分享：超级13Cr油管钢的显微组织与力学性能
苏国锦1,徐蔼彦2,王海博2,王红江2,刘西西2
(1.中海油田服务股份有限公司,天津 065200;2.西安三维应力工程技术有限公司,西安 710061)
摘 要:以调质处理并经矫直后高温退火的超级13Cr油管钢为研究对象,对其显微组织及力学 性能进行了分析。结果表明:该超级13Cr油管钢的显微组织为板条状马氏体+少量长条状δ铁素 体,晶粒度等级为9级;随着试验温度从-90 ℃升高到100 ℃,其冲击吸收能量增大,-90 ℃下的 冲击 吸 收 能 量 可 达 158J;室 温 下,其 屈 服 强 度 为 823 MPa,抗 拉 强 度 为 936 MPa,硬 度 为 29.4HRC,均满足技术要求;其疲劳强度为550MPa。
关键词:13Cr油管钢;显微组织;力学性能;疲劳断裂 中图分类号:TE37 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0017-04
随着油田勘探开发的迅速发展,深井、高温井、 高压井、非常规井、富含腐蚀介质的油气井越来越 多,常规的油套管材料已经无法满足大多数油气井 的使用要求[1]。为了保证生产的安全与高效,强度 高、低温韧性及耐腐蚀性能良好的油管钢在油气田 的开采过程中得到了广泛的应用[2-4]。 国内外专家学者们开展了大量有关油管钢失 效原因和机理的研究,主要集中在材料、腐蚀及密 封方面[4-7]。然而,由于油田现场工况的复杂性和 多变性,有些理论研究尚未形成共识,许多问题还 需要进一步 研 究 和 深 入 探 讨 分 析,并 且 关 于 油 管 钢显微 组 织 及 力 学 性 能 的 研 究 还 较 少[8-9]。基 于 此,笔者对某厂生产的超级13Cr油管钢的力学性 能和显微组 织 进 行 了 试 验 与 分 析,其 结 论 对 超 级 13Cr油管钢的生产及油田油套管材料的选用具有 指导意义。
1 试验材料与方法
试验采 用 某 厂 生 产 的 规 格 为 ?114.30 mm× 12.70mm 的超级13Cr油管钢,其化学成分(质量 分 数/%)为 0.022C,0.289Si,0.346Mn,0.015P, 0.004S,13.428Cr,5.018Ni,2.029Mo,0.026Nb, 0.063V,0.004Ti,0.074Cu(其余为 Fe)。生产过程中的热处理工艺为:采用整管油淬(960 ℃,30min) +高温回火(700 ℃,60min)的调质工艺,确保性能 稳定;采用连续式氮气保护光亮炉,确保性能均匀; 矫直后采用高温退火工艺,确保残余应力最小。 从该超级13Cr油管钢管体截取金相试样,经 打磨并抛 光,苦 味 酸 浸 蚀 后,采 用 光 学 显 微 镜,依 据 GB/T13298-2015《金 属 显 微 组 织 检 验 方 法》 分析其显微组织;依据 GB/T6394-2017《金属平 均晶粒度 测 定 方 法》评 定 其 晶 粒 度。采 用 示 波 冲 击试验机,按 照 GB/T229-2007《金 属 材 料 夏 比 摆锤冲击试验方法》测试该超级13Cr油管钢在不 同温度下的冲击吸收能量(试样尺寸为10 mm× 10mm×55mm 的 V 型缺口)。采用拉伸试验机, 按照 GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1 部分:室温试验方法》进行拉伸试验。采用洛氏显 微硬度计,依据 GB/T230.1-2018《金 属 材 料 洛 氏硬度 试 验 第 1 部 分:试 验 方 法》测 试 管 体 内 表 面、外表面和壁厚中间的硬度。
2 试验结果与分析
2.1 显微组织
