申 鵬，高旭東，陳建偉

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

1 引言

由于世界石油供應形勢日趨嚴峻，一些地質和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田相繼開發(fā)，鉆井和完井新技術、新工藝陸續(xù)投入使用，從而導致油井管服役條件日益復雜和嚴酷。C110套管產品作為抗硫化氫系列管材，是API 5CT標準第九版新增的鋼級，為公司近年重點開發(fā)的抗腐蝕類套管產品，利潤較高，市場前景廣闊。由于產品理化性能要求嚴格，且要求逐支鋼管兩端做硬度試驗，因此工序復雜，生產難度較大，熱處理一次合格率較低（7#熱處理線生產初期熱處理一次合格率僅有88%左右），給合理安排生產及合同的順利執(zhí)行帶來極大的困難。因此提高熱處理一次性能合格率成為了進一步提升C110套管生產能力的關鍵。

2 C110鋼級套管產品分析

C110鋼級套管產品要求包括：制造工藝及熱處理方式、矯直、化學成分、力學性能、硬度、淬透性、晶粒度、硫化氫應力開裂試驗、生產制造中的控制要求等。其中與熱處理生產相關的要求主要包括以下幾點。

2.1 力學性能

API 5CT第九版標準[1]中以Rt0.7作為C110鋼級的屈服強度值，其要求為758～828 MPa，僅有70 MPa范圍；抗拉強度要求為≥793 MPa。由于國內外眾多研究表明，屈服強度高極易導致抗硫鋼管的SSC試驗通過率過低[2]，因此C110套管的公司內控屈服強度上限已逐步壓低至800 MPa，42 MPa的屈服強度范圍也使C110套管成為力學性能要求最為嚴格的產品。

此外，標準要求全尺寸沖擊功橫向≥20J，縱向≥41J，且按ASTM E23標準要求剪切面積≥75%。硬度逐支兩端取樣試驗，要求≤30HRC，硬度變化≤3.0HRC。

2.2 淬透性

標準要求C110套管的淬火態(tài)平均硬度值由下式確定，相對應于95%馬氏體的最小硬度：

HRCmin=59×（C%）+29

從之前生產的TP110S鋼級套管的淬透性數據看，完全可以達到最小硬度要求，但鋼管的淬透性與產品的抗硫化氫性能密切相關，因此實際生產中，對于淬火后鋼管的要求不能僅限于滿足最小硬度，同時也需要盡量得到均勻穩(wěn)定的淬火組織。

2.3 矯直溫度

標準要求C110套管矯直出口溫度不低于規(guī)定的最終回火溫度（649℃）165℃的條件下旋轉矯直，即矯直后溫度≥484℃。因為硫化氫對應力作用非常敏感，只有有效地控制矯直溫度，才能有效減少殘余應力，使得抗硫化氫性能得到保證。

2.4 化學成分

API 5CT標準中對于C110鋼級的成分（質量百分比%）要求如表1所示：

表1 C110化學成分要求（wt%）

3 C110套管熱處理工藝研究

3.1 目前使用的成分

通過對之前生產TP110S鋼級套管產品的性能及所采用鋼種成分進行跟蹤驗證，技術中心人員在其基礎上對部分成分進行微調，逐步淘汰了2014年使用的27CrMo27s及27CrMo27s/1鋼種，2015年后C110套管均采用了27CrMo47Vs的鋼種，其化學成分如表2所示：

該鋼種對比原鋼種，Cr成分提升明顯（27CrMo27s鋼種要求Cr含量為0.45～0.60%，其AC3溫度為837℃左右，臨界冷卻速度為50～60℃/s），這極大地提高了淬透性，從而保證了回火后的性能穩(wěn)定。

3.2 淬火加熱溫度的確定及改進

圖1為27CrMo47Vs鋼種的CCT曲線，其AC3溫度為853℃左右，臨界冷卻速度為25～30℃/s。

C110套管性能要求極為嚴格，為保證性能穩(wěn)定，采用一次細化晶粒預調質處理，之后進行第二次調質處理。細晶預處理的目的是使鋼管的晶粒及組織更加均勻，為之后的調質處理打好基礎，因此溫度的選擇要求并不嚴格，實際生產中，采用940℃淬火充分奧氏體化+650℃回火的工藝。

圖1 27CrMo47Vs連續(xù)冷卻轉變（CCT）曲線

C110套管熱處理工藝的選擇難點在于細晶預處理后的調質處理工藝如何確定。通過對鋼種進行分析，結合7#熱處理線現場設備情況，生產初期，將200.03×10.92 mm規(guī)格的C110套管淬火溫度確定為900℃，使鋼管充分奧氏體化的前提下，既保證了淬火前鋼管實際溫度高于AC3溫度，又不至于奧氏體化溫度過高，增大晶粒長大傾向。高溫爐生產節(jié)拍為95秒（由于水淬火設備所限，95秒為最低節(jié)拍），鋼管到溫后的保溫時間為20分鐘左右。采用此工藝實際生產淬火后硬度（HRC）如表3所示：

經過實際生產驗證，采用此淬火溫度，鋼管淬火后硬度雖然可以達到標準要求（44.9HRC），但噴淬尾端明顯硬度均勻性要差很多，且有兩個點明顯偏低，這樣的淬火性能勢必造成回火后鋼管兩端性能差異，對于性能要求嚴格的C110套管，這樣的差異是難以容忍的。且期間生產產品出現SSC試驗失敗的情況，經分析與淬火不均勻有關。

