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BT100H 钢级套管横向韧性偏低原因分析

马爱清，贺景春，石晓霞

( 内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心，内蒙古 包头 014010)

摘 要: 文章针对 BT100H 稠油热采套管中出现的横向冲击韧性偏低的原因进行了研究。对冲击韧性的断口用扫描电镜进行微观观察分析，认为横向韧性低的原因是条状硫化物夹杂及成簇状的复合氧化物夹杂造成的，进而造成带状组织使钢管产生各项异性，因而使钢管的横向冲击韧性异常偏低。

关键词: 套管; 带状组织; BT100H

众所周知，石油套管在建井、完井和油气生产过程长期承受载荷和环境的作用。载荷方面，套管柱承受轴向载荷及外挤力、内压力、内压力，同时承受弯应力以及扭转应力; 环境方面，套管承受油气及地下水中腐蚀介质的侵蚀和温度影响。采用射孔方法完井的套管，还需要承受射孔的大能量高温瞬时冲击载荷。苛刻的服役条件对石油套管的品种和质量提出更高的要求，所以有必要进一步开发特殊性能要求的套管，通过钢种设计开发一种高钢级套管即要满足 API 标准［1］对相应钢级力学性能的要求，同时又要耐高温( 400 ℃ 以下) 、承受高的冲击载荷。

但在研发过程，出现 3 套管横向冲击韧性偏低现象，没有满足冲击韧性的设计要求，针对套管横向冲击韧性偏低原因进行了分析。

1 套管的热处理及性能

API 标准要求对 N80Q 钢级以上套管均需通过调质处理即淬火加高温回火的热处理工艺获得其性能。

1． 1 试验材料制备

试验材料是由包钢 100 T 转炉 + LF + VD + 连铸园 坯 + 连 轧 管 机 组 试 制 成 的 177． 8 mm ×9． 19 mm管材。试验用钢的化学成分为: w ［C］≤0． 35% ; w ［Si］≤0． 38% ; w ［Mn］≤0． 6% ; w ［P］≤0． 010%; w ［S］≤0． 006%; w ［Cr］≤1． 5%; w［Mo］≤0． 50%，其他微量元素。为达到 BT100H 钢级套管的设计性能，需进行实验室热处理工艺研究，根据设定的热处理工艺，把轧态的管子破成相应数量的毛坯样 ( 拉伸样宽25． 4 mm，冲击横向、纵向试样按管子壁厚取样) ，进行热处理即调质处理，调质处理后对试样进行加工( 冲击试样加工成夏比 V 型缺口试样，纵向尺寸为10 mm × 7． 5 mm × 55 mm，横向尺寸 10 mm ×5． 0 mm × 55 mm) ，然后进行性能及金相检验。

1． 2 试验结果

热处理工艺及性能检验结果见表 1 及表 2。从试验数据看出，热处理后管子的拉伸性能均达到性能的设计要求，横向冲击韧性却很低，远远没有满足设计要求，横纵比约为 0． 38。

2 原因分析

2． 1 材质分析

从横向冲击韧性的试样上取样，进行材质分析，结果表明化学成分除钢中的 w ［S］0． 008% 超标外，其他均符合要求，残余有害元素也很低，符合设计要求( 见表 3) 。

金相检验结果见表4，夹杂物级别不超标，原奥氏体晶粒度为9 级，金相组织为回火索氏体，见图1。

2． 2 回火脆性试验

淬火工件在某一温度范围内回火时，冲击韧性明显下降，这种脆化现象称为回火脆性。为此对材质进行了500 ～680 ℃温度范围回火性能的研究，用轧态管体( 管料规格 177． 8 mm × 9． 18 mm) 做试验母料，在910 ℃保温 35 min 淬火，在不同回火温度下保温50 min出炉空冷回火，加工成横、纵向的冲击试样，横向冲击韧性的尺寸为5 mm ×10 mm ×55 mm，纵向冲击韧性的尺寸为7．5 mm ×10 mm ×55 mm。试验结果见表5，冲击韧性随温度的变化趋势见图2。

从试验数据看: 随回火温度的提高，管子的冲击韧性呈现上升的趋势( 纵向冲击韧性呈明显上升趋势，横向冲击韧性随温度的变化趋势很缓慢) ，研究的回火温度范围内不存在回火脆性，也就是说横向冲击韧性低与回火脆性没有关系。

2． 3 微观断口分析

为此对调质后横向冲击韧性低的横向冲击断口进行了微观扫描分析，断口组织见图 3，韧窝分布极不均匀，在韧窝内分布着长条及成簇状的夹杂物，从能谱图看出夹杂物含有 Mn、S，所以夹杂物为硫化锰夹杂。

同时对金相样进行了夹杂物扫描分析，夹杂物形态及成分见图 4，从能谱图看出夹杂物含有 O、Si、Al、Ca、S，元素分析表明夹杂物为硅酸盐、氧化铝、氧化钙的复合夹杂物。

2． 4 带状组织分析

带状组织是造成钢材各项异性的主要原因，它使钢的横向韧性明显降低，因此对调质后的管样进行了沿轧制方向的金相组织分析，组织见图 5，从金相组织看，调质处理后仍然有明显的带条状组织。

3 讨论

夹杂物本身强度低，如果呈链条状分布，则破坏了材料的连续性，而且像图中夹杂物是尖棱状的，会引起应力集中，使钢材的冲击韧性特别是横向冲击韧性显著降低［2］; 同时因为夹杂物呈条、链状分布，在管子热轧后容易出现带状组织 ，而且带状组织在调质处理后并没有被消除，而带状组织是造成钢材各项异性的主要原因，它使钢的横向韧性明显降低。

4 结束语

造成套管横向冲击韧性的主要原因是钢中的长条状硫化物及呈簇状的复合氧化物夹杂。建议在炼钢时充分搅拌钢液，使夹杂物充分上浮而净化钢液。

参 考 文 献

［1］ API Spec 5CT，套管和油管规范［S］．

［2］ 崔崑． 钢铁材料及有色金属材料［M］． 北京:机械工业出版社，1980．32