摘  要：为了解决非调质钢N80套管的脆断问题，对失效的非调质钢36Mn2V制造的N80套管进行了检测和分析，找出其失效原因是套管生产工艺不合理，导致其组织不佳、韧性差。为此，采用940℃、40min正火工艺对套管进行处理，使其强韧性得到良好配合。

关键词：非调质钢；套管；失效；正火

l  前言

    N80级石油套管大部分需经调质处理，其工序复杂，成本也高。因此目前已研制出多种非调质钢及相应的生产工艺来生产非调质N80套管。采用非调质钢比用调质钢生产石油套管有很多优点，如节省能源、简化工艺、降低成本、改善劳动条件、无污染、可提高生产率及产品尺寸精度控制的稳定性等。但非调质N80套管存在的最大问题是强度有余而韧性不足。国内外均有非调质N80套管脆断事故发生(华菱钢管有限公司用非调质钢36Mn2V制造的N80套管在油田亦发生了脆断事故)，造成巨大损失。因此如何调整工艺以获得良好的强韧性配合是生产非调质N80套管的关键。目前主要采用在线常化工艺。

2套管失效及其原因分析

2．1失效情况

  N80套管规格为Φ114．30mm×6．35mm，钢号为36Mn2V，油田同井试压时在多口井巾发生横断或纵向开裂，失效时压力为24～31MPa(3500～4500psi)，断口形貌见图l。

2．2  失效套管的组织和性能

    现场取失效套管试样，按A₁、B₁为横断套管试样，A₂、B₂为纵裂套管试样，C₂为正常套管试样进行检测。检测结果，其化学成分见表1，力学性能见表2、表3。

    A₁、B₁、A₂、B₂试样的组织均为珠光体+网状铁素体，晶粒粗大，约4～5级，见图2a；C₂试样为珠光体+铁素体，有带状组织，晶粒度为8级，见图2b。

2．3失效原因分析

2．3．1材料韧性差

    套管横断断口属脆性断裂，除最后瞬断区外，断口齐平，几乎无塑性变形区；纵裂裂口虽沿管体长度方向曲折扩展，但断口小、面齐平，管体无明显变形，也属脆性开裂。其从失效样品的性能测试结果也得到证明。对于用非调质钢生产N80套管，国内外都存在强度和塑性符合API5CT要求而韧性较差问题，也有不少脆性失效的实例。在拉伸试验中，由于加载速度较低，有时间通过位错的运动产生塑性变形来释放不断增加的畸变能和应力，因此脆性材料的伸长率也可满足API 5CT的要求。但在高速加载情况下，如冲击、碰撞及试压过程中压力突然增加等，脆性材料由于抵抗裂纹萌生和扩展的能力差，很容易产生裂纹并迅速失稳扩展而断裂。套管总会存在划痕、点坑、氧化皮压人或微裂纹等缺陷，若材料韧性好，则这些缺陷稳定存在的临界尺寸较大；若韧性差，则存在脆断隐患。

2．3．2材料显微组织不佳

    由于材料的组织为粗大珠光体＋网状铁素体，因此导致套管韧性差。这也是API 5CT把要求所有钢级必须采取细化晶粒措施作为通则的原因。目前，很多证据表明，N80一1(36Mn2V)套管的韧性对晶粒度很敏感，晶粒越粗，冲击功越低，韧性越差。要保证较好的韧性，晶粒度需不低于8级。

2．3．3生产工艺制度不尽合理

    用非调质钢36Mn2V生产N80套管以热轧态交货时，最大的问题是冲击功不稳定，时有脆性套管出现，主要原因是生产过程不稳定因而导致材料组织不稳定。为此，许多生产厂家采用在线常化工艺来获得较好的强韧性配合。

    在线常化过程：坯料在环形炉中经高温长时间加热后，奥氏体晶粒非常粗大，在穿孔、连轧热变形中，因变形温度较高、变形量较大，故变形后奥氏体会发生再结晶，晶粒有一定程度的细化。如果将连轧后的荒管冷却到Ar₁(约550℃)以下，奥氏体会发生相变，分解成铁素体和珠光体，晶粒进一步细化。随后进步进式加热炉再奥氏体化，控制炉温约为920℃，奥氏体晶粒将很细小。经张力减径后，终轧温度将位于上临界温度Ar₃上方的较低温度区(约820℃)，奥氏体不会发生再结晶，空冷后得到的铁素体和珠光体的晶粒度≥8级。经在线常化处理后，材料的强韧性均符合API要求。

