P110鋼級(jí)光管產(chǎn)品研制開發(fā)*

王金海，尚 明

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711）

1 前言

石油套管作為采油設(shè)備中不可缺少的管材，一直受到石油行業(yè)和鋼管生產(chǎn)企業(yè)的重視。特別像中石化和中石油這些石油行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，一直都采用供應(yīng)商先評(píng)定、后采購的原則。山東壽光巨能特鋼有限公司是一家集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、鋼管于一體的特鋼企業(yè)，具有管坯和鋼管生產(chǎn)能力。巨能特鋼為中石油和中石化的一級(jí)供應(yīng)商，但進(jìn)入鋼管行業(yè)僅3 a時(shí)間，僅向兩家大型石油企業(yè)供應(yīng)大量的低鋼級(jí)鋼管J55，而從未供應(yīng)像進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理附加值高的P110鋼級(jí)等鋼管。在國內(nèi)市場上P110鋼級(jí)產(chǎn)品用量大，巨能特鋼決定開發(fā)P110鋼級(jí)光管。本著降低成本以及技術(shù)儲(chǔ)備的考慮，對(duì)P110鋼級(jí)采用25Mn2V進(jìn)行工廠化試驗(yàn)生產(chǎn)。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)應(yīng)符合API5CT要求［1］。為保證用戶車削需求，產(chǎn)品外形加嚴(yán)控制要求。外徑由API 5CT要求的-0.5%D～+1%D（D為管體名義外徑）加嚴(yán)至+0～+1%D；壁厚由API標(biāo)準(zhǔn)要求的管體壁厚公差為-12.5%t（t為管體名義壁厚），加嚴(yán)至±10%t。美國API標(biāo)準(zhǔn)中要求鋼管采用一種或多種方法檢測內(nèi)、外表面縱向和橫向缺陷，P110驗(yàn)收水平L4，巨能特鋼將驗(yàn)收級(jí)別控制在L2水平。

2.2 成分設(shè)計(jì)

用戶要求成分按美國石油學(xué)會(huì)APISpec 5CT《套管和油管規(guī)范》執(zhí)行。而美國出于技術(shù)保密考慮，在APISpec 5CT中僅規(guī)定了影響鋼管使用性能的有害元素P和S的含量，產(chǎn)品主要控制成分沒有涉及。P110鋼級(jí)產(chǎn)品的強(qiáng)度要求高，低溫性能要求也很高。因此巨能特鋼設(shè)計(jì)了25Mn2V這一鋼種進(jìn)行調(diào)質(zhì)生產(chǎn)P110鋼級(jí)鋼管。主要設(shè)計(jì)依據(jù)有：

1）C元素是鋼中最基本元素，同時(shí)也是提高產(chǎn)品強(qiáng)度的最廉價(jià)元素。對(duì)于P110鋼級(jí)來說，由于要求低溫沖擊性能，鋼中的C元素不宜過多，應(yīng)控制在中低碳的范圍內(nèi)。

2）對(duì)于Mn含量低于2.0%的中低碳鋼來說，隨Mn含量的增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低［2］。另外Mn含量較高時(shí)，有使鋼晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆性敏感度［3］。

3）V是強(qiáng)化鐵素體和γ相形成元素之一，它和C、N、O都有極強(qiáng)的親和力，與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，在低合金含量的鋼中有著細(xì)化晶粒、增加鋼的強(qiáng)度的作用［4］?；诔杀镜目紤]，V元素控制范圍較窄，波動(dòng)控制在0.06%（絕對(duì)量）以內(nèi)。

2.3 冶煉工藝設(shè)計(jì)

主成分控制：主成分不僅影響產(chǎn)品性能，同時(shí)也影響著熱處理工藝的穩(wěn)定性，為此嚴(yán)格控制澆次前后爐的主成分偏差。C成分偏差在0.02%以內(nèi)，合金元素偏差在0.05%以內(nèi)。

夾雜物控制：APISpec 5CT標(biāo)準(zhǔn)中雖然對(duì)夾雜物沒有明確要求，但通過水壓試驗(yàn)和探傷兩種手段控制鋼中的夾雜物。因此冶煉工藝設(shè)計(jì)過程中要考慮鋼的純凈度問題。

低倍質(zhì)量控制：設(shè)計(jì)符合該鋼種特性的配水參數(shù)，同時(shí)采用電磁攪拌技術(shù)破壞柱狀晶，防止產(chǎn)生枝晶偏析。

