn)工藝規(guī)程可參照37Mn5鋼研制設(shè)定。32 該鋼中含有C、N元素、經(jīng)過軋制、拉拔和冷卻過程，使碳化物或氮化物彌散析出。從而起到強(qiáng)化和晶粒細(xì)化作用，使材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性等綜合力學(xué)性能得到明顯提高。33 該鋼在冷拔過程（即冷加工）應(yīng)變硬化程度低，有較好的可塑性，適宜

7、于大變形量或連拔加工。既簡化了拉拔工藝，又降低了成本。 34 CT80鋼種適宜于控溫、控冷和控制變形量等方法加工。使材質(zhì)（管材）無需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理即可達(dá)到要求的性能。簡化生產(chǎn)工藝，改善環(huán)保條件。4高強(qiáng)度N80級(jí)油管生產(chǎn)技術(shù)條件。41化學(xué)成份：僅作S及P要求各0.030%42材質(zhì)鋼級(jí)：務(wù)必符合API Spec 5CT規(guī)范 +1.0%43尺寸精度；D t±10%-0.2%；44長度：9.5m+0.2m45 保證鋼管單根重量偏差（+6.5% -3.5%）及內(nèi)徑尺寸。46力學(xué)性能：高強(qiáng)度N80級(jí)油管力學(xué)性能必須符合下列規(guī)定。b689Mpas=552758Mpa516%47 應(yīng)有均勻穩(wěn)定性能和優(yōu)

8、質(zhì)的表面。48 高強(qiáng)度油管產(chǎn)品(包含管端與接箍螺紋等)均應(yīng)符合API Spec 5CT 及5B規(guī)范規(guī)定。49 高強(qiáng)度N80級(jí)油管生產(chǎn)工藝技術(shù)。5 由非調(diào)質(zhì)鋼（CT80）生產(chǎn)高強(qiáng)度N80級(jí)油管和用42MnMo7鋼作生產(chǎn)工藝技術(shù)比較。51 加熱制度表5 95mm管坯加熱溫度和時(shí)間規(guī)定鋼 號(hào)管坯規(guī)格（mm）予熱溫度（ºC）加熱溫度（ºC）出爐溫度（ºC）加熱時(shí)間（分）CT8095900118012001200±20758542MnMo795900116011801200±209095注：42MnMo7為德國推薦生產(chǎn)高強(qiáng)度油管（N80級(jí)）用鋼52 管坯

9、切斷長度CT80鋼95mm管坯長度1.80m42MnMo7鋼95mm管坯長度1.92m53 熱穿軋后鋼管（管料）長度CT80鋼105×7.5mm 鋼管（管料）長度為5.44m 42MnMo7鋼105×8.0mm鋼管（管料）長度為5.47m54 熱穿孔工藝制度（壓下量分配）表6 95mm管坯熱穿孔軋制表的設(shè)定鋼 號(hào)鋼管（管料）尺寸（mm）軋輥距(mm)導(dǎo)板距(mm)壓下量(mm)頂頭直徑(mm)頂桿直徑(mm)延伸率（）CT80105×7.5819015%89803.0242MnMo7105×8.0818915%89802.8555 冷拔工藝制度55.1

10、105×7.5mm CT80 管料生產(chǎn)73×5.51mm×9.7m,N80級(jí)油管表7 （105×7.5mm CT80 管料生產(chǎn)73×5.51mm×9.7m,N80）油管拔制表道次鋼管（管料）尺寸（mm）主要中間工序截面積（mm2）延伸系數(shù)（）拉力（t）單位重量（kg/m）長度（m）0105×7.5打頭、酸洗22960018035.44195×7.7連拔211110882416585.66286×6.75退頭、酸洗168012576013197.06380×5.75連拔13411253481053

11、8.70473.5×5.35正火114511712889910.1455.2 105×8.0mm42MnMo7管料生產(chǎn)73×5.51mm×9.7m,N80級(jí)油管表8 （105×8.0mm42MnMo7管料生產(chǎn)73×5.51mm×9.7m,N80）油管拔制表道次鋼管（管料）尺寸（mm）主要中間工序截面積(mm2)延伸系數(shù)（）拉力（t）單位重量（kg/m）長度（m）0105×8.0打頭、退火、酸洗25620020.125.301102×7.25退火、酸洗21571.1887016.945.85289×

12、;6.5退火、酸洗16841.2818013.227.30380×6.0退火、酸洗13941.2085010.958.60473.5×5.35正火+回火11451.218438.9910.2055.3 熱處理制度表9 73×5.51mmN80級(jí)油管熱處理制度鋼號(hào)成品管尺寸（mm）管料處理中間管熱處理成品管熱處理CT8073×5.51_830860ºC×30分880920ºC正火30分42MnMo773×5.51800850ºC×50分830860ºC×40分880920