    华菱钢管有限公司Φ89分厂由于连轧后冷床较短和轧制节奏较快等原因，难以实施在线常化工艺。连轧后荒管经自然冷却不足2min直接进步进炉，此时温度在Ar₃以上。与在线常化工艺相比，减少了2次相变过程，即减少了2次细化晶粒过程。但如果步进炉温度在920℃以下，奥氏体晶粒长大很有限。因为36Mn2V是本质细晶粒钢，除了冶炼时通过喂铝生成弥散分布的细小A1N质点可阻止晶粒长大外，钒的碳氮化物V(CN)在920℃以下未完全熔化，也可阻止晶粒长大。经张力减径后，终轧温度将位于上临界温度Ar₃上方的较低温度区(约820℃)，空冷后得到的铁素体和珠光体，与采用在线常化工艺的轧件相比，晶粒稍粗(约7～8级)，性能仍符合API 5CT要求，只是富余量较小。这就要求整个生产过程工艺稳定、控制严格。但如果步进炉温度过高，A1N、V(CN)将完全溶入奥氏体，而失去阻止晶粒长大的作用，导致奥氏体晶粒迅速长大。经张力减径后，终轧温度升高，奥氏体晶粒粗大。以此为基础，在随后的冷却过程中，如果冷却速度较慢，相变驱动力小，先共析铁素体优先沿奥氏体晶界析出，形成网状，剩余奥氏体转变成珠光体，晶粒粗大。这就是失效套管的组织，其脆性大，冲击功低。如果冷却速度较快，将会得到部分贝氏体组织，性能也不理想。总之，如果步进炉温度过高，会导致终轧温度高，奥氏体晶粒粗大，即使采用轧后冷却，也不能得到性能良好的组织，不能以热轧态交货，必须进行正火处理。

    对于含v的微合金高强度钢，主要采用V的碳、氮化物析出强化。V(CN)主要在奥氏体向铁素体转变时相问析出，及冷却过程中从铁素体中析出。其对强度和韧性的影响决定于析出物的数量、分布及颗粒大小。析出物数量越多，分布越弥散，颗粒越小。则强化作用越大。对韧性的影响则不同，一般认为，V(CN)颗粒粗化会明显提高韧性，强度有所降低。当奥氏体化温度很高时，V(CN)全部溶于奥氏体，晶粒迅速长大，空冷后晶粒粗大，强度降低；但V(CN)析出数量多，分布弥散，颗粒小，强化明显，总强度仍然很高，而韧性很差。如果采用在线常化工艺，进步进炉之前V(CN)已充分析出，适当控制加热炉的温度，V(CN)只部分溶解，未溶部分将聚集长大，颗粒粗化，弥散度减小，韧性会得到改善。

3  改进措施

    为了改善失效套管的组织和性能，进行了系列正火试验，结果见表4。从表4可看出，随正火温度升高，强度升高，韧性下降，组织粗化。另外，随正火温度升高，V(CN)溶入奥氏体程度增加，在随后的相变和冷却过程巾，弥散析出，强化效果明显，其强化效果大于因晶粒变粗而导致的强度损失；而弥散析出和晶粒粗化均会造成韧性损失。关键是要把握好平衡，以获得良好的强韧性配合。华菱钢管有限公司选择940℃、40 min为正火工艺进行批量生产，性能良好。

4  结论

    (1)非调质N80套管脆断的原因是加热温度过高而造成缺陷组织：粗大珠光体+网状铁素体。

    (2)为改善缺陷组织和性能采用的正火工艺为：940℃、40min。

    (3)对非调质N80套管生产，不管采用在线常化工艺，还是热轧+正火工艺，关键要细化晶粒，控制V(CN)析出，并在两者中取得平衡，以获得良好的强韧配合。