根據(jù)上述控制要求，冶煉時(shí)采用經(jīng)預(yù)處理的高質(zhì)量鐵水，通過頂?shù)讖?fù)吹工藝，降低其中的P含量，保證出鋼P(yáng)≤0.012%；另外出鋼過程中嚴(yán)格控制主要化學(xué)元素C、Mn和Si的加入量，按照C 0.21%、Mn 1.45%、Si0.25%進(jìn)行成分配比。

70 t LF爐精煉過程中采用白渣工藝，保證鋼水的還原性，降低鋼水中的S和O含量，從而降低鋼水中的氧化物夾雜和硫化物夾雜；同時(shí)配合吹氬工藝，促進(jìn)鋼水中的夾雜物上?。皇褂霉桠}鋇鋁脫氧和在線喂絲技術(shù)，采用Al+CaSi復(fù)合脫氧工藝，保證夾雜物控制在設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)。另外，為保證澆鑄溫度穩(wěn)定，嚴(yán)格控制精煉出鋼溫度在1650～1680℃。

連鑄過程中采用合適的保護(hù)渣進(jìn)行保護(hù)澆鑄，防止鋼水二次氧化；采用擋渣墻使整個(gè)中間包的溫度場均勻，同時(shí)保證夾雜物有充足的上浮時(shí)間，進(jìn)一步降低鋼中的夾雜物。另外設(shè)計(jì)合適的配水工藝，1至4段二冷段分別采用50%、25%、15%和10%的配水比例進(jìn)行澆鑄。

2.4 軋制工藝設(shè)計(jì)

為保證用戶的切削需求，加嚴(yán)了外形尺寸的控制要求，另外產(chǎn)品還需要進(jìn)行熱處理，會(huì)有一定的燒損，為此軋制工藝設(shè)計(jì)時(shí)按照尺寸中上限控制。為降低軋制阻力，同時(shí)減少熱應(yīng)力，坯料加熱溫度逐步提高，均熱段溫度控制在1260～1280℃。為保證產(chǎn)品外形尺寸，嚴(yán)格執(zhí)行各工序軋制變形工藝要求。另外為了消除因非工藝設(shè)計(jì)因素導(dǎo)致產(chǎn)品外形尺寸不合，要求生產(chǎn)操作人員每30min從生產(chǎn)線上取樣進(jìn)行檢測。

2.5 熱處理工藝設(shè)計(jì)

對(duì)于P110鋼級(jí)產(chǎn)品，巨能特鋼沒有進(jìn)行過熱處理生產(chǎn)。為摸清該鋼種熱處理的規(guī)律，利用試制的熱軋光管進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝試驗(yàn)。淬火溫度分別為850、870和890℃，淬火時(shí)間分別為20和30min；回火溫度分別為540和560℃，回火時(shí)間均為40min。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮熱處理后產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，制定熱處理工藝：加熱段溫度（860±10）℃，保溫段溫度（880±10）℃；回火均熱、保溫段溫度（570±10）℃。另外，為了降低因熱處理造成的管體彎曲，采用31.3°的輥轉(zhuǎn)角進(jìn)行矯直。

3 產(chǎn)品試制

試制工藝路線：BOF冶煉→LF精煉+VD→連鑄→蓄熱式環(huán)形爐加熱→Φ273錐形輥穿孔→Φ273狄塞爾軋管→（再加熱爐）→微張力三輥定徑→步進(jìn)式冷床冷卻→六輥矯直→吸灰→鋸切→漏磁探傷→檢查→淬火爐加熱→淬火機(jī)淬火→回火→定徑→熱矯→冷卻→檢查（取樣）→冷矯→吸灰→涂色標(biāo)→超聲波探傷→水壓試驗(yàn)→通徑檢查→涂色環(huán)→測長、稱重→壓印→噴印→涂漆→包裝→入庫。

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量控制情況

1）主要化學(xué)成分：為保證產(chǎn)品的熱處理穩(wěn)定以及產(chǎn)品的最終性能，嚴(yán)格控制25Mn2V各元素的范圍，具體控制情況見表2。

表2 試制產(chǎn)品的化學(xué)成分 %

2）夾雜物：夾雜物控制情況見表3。

表3 夾雜物控制情況 級(jí)