图1为超级13Cr油管钢的显微组织形貌,可见 其显微组织为回火马氏体+少量长条状δ铁素体(δ- Fe),晶粒度等级为9级。由图1b)可见马氏体主要 呈伸长的条状,条与条之间呈现出小角度,这种小角 度的晶界不易腐蚀,因而该超级13Cr油管钢具有较 好的耐腐蚀性能。测得该超级13Cr油管钢的δ铁素 体含量高达1.21%(面积分数),δ铁素体可导致冲击 试样裂纹快速扩展,使该超级13Cr油管钢的冲击性 能降低;其晶粒等级较高,晶粒较细,具有更好的强化 作用,有利于提高该超级13Cr油管钢的强度。 2.2 冲击韧性 不同温度下,该超级13Cr油管钢的示波冲击 力-位移曲线如图2所示。由图2可知,在100 ℃和50 ℃时超级13Cr油管钢的示波冲击曲线与 GB/T 19748-2019《金属材料 夏比 V 型缺口摆锤冲击试 验 仪 器 化 试 验 方 法》中 F 型 相 似。温 度 在 常 温 (23 ℃)及以下时的冲击曲线,可见明显的不稳定裂 纹扩展特征。对比-90,-60,-10 ℃下的示波冲击 曲线,可见温度越低,不稳定裂纹扩展特征出现得越 早,因此温度越低,断口表面脆性特征的比例越大。 由示波冲击力-位移曲线提取的不同温度下超 级13Cr油管钢的试验特征值见表1,可见不同温度 下的冲击吸收能量均满足技术要求。随着温度的升 高,裂纹形成能量基本不变,裂纹扩展能量增大,裂 纹扩展能量占冲击总能量的66%左右,冲击吸收能 量增大,剪切断面率增大,冲击吸收能量和剪切断面 率增大趋势基本一致;-90 ℃时,冲击吸收能量为 158J,仍然满足技术协议要求;100 ℃时,冲击吸收 能量达到221J。这说明随着温度的升高,金属原子 间结合力越小,超级13Cr油管钢的冲击
2.3 拉伸性能
该超级13Cr油管钢的室温拉伸性能见表2,可 见其 屈 服 强 度、抗 拉 强 度 分 别 为 823 MPa 和 936MPa,屈强比为0.88,断后伸长率为28.5%。这 说明该材料的抗变形能力较强,塑性较好,拉伸性能 满足技术要求。
2.4 洛氏硬度
该超级13Cr油管钢的室温洛氏硬度见表3,可 见硬度平均值约为29.4HRC,壁厚中间部位的硬度 较外壁和内壁的稍高,不同象限的硬度基本一致,硬 度测试结果满足技术要求
2.5 疲劳性能
该超级13Cr油管钢的疲劳性能见表4,一般情 况下,钢的疲劳寿命要求是10 7 次,该超级13Cr油 管钢当使用应力低于550 MPa时,一般不会发生疲 劳断裂,当高于550 MPa时就会发生疲劳断裂,其 疲劳强度为550MPa。 3号试样的疲劳断口形貌如图3所示。图3a) 为断口整体形貌,从左至右分别为裂纹源区、裂纹扩 展区、瞬断区,可见其放射线清晰,瞬断区沿旋转方 向偏转则是因为扩展速率不一致导致的。在旋转弯 曲条件下疲劳微裂纹形成后,裂纹扩展过程中试样 在旋转,载荷向轴旋转方向移动,疲劳裂纹沿顺载荷 移动方向扩展快,逆载荷移动方向扩展慢。图3b) 为裂纹源区,疲劳裂纹萌生于试样表面,可见疲劳辉 纹。图3c)为裂纹扩展区,可以看到准解理微观断 裂特征,平台上有一些放射状台阶区及河流花样,并 存在二次裂纹,为典型的脆性断口形貌;缓慢扩展区 较平坦,有比较明显的放射状条纹,即贝纹线特征, 裂纹扩展方向与纹路方向平行,由表面向内部呈放 射状扩展。图3d)为瞬断区,可见明显的韧窝形貌, 表明材料韧性较好。
3 结论
(1)按前述热处理条件下研制出的超级13Cr 油管钢的显微组织为回火马氏体+少量长条状δ铁 素体,晶粒度为9级。 (2)在-90~100 ℃时,该超级13Cr油管钢的 冲击吸收能量随温度升高而增大,裂纹扩展能量、剪 切断面 率 都 随 之 升 高,而 冲 击 开 裂 敏 感 性 降 低; -90 ℃低温下的冲击吸收能量(158J)也能满足技 术要求。室温下,超级13Cr油管钢的屈服强度为 823MPa,抗拉强度为936MPa,硬度为29.4HRC, 均满足技术要求。 (3) 该 超 级 13Cr 油 管 钢 的 疲 劳 强 度 为 550MPa。
来源：材料与测试网
