Q125钢级高强度石油套管的试制生产

张 然

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行。每一口井根据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。套管下井后要采用水泥固井，其与油管、钻杆不同，不可以重复使用。随着深井、超深井的开发量日益增大，采油条件越来越恶劣，对油井管的性能要求也越来越高，高钢级套管的需求量也在加大［1-12］。API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》中的石油套管钢级按使用条件分为4组，其中Q125钢级石油套管属于高强度、高韧性套管，制造方法为无缝工艺或电焊工艺，热处理方式由制造厂选择进行全长淬火+回火热处理。PSL-2类石油套管是在API Spec 5CT—2011标准PSL-1类石油套管要求的基础上，根据其适用环境对各钢级提出了额外要求，在产品的性能指标上主要增加了统计冲击功的要求。为了满足市场需求，适应油田的工作条件，设计生产满足API Spec 5CT—2011标准要求的Q125钢级石油套管势在必行。

天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）试制生产Q125钢级高强度石油套管时，以Mn-Cr-Mo中碳钢为基础，通过合理设计、控制合金元素总含量，采用电炉冶炼→精炼→真空脱气→连铸工艺生产连铸圆管坯，然后在连轧管机组轧制成型，后续采用淬火+回火的热处理方式调整产品组织性能，使产品的机械性能、硬度、统计冲击功等满足API Spec 5CT—2011标准对PSL-2类Q125钢级的性能要求。这里主要论述Q125钢级高强度石油套管的试制生产情况［13］。

1 产品主要技术指标

天津钢管依据API Spec 5CT—2011标准对PSL-2类Q125钢级的屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度和冲击功要求，结合天津钢管生产实践经验，制定Q125钢级高强度石油套管的力学性能指标，Q125钢级高强度石油套管的力学性能指标见表1。

表1 Q125钢级高强度石油套管的力学性能指标

2 材料的设计及制管工艺设计

2.1 材料成分设计

材料以Mn-Cr-Mo中碳钢为基础，通过合理配比合金元素的含量，保证合金元素总含量≤2.5%。合金元素的加入，首要的目的是提高钢的淬透性，保证在淬火时全壁厚容易获得马氏体；其次是提高钢的回火稳定性，使淬火钢在回火时析出的碳化物更细小、均匀和稳定，经自然冷却后获得更高的强度；同时降低P、S元素的含量，以减少夹杂物对钢脆性的影响［14-15］。冶炼采用电炉冶炼+精炼+真空脱气+连铸的工艺流程，主要化学元素成分控制范围见表2。

表2 Q125钢主要化学元素成分（质量分数）控制范围 %

Mn和Fe形成固溶体，提高铁素体和奥氏体钢的硬度与强度；同时Mn在钢中使珠光体细化，也能够间接提高钢的强度，Mn具有稳定奥氏体组织的能力，能够很好地增加钢的淬透性，并且Mn可以使钢在热处理后的组织均匀、细化，避免渗碳层中碳化物的聚集成块。

Cr元素可以显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，减缓奥氏体的分解速度，通过调质热处理提高钢材的淬透性；防止回火脆性，提高钢的抗回火性或回火稳定性，使钢经淬火、回火后具有较好的综合力学性能，并提高材料表面的耐磨性。

Mo在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，Mo是缩小奥氏体相区的元素，在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，在调质钢中，Mo能够促使管材淬深、淬透，提高钢管的抗回火性或回火稳定性，使管材可以在较高温度下回火，从而更有效地消除（或降低）残余应力，提高塑性。

