肖國章，高 霞，2，庫宏剛

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；

2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008）

隨著世界各國對(duì)天然氣、石油能源的需求日益增加，大量高酸性油氣田被勘探和開發(fā)，例如我國的川東北、川西南等油氣田為世界上少有的高酸性油氣田區(qū)塊，以及國外的中東地區(qū)南北帕斯、北美墨西哥灣等。

高酸性油氣田開采環(huán)境中含有較高Cl-、CO2、H2S、S0，常用的不銹鋼抗腐蝕管材已無法滿足此種油氣田的開采需求，故而采用了大量的耐蝕合金油套管尤其是鎳基耐蝕合金油套管。國內(nèi)使用的鎳基耐蝕合金油套管絕大部分依賴進(jìn)口，而寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）、天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡稱天津鋼管）、浙江久立集團(tuán)股份有限公司（簡稱浙江久立）等廠家在鎳基耐蝕合金油套管生產(chǎn)方面仍處于剛剛起步階段［1-3］。本文綜合國內(nèi)外研究成果，論述高酸性氣田用鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)及加工關(guān)鍵工藝，并提出未來研究方向。

1 鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)加工關(guān)鍵工藝

目前常用的鎳基耐蝕合金油套管鋼種主要有028（UNS N08028）、825（UNS N08825）、G3（UNS N06985）、050（UNS N06950）、C276（UNS N10276）等，主要化學(xué)成分見表1。國內(nèi)外生產(chǎn)鎳基耐蝕合金油套管的主要廠家有日本新日鐵住金公司（簡稱新日鐵）、法國V&M集團(tuán)、美國特殊金屬公司Special Metals（簡稱美國特鋼）、天津鋼管和寶鋼股份等廠家［4］。

表1 鎳基耐蝕合金用于井下油套管的極限使用環(huán)境和材料限制

鎳基耐蝕合金油套管相對(duì)于API標(biāo)準(zhǔn)耐腐蝕油套管，在化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝、外觀質(zhì)量、力學(xué)性能及無損探傷等方面較為復(fù)雜和苛刻［5-7］。

NACE MR 0175/ISO 15156-3 ∶2009 標(biāo)準(zhǔn)［8］列出了不同類別的高強(qiáng)度鎳基耐蝕合金用于井下油套管的極限使用環(huán)境，具體見表1。

鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)及加工關(guān)鍵工藝：合金冶煉—（鍛造）—熱擠壓—中間熱處理（固溶處理）—冷軋—管螺紋加工等。制造工序較復(fù)雜，生產(chǎn)難度較大且質(zhì)量要求嚴(yán)格。

1.1 鎳基耐蝕合金油套管用鋼的冶煉工藝

鎳基耐蝕合金主要有以下冶煉方法：①真空感應(yīng)爐—電渣重熔雙聯(lián)法，適合冶煉鎳基高鉬、高鎢以及含較高鋁、鈦的耐蝕合金；②真空感應(yīng)冶煉，適合冶煉含易氧化元素Al、Ti含量較低的鐵鎳鉻耐蝕合金；③中頻感應(yīng)爐—電渣重熔雙聯(lián)法，適合冶煉Si、C含量較高，不含Al、Ti元素的耐蝕合金；④電弧爐—爐外精煉—電渣重熔法，適合冶煉C含量較低，不含Al、Ti元素，有特殊要求的鐵鎳基耐蝕合金；⑤電弧爐—爐外精煉法，適合冶煉C含量較低，不含Al、Ti元素的鐵鎳基耐蝕合金［9］。

ISO 13680∶2010《石油天然氣工業(yè)用耐蝕合金油套管及接箍無縫管供貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，鎳基耐蝕合金應(yīng)采用氧氣頂吹或電弧爐工藝生產(chǎn)，再經(jīng)過AOD（氬氧脫碳）、VOD（真空氧氣脫碳）、VAR（真空電弧重熔）、ESR（電渣重熔）、VIM（真空感應(yīng)熔化）和 VAD（真空電弧脫氣）等精煉［6，10］。