因此，提高淬火溫度成為淬火均勻性的有效手段，經過考慮，將淬火溫度提高至920℃，并確定為C110套管的淬火溫度。采用此工藝淬火的鋼管，其兩端硬度值明顯均勻，數值如4所示：

3.3 淬火參數的選擇

從圖1曲線來看，27CrMo47Vs鋼種的臨界冷卻速度為25～30℃/s，淬透性較好，常規(guī)的淬火參數可保證達到完全淬透的要求，因此淬火參數的選擇應更傾向于保證淬火后幾何尺寸及設備穩(wěn)定。

表2 27CrMo47Vs化學成分，質量百分比%

表3 900℃淬火后硬度（HRC）

表4 920℃淬火后硬度（HRC）

經過現場調整，將內外噴流量分別控制在800 m3/h及1 000 m3/h左右，可保證鋼管淬火后具有良好的幾何尺寸，經過測量，冷卻速度可達到80～100℃/s，完全可滿足淬火要求。

3.4 回火工藝的選擇

為滿足C110套管的各項力學性能指標，不斷調整回火溫度和節(jié)拍，具體調整方案以及其主要力學性能參數如表5所示：

表5 回火工藝調整及力學性能

生產初期，采用728℃的回火溫度，配合高溫爐節(jié)拍，采用93秒的回火節(jié)拍，小批量生產后，結果屈服強度在 780～808 MPa，硬度普遍在 26～28.5HRC，屈服強度偏上限，但硬度過高，雖不至于超標準要求，但根據之前的研究，如此高的硬度下，SSC的合格率難以保證。為降低硬度，之后調整回火工藝，將高低溫爐節(jié)拍分別提高到115″、113″，試生產兩爐，屈服強度及硬度有所下降，但仍偏高（屈服強度 772～800 MPa；硬度 25.5～28.2HRC）。

總結前面的生產經驗，我們發(fā)現，由于7#熱的探傷設備所限，探傷速度較慢，以200.03×10.92 mm規(guī)格為例，單支管探傷時間大概為90秒，加上探傷前后運送鋼管的時間，將超過100秒，加之四小時一次的校驗樣管時間及修磨鋸切的時間，平均下來，單支鋼管需要120秒以上，超過高低溫爐節(jié)拍，因此經常造成整個生產線壓滿管，不得不暫停裝爐，為探傷留出時間，以致于破壞裝爐連續(xù)性，造成部分批次性能波動較大。為避免這種影響，加上之前生產屈服強度普遍偏高，決定調整工藝，將兩爐節(jié)拍增加到130″、128″，在之后的近三個月時間里，采用此工藝制度工生產47爐，全部為200.03×10.92 mm規(guī)格，屈服強度比較理想，大多在770～790 MPa范圍內，硬度大多低于28HRC。在此期間生產的產品，出現4爐SSC實驗失敗，其中一爐掛樣僅19小時即斷裂。

為保證淬火均勻性而提高淬火加熱溫度后，回火溫度同樣也需要相對調整。淬火溫度提高到920℃，以保證淬火效果及合金元素的充分固溶，鑒于屈服強度偏低，將回火溫度降低2℃，調整到726℃，節(jié)拍仍然保持130″及128″。此后一個月內共生產21爐，拉伸性能較為理想，普遍為770～790 MPa，穩(wěn)定性顯著提高，在此期間出現一爐SSC實驗失敗。

夏季的時候，淬火水溫度及爐溫控制系統(tǒng)精度均有不同程度的波動，其中淬火水溫度提升尤其明顯，達到30℃左右，較之年初的22℃，對于鋼管淬火影響顯著。針對季節(jié)性的生產條件變化，工藝制度也應作出相應改變，將回火溫度降低到722℃，并且針對現場情況，制定出該產品的標準化操作方法，嚴格控制設備參數，穩(wěn)定爐壓、側墻溫度、水淬流量壓力等參數，采用此工藝生產了將近2個月，結果比較理想，C110套管的月均合格率達到96%以上。

3.5 硫化氫應力腐蝕（SSC）試驗

到目前為止，7#熱處理線生產的C110套管，共出現5爐SSC試驗失敗，具體明細如表6所示：

表6 SSC試驗失敗明細

5批SSC失敗批次從力學性能結果看，屈服、抗拉強度，硬度高低對比，并未發(fā)現絕對規(guī)律，而初步懷疑夾雜物對其影響較為明顯，待后續(xù)生產時進一步驗證。

4 結論

（1）對于27CrMo47Vs鋼種，為保證其性能穩(wěn)定性及SSC試驗的合格率，宜采用較高的淬火溫度。

（2）增加回火保溫時間，有利于性能穩(wěn)定性的提高，并且能夠降低硬度，從而提高SSC合格率。

（3）對于 7#熱處理線而言，920 ℃×130″水淬火+726℃×128″回火的熱處理制度較為成熟，成功地將C110套管熱處理一次性能合格率從生產之初的88%提高到96%以上，效果明顯。

[1]套管和油管規(guī)范API SPEC 5CT（第九版）[S].2012.1.1

[2]畢永德，許文妍，趙游云.抗硫化氫應力腐蝕石油套管系列產品的開發(fā)與應用[J].天津鋼管，2005，23-26.