通过对钢中合金元素Mn+Cr+Mo进行合理控制，能够起到细化晶粒、优化钢材组织结构的作用，有助于提高钢管淬透性，提高钢管的拉伸及冲击性能。

2.2 制管工艺流程设计及主要工序描述

2.2.1 制管工艺流程设计

天津钢管根据现有生产设备，制定的制管工艺为：管坯锯切→环形炉加热→斜轧穿孔→Φ168 mm PQF连轧管机连轧［16-20］→再加热炉加热→SRM张力定（减）径机定（减）径→冷床冷却→管排锯机锯切→矫直→过程探伤→中间库→热处理（淬火+回火）→热矫直→超声波探伤→车丝→水压、通径→测长及称重→喷标打印→成品打捆入库。

2.2.2 试制过程主要工序描述

对产品试制成功起主要影响作用的工序有：冶炼工序中的精炼、真空脱气、连铸；轧管机组热轧工序中的管坯加热、斜轧穿孔、连轧、SRM张力定（减）径机定（减）径；热处理工序中的淬火、回火。

（1）冶炼工序。精炼工序保证坯料成分精确控制在目标范围内，且波动量较少，为热处理后产品的性能指标及性能稳定性提供了有力保障；真空脱气工序可保证材料中气体含量、有害元素、夹杂物含量处于较低水平；连铸工序中采用多极液压式结晶器振动及液面自动控制技术、电磁搅拌技术，可保证成品管坯无成分偏析，坯料内部皮下裂纹、皮下气泡、中部裂纹、心部裂纹、缩孔、洁净度、翻皮、白点、异金属夹杂物等符合相关要求［21-23］。

（2）热轧工序。加热管坯时，要保证管坯加热到奥氏体化温度，应避免过热、过烧，以免在热成型或热处理后出现裂纹等表面缺陷，以及降低热处理后产品的延展性；在斜轧穿孔、连轧工序，应保证在奥氏体区实现高温大变形［24］；在张力定（减）径工序，应保证产品的几何尺寸符合API Spec 5CT—2011标准要求。

（3）热处理工序。淬火、回火工序是实现产品具有良好机械性能和高韧性最关键的工序。淬火工序应保证钢管在加热到完全奥氏体化之后，采用内喷+外淋的水淬方式或浸入式淬火方式，使钢管纵向及径向组织均匀且完全淬透；高温回火时，根据材质化学成分将钢加热到一定温度，并根据成品外径及壁厚保温一定时间，然后空冷，使淬火后的马氏体组织完全转化为回火索氏体组织［25］。

3 产品试制情况及结果分析

天津钢管试制Q125钢级Φ127 mm×9.19 mm规格高强度石油套管时，使Φ210 mm合格圆管坯经Φ168 mm PQF连轧管机组轧制，然后淬火（920℃±10℃保温17 min）+回火（620℃±10℃保温35 min）热处理。从试制产品的管端取样，按照API Spec 5CT—2011标准要求检测其纵向拉伸性能、冲击性能和硬度。Q125钢级Φ127 mm×9.19 mm规格高强度石油套管的拉伸性能检测结果见表3，冲击性能和硬度检测结果如图1所示。

表3 Q125钢级Φ127 mm×9.19 mm规格高强度石油套管的拉伸性能检测结果

图1 Q125钢级Φ127 mm×9.19 mm规格高强度石油套管的冲击性能和硬度检测结果

从表3可以看出：此次生产的Φ127 mm×9.19 mm规格Q125钢级高强度石油套管的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功均符合API Spec 5CT—2011标准PSL-2类产品要求；屈服强度高出API Spec 5CT—2011标准要求50～80 MPa，基本达到预期目标值；抗拉强度高出API Spec 5CT—2011标准要求65～90 MPa；屈强比在0.90以上；伸长率约为API Spec 5CT—2011标准要求的2倍，材料的延展性较好。

从图1可以看出：此次生产的Φ127 mm×9.19 mm规格Q125钢级高强度石油套管，其纵向冲击试验（取样30个样本，每个样本3组，共90组试验值）最小值84 J，平均值94 J，高出API Spec 5CT—2011标准要求值39 J的两倍有余。