根據(jù)鎳基耐蝕合金實(shí)物使用條件以及對(duì)質(zhì)量的要求，并結(jié)合生產(chǎn)成本等方面的考慮，通常選取真空感應(yīng)爐—電渣重熔雙聯(lián)法或者電弧爐—爐外精煉法的冶煉工藝。

真空爐與電弧爐這兩種冶煉工藝比較，在應(yīng)用方面，真空爐冶煉的耗損大、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)低、成本高，而電弧爐冶煉生產(chǎn)成本相對(duì)較低；在產(chǎn)品原始組織和質(zhì)量方面，真空爐冶煉的合金晶粒大、枝晶多，有時(shí)會(huì)因?yàn)槌煞植痪y以滿足正常的生產(chǎn)需要，而電弧爐冶煉的合金晶粒細(xì)小均勻而且質(zhì)量相對(duì)較好；因此，電弧爐冶煉技術(shù)必將成為耐蝕合金優(yōu)化冶煉工藝的首選［11-15］。

可以通過鍛造工藝控制加熱制度、鍛造火次、鍛造溫度等參數(shù)來消除冶煉后鑄錠的粗晶以及鍛坯的白斑、點(diǎn)狀偏析、環(huán)狀偏析等缺陷，把缺陷率降低至最低。除此之外，也可使用離心鑄造坯［16］。

1.2 管材的熱擠壓工藝

鎳基耐蝕合金高溫塑性極差，熱成型溫度范圍窄，變形抗力較大，所以無法采用傳統(tǒng)的穿孔軋制工藝制造，必須通過高溫下的高速率大應(yīng)變的擠壓工藝完成，將金屬加熱到在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行擠壓，使管坯從?？字袛D出，從而得到與模孔斷面形狀相符的管材。

熱擠壓過程中，管坯在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形，既解決了難變形金屬的鋼管成型，又可避免鋼管內(nèi)外表面由于張應(yīng)力引起的缺陷。因此，熱擠壓成型特別適合高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鎳基合金等管材的成型［17-18］。

鎳基合金擠壓工藝中主要控制坯料加熱溫度（尤其是預(yù)熱溫度）、擠壓力、擠壓速度等參數(shù)，以及潤滑和工模具設(shè)計(jì)。

擠壓力是熱擠壓工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，鎳基耐蝕合金擠壓過程中，擠壓力隨著擠壓軸的移動(dòng)逐漸變化，金屬開始從模孔流出時(shí)擠壓力達(dá)到最大值。影響擠壓力的因素主要有坯料狀態(tài)和擠壓工藝參數(shù)等。隨著溫度的升高，合金的流變應(yīng)力逐漸下降，變形更易發(fā)生，所以最大擠壓力隨著坯料預(yù)熱溫度的升高而降低。

在熱擠壓過程中，鎳基耐蝕合金在變形過程中同時(shí)發(fā)生加工硬化效應(yīng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，加工硬化在擠壓速度較小時(shí)起主要作用，擠壓力隨擠壓速度的增大而逐漸升高。當(dāng)擠壓速度大于150 mm/s時(shí)，再結(jié)晶軟化過程削弱了部分硬化作用。擠壓速度較大時(shí)，坯料的變形速度增加，變形功和摩擦熱也增加，導(dǎo)致坯料溫升明顯增大，合金塑性指標(biāo)增強(qiáng)，所需的擠壓力反而逐漸下降。

坯料的溫升主要取決于變形工件散熱能力和外界對(duì)變形體能量輸入之間的平衡關(guān)系。熱擠壓通常在近似于絕熱條件下進(jìn)行，擠壓速度越快，坯料與擠壓模具之間的接觸時(shí)間越短，兩者之間的換熱過程來不及進(jìn)行，熱變形功及摩擦生熱大部分被坯料吸收，因此鎳基耐蝕合金擠壓過程中坯料溫升顯著（超過70℃）。隨著坯料預(yù)熱溫度的增加，合金的屈服強(qiáng)度逐漸下降，塑性指標(biāo)提高，合金的流動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，變形更容易，擠壓強(qiáng)度和變形功逐漸降低；因此坯料的溫升也逐漸降低［19］。生產(chǎn)實(shí)踐證明，擠壓工藝中要考慮到坯料在擠壓過程中的溫升，防止坯料過燒，鎳基合金熱擠壓溫度區(qū)間應(yīng)控制在 1 050～1 150 ℃范圍內(nèi)［20］。