13、86;C正火30分700750ºC回火60分56 油管螺紋技術(shù)要求 油管管端和接箍螺紋加工屬于金屬切削機(jī)械加工技術(shù)，這里不作詳細(xì)介紹。油管和接箍螺紋由專用金屬切削加工機(jī)床和專門螺紋切削成型刀刃（梳刀或單齒刀片）進(jìn)行數(shù)控程序操作加工，獲得連接強(qiáng)度高、密封性能好優(yōu)質(zhì)螺紋（精確齒型尺寸、光潔螺紋表面）。管螺紋尺寸、型狀和技術(shù)條件均應(yīng)符合API Spec 5CT及5B規(guī)范規(guī)定。6檢測結(jié)果61 熱軋鋼管（管料）檢查表10熱軋鋼管（管料）質(zhì)量檢測鋼 號(hào)鋼管（管料）尺寸（mm）缺陷原因（%）綜合合格率（%）折迭（導(dǎo)板）擦傷裂紋軋卡小計(jì)CT80105×7.50000010042MnMo71

14、05×8.03.24.12.03.512.887.262 冷拔鋼管（平端光管）檢查 表11 冷拔鋼管（平端光管）質(zhì)量檢測鋼級(jí)(鋼號(hào))鋼管尺寸(mm)綜 合 檢 查臺(tái)檢合格探傷合格總檢量(支)總合格量(支)(%)合格量(支)(%)合格量(支)(%)N80(CT80)73×5.51×9.7m1110104794.32106796.13104798.13N80(42MnMo7)73×5.51×9.7m7700579075.19629481.74579091.9963 73×5.51×9.7m,N80(CT80)冷拔高強(qiáng)度油管尺寸檢

15、查結(jié)果。63.1鋼管外徑檢查結(jié)果如圖（1）+0.1%73mm max=73.73mm -0.2% mim=72.85mm =0.88mm65.1接箍機(jī)械性能（CT80）如表17所示。表17 N80級(jí)（CT80）接箍機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果試樣號(hào)抗拉強(qiáng)度b(Mpa)屈服強(qiáng)度S（Mpa）延伸率5（%）1號(hào)789630222號(hào)825637208APISPEC-5CT規(guī)定689552/75814.5檢測結(jié)果不難看出b值比規(guī)定值高出14.5%，s值高出14%以上，5值高出43%以上。65.2接箍沖擊性能如表18所示。表18 N80級(jí)（CT80）接箍沖擊性能檢驗(yàn)結(jié)果試樣號(hào)試樣尺寸（mm）試驗(yàn)溫度（ºC）

16、AKV值（J）123平 均1號(hào)10×10×550140135135136.72號(hào)10×10×550135150150145API SPEC-5CT規(guī)定10×10×55040404040由表中明顯看出沖擊性能較規(guī)定值高出2.4倍以上。66 管端螺紋（外螺紋）檢查結(jié)果如表19所示67 接箍螺紋（內(nèi)螺紋）檢查結(jié)果如表20所示 表19 管端螺紋（外螺紋）檢查結(jié)果（mm）管號(hào)NO緊密距螺距偏差錐度齒高偏差L4螺紋總長度t管壁厚度D管外徑370379-0.10-0.40+0.013+0.02563.062.00052.652.35.565.51合

17、格合格363368-0.20-0.200+0.01362.063.0+0.013+0.01352.552.45.555.43合格合格377374-0.46-0.28+0.013+0.01363.063.0+0.01+0.01352.252.45.555.51合格合格392393-0.06+0.32+0.013+0.01363.562.0+0.013+0.02553.552.45.505.41合格合格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定-0.20±3.81±0.07662.5+5.2-2.6+0.051-0.10252.4±3.815.514.8273±0.79表20 接箍螺紋(內(nèi)螺

18、紋)檢查結(jié)果管號(hào)No緊密距(mm)螺距偏差(mm)錐度(mm/m)齒高偏差(mm)NL接箍長度(mm)J值(mm)W接箍外徑(mm)3703796.105.80-0.013+0.01363.063.0-0.051-0.038132.1132.212.612.4合格合格3633685.425.48-0.013-0.01363.062.5-0.038-0.038132.2132.212.512.0合格合格3773744.765.38+0.013+0.01363.564.0-0.051-0.038132.0132.110.112.2合格合格3923935.305.60+0.013+0.01363.063.5-0.025-0.025132.4132.211.912.3合格合格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定5.40±3.81±0.07662.5+5.2-2.6+0.051-0.102130.2(12.7)(參數(shù)值)889±0.89注J值-管端手緊面位置到接箍中心面位置。7小結(jié)：71 各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)和性能指標(biāo)均符合API SPEC-5CT和5B規(guī)范要求。產(chǎn)品材質(zhì)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好。證明CT80非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)N80級(jí)高強(qiáng)度油管是成功的，設(shè)計(jì)工藝流程是可行的、規(guī)程制度是合適的，已具備批量生產(chǎn)的能力。72 該鋼種有許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)；簡化生產(chǎn)工藝，改善生產(chǎn)環(huán)境。含微量合金元