熱擠壓110S-13Cr 厚壁無縫鋼管的工藝研究

趙 明，張亞彬，龐于思，劉 靜，王連華

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

隨著天然氣和石油開發(fā)難度的增加，越來越多含有腐蝕性介質(zhì)的油田被開采。這些油田中CO2是比較常見的一種腐蝕性介質(zhì)，它會導(dǎo)致金屬材料發(fā)生嚴(yán)重的全面腐蝕和局部腐蝕，使材料的服役時間大大縮短。針對CO2腐蝕，常用13Cr 產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度和一定的抗腐蝕性，由于添加了12%～14%的Cr 可使材料在表面形成一定程度的鈍化膜，提高了材料抵抗CO2腐蝕的能力［1］。

隨著近年石油開采環(huán)境的變化，普通13Cr 無縫鋼管已不能滿足部分油田開采工況的需要，110S-13Cr 逐漸進(jìn)入市場。相比于普通13Cr 而言，該合金通過在普通13Cr 的基礎(chǔ)上增加一定量的Ni、Mo、Cu 等，獲得抗腐蝕性能、力學(xué)性能等均優(yōu)于普通13Cr 的綜合特點［2-3］。但產(chǎn)品在推廣應(yīng)用過程中，接箍料、完井工具件等厚壁管制造困難，因此考慮采用熱擠壓工藝生產(chǎn)110S 鋼級13Cr 接箍料用厚壁管，為產(chǎn)品生產(chǎn)開辟了一條新的工藝路線。

1 擠壓變形特點

坯料在擠壓過程中處在三向壓應(yīng)力狀態(tài)和二向壓縮一向延伸變形狀態(tài)，坯料內(nèi)部金屬流動平穩(wěn)，晶粒皆沿擠壓方向變形。金屬受軸向壓應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力和周向壓應(yīng)力狀態(tài)如圖1 所示。擠壓的壓縮變形狀態(tài)能遏制晶界相對移動，阻止晶界變形，對金屬有利；而延伸變形狀態(tài)會促進(jìn)晶界變形，加速晶界的破壞。金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于消除由于塑性變形所引起的各種破壞，能促使被破壞的晶內(nèi)和晶間的聯(lián)系得到恢復(fù)，不僅使金屬變得更加致密，而且還能使各種顯微裂紋，甚至宏觀破壞得到修復(fù)［4］。

圖1 金屬受三向壓應(yīng)力示意

坯料在擠壓過程中金屬受到周圍溫度和摩擦的影響，表層與內(nèi)層的金屬流動性和變形程度是不均勻的。但當(dāng)設(shè)計的擠壓比達(dá)到一定程度，擠壓管材的金屬流動和變形程度是相對均勻的［5］。擠壓金屬流動如圖2 所示。

圖2 擠壓金屬流動示意

2 擠壓機(jī)設(shè)備

最大擠壓力 63 MN

坯料最大質(zhì)量 1.5 t

坯料最大長度 1.3 m

坯料最大外徑 435 mm

成品最大外徑 325 mm

成品最大長度 20 m

3 坯料尺寸及擠壓工模具設(shè)計

3.1 坯料尺寸設(shè)計

確定工藝參數(shù)時，要綜合考慮金屬加工時的可擠壓性和對制品質(zhì)量的要求，包括尺寸與形狀的允許偏差、表面質(zhì)量、組織與性能等。

根據(jù)成品規(guī)格Φ115 mm×28.5 mm 來計算各種系列的擠壓力，合理選擇擠壓系列。經(jīng)測算分析選用255 擠壓系列，并合理設(shè)計坯料規(guī)格。

根據(jù)J·塞茹爾內(nèi)擠壓力P 計算公式［6］得出：

式中 R —— 擠壓筒半徑，mm；

r —— 芯棒半徑，mm；

σ —— 金屬變形抗力，MPa；

λ —— 擠壓比；

f —— 摩擦因數(shù)，一般為0.1～0.3；

L —— 坯料鐓粗后長度，mm。

3.2 擠壓工模具設(shè)計

擠壓工模具設(shè)計主要包括擠壓模和芯棒的選擇，擠壓模的內(nèi)徑依據(jù)管子的外徑尺寸設(shè)計，設(shè)計方法為：擠壓模內(nèi)徑=管子外徑×熱膨脹系數(shù)+經(jīng)驗參數(shù)；芯棒的直徑依據(jù)管子的內(nèi)徑尺寸設(shè)計，設(shè)計方法為：芯棒直徑=管子內(nèi)徑×熱膨脹系數(shù)-經(jīng)驗參數(shù)。所以，工模具的設(shè)計更重要的是根據(jù)不同鋼種選擇膨脹系數(shù)，及依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗設(shè)計經(jīng)驗參數(shù)。