1.3 中間熱處理

ISO 13680∶2010規(guī)定，高鎳合金油套管金屬化合物相、氮化物、碳化物總量不應(yīng)超過1%，σ析出相不應(yīng)超過0.5%［6］。由于高鎳合金管成分的特殊性，經(jīng)過熱擠壓工序后，往往會(huì)出現(xiàn)沿晶界分布的第二相，如氮化物相、碳化物相、σ相等，這些析出相的出現(xiàn)會(huì)對(duì)材料的耐腐蝕性、塑韌性等產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，因此必須通過固溶處理工藝予以消除。此外，固溶處理還能夠起到消除加工硬化的作用，以便于冷軋工序的進(jìn)行。熱處理工藝中，固溶處理溫度一般為1 080～1 200℃，固溶處理的時(shí)間與材料形狀、尺寸有關(guān)。為獲得最佳的耐蝕性能，對(duì)冷卻方式和速率的選擇要合理。

1.4 冷加工工藝

鎳基合金的室溫強(qiáng)度很低（大約200 MPa），只能靠加工強(qiáng)化得到高鋼級(jí)的產(chǎn)品，但冷加工硬化程度越高，工藝控制難度就越大［21］。

一般來說，普通油套管的力學(xué)性能是通過熱軋（熱處理）工藝來保障的，而高鎳合金油套管通過冷軋來實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的提高。目前，825和G3等高鎳合金油套管一般采用冷軋的方式來控制管體的力學(xué)性能。采用冷軋方式成型的優(yōu)勢(shì)是：①可避免產(chǎn)生有害的第二相；②通過設(shè)置合理的軋制變形量，便可生產(chǎn)出強(qiáng)度高、沖擊韌性良好的產(chǎn)品；③產(chǎn)品尺寸精度高，表面質(zhì)量好，光潔度高。

隨著冷加工變形量的增加，鎳基合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均增加，伸長率降低，而屈強(qiáng)比是先增加后降低，說明變形量增加到一定程度，鎳基合金屈服強(qiáng)度的增加幅度將低于抗拉強(qiáng)度的增加幅度［20］。實(shí)踐證明，生產(chǎn)G3合金110 kpsi（1 kpsi=6.89 MPa）級(jí)油套管最后冷加工變形量應(yīng)以17%~28%為宜，125 kpsi級(jí)油套管的冷加工變形量采用30%~44%為宜；生產(chǎn)825合金110 kpsi級(jí)油套管最后冷加工變形量應(yīng)以30%~35%為宜，125 kpsi級(jí)油套管的冷加工變形量采用41%~45%為宜［22］。

1.5 螺紋加工工藝

鎳基耐蝕合金有著較好的韌性和較高的硬度，切削難度較大。鎳基耐蝕合金油套管的螺紋采用成型刀車削，且大都為非API螺紋，加工難度大。在螺紋切削加工過程中產(chǎn)生較高的切削熱量，并且容易出現(xiàn)“粘刀”現(xiàn)象，刀具磨損比較嚴(yán)重，車刀壽命比較短，即使采用材料特殊并進(jìn)行表面涂層處理的車刀，也只能加工3～5個(gè)合格螺紋；因此選用合適的刀具材料、合理的切削量和有效的刀具冷卻方式，是鎳基耐蝕合金油套管螺紋加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

鎳基耐蝕合金螺紋加工時(shí)一般選用硬質(zhì)合金刀具或PVD涂層硬質(zhì)合金工具，其中PVD涂層的最大優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度較低［23］。TiAlN涂層高溫合金刀具對(duì)鎳基耐蝕合金螺紋的車削最為有效［24］。