根据 API Spec 5CT—2011标准 A.7节（SR12统计冲击试验）要求，对PSL-2类 Q125钢级石油套管进行统计冲击试验，具体计算公式如下：

式中Smin——批试验冲击功的最小值，J；

S平均——批试验冲击功的平均值，J；

F——系数，由API Spec 5CT—2011标准表C.51或E.51确定；

σlot——批试验冲击功的标准偏差，J。

从图1可知，批试验冲击功的平均值S平均为93.611 1 J，标准偏差为3.764 7 J，F取4.022；因此可由公式（1）计算出该Φ127 mm×9.19 mm规格Q125钢级高强度石油套管的批试验冲击功的最小值Smin为78 J，满足API Spec 5CT—2011标准规定的最低要求39 J，剪切面积百分比全部达到100%，证明统计冲击功完全满足API Spec 5CT—2011标准要求。

由图1还可以看出：此次生产的Φ127 mm×9.19 mm规格Q125钢级高强度石油套管的硬度平均值为34 HRC，标准偏差为0.659 2 HRC，内表面、中部、外表面的硬度值变化≤4 HRC。

此外，金相检验发现，该材料的微观组织全部为回火索氏体，晶粒度为8.5级，达到预期目的。

4 工业推广情况

影响管材性能的主要因素有：材料的化学成分，淬火、回火温度及其保温时间等。在生产Φ127 mm×9.19 mm规格Q125钢级高强度石油套管时，Mn、Cr、Mo均是能够影响奥氏体相区的元素，通过合理的合金加入量，可以提高钢管淬透性，保证钢管各项性能。淬火温度（920±10）℃，保温时间控制在17 min，能够在不影响批量生产节奏的前提下，保证管材组织的奥氏体成分均匀化。同时，经过（620±10）℃回火后，Q125钢级高强度石油套管的组织为回火索氏体，各项性能指标均能达到预期；当回火温度继续升高，组织发生再结晶现象，并逐渐出现少量的多边形铁素体，势必会导致强度有一定幅度下降，虽然仍能够达到API Spec 5CT—2011标准要求，但效果不佳。综合考虑，将热处理制度制定为淬火（温度920℃±10℃，保温17min）+回火（温度620℃±10℃，保温35 min），能够符合生产实际，并保证产品性能满足标准要求。

近三年，天津钢管生产了Φ88.9，101.6，177.8，244.48，339.72 mm规格的油套管及配套接箍料共2 500 t以上，其产品的力学性能全部符合API Spec 5CT—2011标准对Q125钢级的要求。统计不同规格产品的力学性能，结果显示：Φ88.9，101.6，177.8 mm规格油套管的屈服强度、抗拉强度在API Spec 5CT—2011标准要求的上限水平，伸长率约为该标准要求的2倍，冲击韧性指标高出该标准要求的2倍有余，硬度变化值≤4 HRC；Φ244.48，339.72 mm规格油套管的壁厚相对较厚，其屈服强度、抗拉强度在API Spec 5CT—2011标准要求的中下限水平，伸长率接近该标准要求的2倍，冲击韧性指标高出该标准要求的2倍，硬度变化值≤5 HRC。由此可以看出，天津钢管生产的Q125钢级油套管产品，其综合性能良好，完全能够满足API Spec 5CT—2011对PSL-2类Q125钢级的要求。

此外，API Spec 5CT—2011标准规定PSL-3类Q125钢级石油套管的屈服强度上限值为965 MPa；因此，若后续开发PSL-3类Q125钢级石油套管，应对材料化学成分或热处理制度进行重新调整，以降低其屈服强度目标值及变化范围。

5 结 语

天津钢管生产的Q125钢级高强度石油套管，其产品的力学性能、硬度、统计冲击功等指标处于API Spec 5CT—2011标准PSL-2类Q125钢级的中上限水平。目前，天津钢管已实现了Φ88.9～339.72 mm各规格Q125钢级高强度油套管的工业化生产。