4 坯料檢查

采用美國熱電直讀光譜儀（型號ARL4460）對坯料進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果見表1。

采用蔡司正置顯微鏡（型號Axio Imager A2m）對坯料夾雜物進(jìn)行觀察，檢測結(jié)果見表2。

表1 110S-13Cr 管坯的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 110S-13Cr 管坯的夾雜物實測值 級

檢測結(jié)果表明坯料成分滿足技術(shù)要求，夾雜物含量遠(yuǎn)低于技術(shù)協(xié)議要求值。

采用蔡司顯微鏡對坯料進(jìn)行金相觀察，其金相組織為板條馬氏體及少量鐵素體，如圖3 所示。

圖3 110S-13Cr 坯料組織

5 生產(chǎn)流程控制

共生產(chǎn)25 支管，全部采用熱擠壓成型，擠壓完成后，進(jìn)入冷床空冷，24 h 內(nèi)進(jìn)行退火，之后進(jìn)行淬火+回火熱處理。生產(chǎn)工藝流程如圖4 所示。

圖4 110S-13Cr 無縫鋼管熱擠壓生產(chǎn)工藝流程

5.1 熱擠壓

熱擠壓參數(shù)要根據(jù)材料的熱塑性區(qū)間進(jìn)行選擇，金屬應(yīng)盡量在高溫塑性范圍的溫度條件下進(jìn)行熱擠壓，以免產(chǎn)生周期性橫向裂紋。同時，應(yīng)注意坯料在熱狀態(tài)下的表面質(zhì)量控制，以防止坯料表面過度氧化或黏結(jié)造成擠壓劃傷。根據(jù)110S-13Cr鋼熱塑性的特點，生產(chǎn)時坯料預(yù)熱溫度為700～750℃，擴(kuò)孔溫度為1 100～1 150 ℃，擠壓溫度為1 150 ～1 200 ℃［7］。

為了降低擠壓力，提高擠壓制品的質(zhì)量，以及增加工模具的使用壽命，擠壓時要采用工藝潤滑劑，這種潤滑劑是各種成分的玻璃材料或人工制造的硅酸鹽化合物。在擴(kuò)孔和擠壓鋼管時，潤滑劑要施加到加熱好的金屬上。外涂粉采用844-7，內(nèi)涂粉采用中堿，玻璃墊粉也采用中堿［8-9］。

為了提高成品管的尺寸精度，在擠壓模具的設(shè)計上，充分考慮了金屬熱膨脹系數(shù)、玻璃潤滑劑的厚度，以及成品熱處理的氧化皮等因素的影響，選用內(nèi)徑尺寸為118.21 mm 的擠壓模，芯棒直徑57.7 mm。

擠壓坯料外徑247 mm，內(nèi)孔直徑65 mm，坯料長度為900 mm，生產(chǎn)Φ115 mm×28.5 mm 110S-13Cr 無縫鋼管，前5 支管的擠壓力、擠壓管的外徑及壁厚實測值見表3。

表3 Φ115 mm×28.5 mm 110S-13Cr無縫鋼管擠壓生產(chǎn)參數(shù)

由于玻璃粉的潤滑作用，擠壓管內(nèi)、外表面光滑，質(zhì)量較好，且表面氧化相對較輕，如圖5 所示。擠壓管平頭端面圓整度良好，壁厚偏差較小，如圖6 所示。

圖5 擠壓荒管外表面示意

圖6 鋸切后管子圓整度及尺寸

5.2 退火及預(yù)矯直

擠壓管空冷后存在局部彎曲，但由于強(qiáng)度高，矯直難度較大，需要軟化退火后在Φ325 mm 矯直機(jī)進(jìn)行預(yù)矯直。預(yù)矯直的目的是為厚壁管在淬火回火后的溫矯直打下基礎(chǔ)，避免溫矯直時出現(xiàn)嚴(yán)重的矯直痕。