3）低倍質(zhì)量：連鑄坯低倍中心疏松控制在2級(jí)以內(nèi)，沒有其他缺陷。

4）外形尺寸和壁厚：控制情況見表4。

表4 外形尺寸和壁厚控制情況mm

5）性能：產(chǎn)品性能指標(biāo)不是很理想，調(diào)質(zhì)熱處理共19個(gè)批次（含重新調(diào)質(zhì)1批），其中有兩個(gè)批次初驗(yàn)抗拉強(qiáng)度（845MPa、859MPa）低于標(biāo)準(zhǔn)下限（862MPa）。這兩批的C含量均為0.23%。有1批C含量為0.22%的抗拉強(qiáng)度為871MPa，緊靠下限，其他批次抗拉強(qiáng)度合格，但富裕量不大。

6）無損檢測：熱處理后成品采用L2級(jí)超探，探傷質(zhì)量水平為API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中最高等級(jí)，探傷設(shè)備為相控陣超探，靈敏度很高。探傷過程中出現(xiàn)較多的鋼管內(nèi)表面報(bào)警。經(jīng)解剖后用手持式超聲波探傷儀定位，發(fā)現(xiàn)報(bào)警原因是內(nèi)麻面伴有內(nèi)皺紋，而不是裂紋，這種細(xì)小“缺欠”通常是允許存在的，不是缺陷，漏磁探傷正常。

3.2 工藝改進(jìn)

針對(duì)上述問題對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改：1）優(yōu)化用于生產(chǎn)P110鋼級(jí)鋼管的25Mn2V管坯化學(xué)成分，將C含量控制在0.23%～0.26%。2）為減少內(nèi)皺紋缺陷，改進(jìn)熱軋芯棒潤滑的噴涂系統(tǒng)，解決噴涂不均勻、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，并采用較高質(zhì)量的石墨潤滑劑；同時(shí)，改用Φ180mm圓管坯，通過減少荒管定徑量來減輕或防止內(nèi)皺紋。3）熱處理工藝的回火溫度降低10℃。

改進(jìn)前后的軋制變形工藝要求見表5。

表5 改進(jìn)前后熱軋鋼管變形工藝

3.3 工藝改進(jìn)后產(chǎn)品質(zhì)量控制情況

根據(jù)改進(jìn)要求，在第2次試制過程中嚴(yán)格控制C含量。經(jīng)檢驗(yàn)，C含量滿足改進(jìn)控制要求，其中0.23%、0.24%各1爐，0.25%2爐，0.26%2爐；其他元素控制范圍和前一批試制情況基本一致。產(chǎn)品性能初驗(yàn)合格率達(dá)到100%，全部經(jīng)過超聲波探傷L2合格，幾何尺寸、外表質(zhì)量良好。力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表6所示。此次生產(chǎn)熱處理工藝和化學(xué)成分進(jìn)行了微調(diào)，平均屈服強(qiáng)度提高到了903.8MPa，較改進(jìn)前提高了60MPa，性能處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中上水平，達(dá)到了工藝調(diào)整的目標(biāo)。

表6 試制產(chǎn)品的力學(xué)性能

4 結(jié)語

采用25Mn2V生產(chǎn)的兩批P110鋼管都比較成功。特別是經(jīng)過成分、軋制工藝參數(shù)及熱處理工藝微調(diào)后，各項(xiàng)技術(shù)性能完全達(dá)到API 5CT和技術(shù)協(xié)議對(duì)P110鋼級(jí)的要求，性能合格率100%，且強(qiáng)度指標(biāo)有較大富裕量。從第2批檢驗(yàn)結(jié)果看，全部16批32個(gè)試樣的力學(xué)性能，除1個(gè)試樣稍低外，基本達(dá)到Q125鋼級(jí)的性能水平，這就為開發(fā)Q125鋼級(jí)套管打下了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目于2012年12月通過了山東省經(jīng)信委技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目鑒定驗(yàn)收，評(píng)價(jià)為國內(nèi)領(lǐng)先水平。目前，巨能特鋼開發(fā)的材質(zhì)為25Mn2V的P110級(jí)石油套管已納入正常生產(chǎn)供貨。

［1］ 美國石油學(xué)會(huì).API5CT套管和油管規(guī)范［S］.9版.華盛頓：美國石油學(xué)會(huì)，2011：108.

［2］ 項(xiàng)程云.合金結(jié)構(gòu)鋼［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002：106.

［3］ 孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：50.

［4］ 孫珍寶，朱譜藩，林慧國，等.合金鋼手冊(cè)（上冊(cè)）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984：89.