切削時(shí)一般采用低的切削速度，較大的進(jìn)給量，中等的背吃刀量（切削深度），保持進(jìn)給勻速不變，盡可能避免刀具切削刃在加工硬化層上切削。在螺紋質(zhì)量控制上，要及時(shí)掌握刀具的磨損情況，螺紋加工切削量分多次進(jìn)給，每次進(jìn)給完成后通過對(duì)螺紋進(jìn)行測(cè)量的方法進(jìn)而掌握刀具的磨損量，以確定下次進(jìn)給時(shí)的刀具補(bǔ)償量，逐次循環(huán)直到滿足螺紋尺寸要求為止［25］。

要提高刀具壽命，減小刀具磨損，提高螺紋表面的加工質(zhì)量，需對(duì)刀具進(jìn)行有效的冷卻，在螺紋加工區(qū)域及時(shí)充分地噴澆切削冷卻液。

2 未來研究方向

鎳基耐蝕合金油套管具有高合金化、制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度大及質(zhì)量要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，長期以來其制造技術(shù)被日本新日鐵、法國V&M集團(tuán)及美國特鋼等制造商所壟斷，且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，供貨周期長。國內(nèi)鎳基耐蝕合金油套管的研發(fā)及生產(chǎn)也在不斷發(fā)展與進(jìn)步，如寶鋼股份已有超過5年的應(yīng)用業(yè)績。國內(nèi)研究應(yīng)著重加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定控制，提高產(chǎn)品的加工效率和成材率；另外，腐蝕性能的研究可以作為一個(gè)長期的工作來開展。結(jié)合目前國內(nèi)對(duì)鎳基耐蝕合金油套管的開發(fā)現(xiàn)狀，建議從以下方面加強(qiáng)研究：

（1）冶煉工藝方面。鎳基耐蝕合金組織單一、合金元素多、冶煉工藝復(fù)雜，原料的成分和質(zhì)量對(duì)合金的組織、熱變形及耐腐蝕性能起著決定性作用，因此應(yīng)將提高合金冶煉工藝作為首要研究重點(diǎn)，從而嚴(yán)格控制合金元素含量，獲得低偏析、高質(zhì)量的坯料。

（2）加工工藝方面。鎳基耐蝕合金的熱擠壓工藝及冷加工工藝直接決定了最終的產(chǎn)品質(zhì)量，因此也是研究的一個(gè)重點(diǎn)。鎳基合金高溫強(qiáng)度高，高溫塑性差，應(yīng)將合金的高溫?zé)嶙冃涡袨椤⑾嘧円?guī)律、擠壓磨具的設(shè)計(jì)及潤滑等作為研究重點(diǎn)，不斷優(yōu)化加工工藝，加強(qiáng)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定控制。

（3）耐腐蝕性能方面。加強(qiáng)對(duì)耐蝕合金在模擬開采環(huán)境中的耐蝕機(jī)理研究，著力提高耐腐蝕性能評(píng)級(jí)能力，為選擇合理經(jīng)濟(jì)的鋼種提供理論依據(jù)。

（4）螺紋加工工藝方面。加強(qiáng)對(duì)螺紋加工工藝中切削刀具及切削工藝的研究，提高螺紋加工質(zhì)量及加工效率。

3 結(jié) 論

酸性油氣田用鎳基耐蝕合金油套管，其坯料冶煉最常用的工藝是電弧爐熔煉—?dú)逖趺撎肌娫厝郏还芘魃a(chǎn)需采用熱擠壓工藝，熱擠壓溫度區(qū)間應(yīng)控制在1 050～1 150℃；冷加工前需對(duì)管坯進(jìn)行固溶處理，處理溫度控制在1 080～1 200℃；使用冷軋工藝來提高管材強(qiáng)度，控制管體性能。國內(nèi)應(yīng)著重加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定控制、冶煉工藝、加工工藝、耐腐蝕及螺紋加工等的研究。

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