退火爐設(shè)備參數(shù)：輥底式氮氣保護(hù)爐，爐身長度32 m，8 個加熱區(qū)，最高加熱溫度1 050 ℃，最低輥速0.08 m/min。退火溫度選擇600～700 ℃［10］，保溫時間為60～90 min，在爐時間210～300 min，緩冷至500 ℃以下出爐空冷。

5.3 熱處理及熱矯直

熱處理設(shè)備為步進(jìn)式淬火爐和回火爐。該成分的合金Ac3溫度較低，一般在810～830 ℃，為保證合金碳化物充分溶解及奧氏體成分均勻，推薦淬火溫度980～1 040 ℃［11］，保溫時間一般為40～80 min。出爐空冷至200 ℃以下進(jìn)入回火爐?；鼗饻囟葹?80～630 ℃，保溫時間為150～210 min［12］，出爐空冷?；鼗饻囟炔灰颂撸绻麥囟壬?，組織中重新生成較多的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，奧氏體冷卻過程中部分將重新轉(zhuǎn)變成馬氏體，強(qiáng)度、硬度升高［13-14］，綜合性能會變差?；鼗鸷蟮墓茏有柙?60 ℃以上進(jìn)行熱矯直，避免管子存在殘余應(yīng)力。

為確保力學(xué)性能一次性達(dá)到要求，車間氣氛爐熱處理前，進(jìn)行了小試樣熱處理試驗。選取淬火加熱溫度為1 000 ℃，出爐空冷，采用不同的回火溫度，考察其性能變化趨勢，試驗結(jié)果見表4。

表4 110S-13Cr 無縫鋼管小試樣的熱處理工藝及其后的力學(xué)性能

由表4 可知，回火溫度在590～610 ℃，試樣力學(xué)性能均能達(dá)到110 鋼級要求，而回火溫度達(dá)到630 ℃時，其屈服強(qiáng)度迅速下降。

車間氣氛爐采用的熱處理工藝為：1 000 ℃淬火，保溫80 min，出爐風(fēng)冷（風(fēng)機(jī)功率45 Hz），600℃回火，保溫3 h 空冷。

車間熱處理后，對組織進(jìn)行觀察，金相組織檢測為回火索氏體及少量鐵素體［15］，如圖7 所示。

圖7 110S-13Cr 無縫鋼管熱處理后的金相組織

選取5 支管進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表5，硬度檢測結(jié)果見表6。數(shù)據(jù)顯示，車間熱處理后力學(xué)性能一次性合格，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

5.4 點矯直及表面拋丸

厚壁管雖然經(jīng)過了溫矯直，但部分管子仍然存在局部彎曲的問題，所以，需要采用點矯直的方式進(jìn)一步處理，處理后管子的彎曲度可以達(dá)到協(xié)議要求的1.5 mm/m 以下。

由于熱處理后的管子表面存在氧化鐵皮，所以需采用拋丸處理，鋼丸材質(zhì)為304 不銹鋼，粒度為0.5～0.8 mm，拋丸后外表面質(zhì)量較好，如圖8 所示。

5.5 無損檢測

采用先進(jìn)的無損檢測設(shè)備保證產(chǎn)品的質(zhì)量控制滿足技術(shù)協(xié)議要求。超聲探傷設(shè)備為：從德國引進(jìn)的KD 超聲渦流聯(lián)合探傷機(jī)，工作范圍Φ89～325 mm。管身按GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》逐支進(jìn)行超聲探傷，探傷等級為L2 級，管端采用手持探傷儀探傷。

6 結(jié) 語

采用擠壓工藝生產(chǎn)Φ115 mm×28.5 mm 規(guī)格110S-13Cr 接箍料用小直徑厚壁無縫鋼管，按照制定的擠壓溫度、擠壓速度、玻璃粉的選型等工藝要求執(zhí)行，擠壓管表面質(zhì)量、尺寸公差均較好，克服了連軋、斜軋等其他工藝生產(chǎn)小直徑厚壁管易出現(xiàn)“內(nèi)六方”的問題。所以，對于油井用接箍料管，采用擠壓工藝生產(chǎn)，質(zhì)量優(yōu)勢明顯。

表5 Φ115 mm×28.5 mm 110S-13Cr 無縫鋼管力學(xué)性能

表6 110S-13Cr 無縫鋼管硬度 HRC

圖8 拋丸后管子整體表面質(zhì)量