大直径P110钢级套管热处理工艺研究

孙晶，藏中山，梁红星，马继顺，金 梅，王洪兵，李柄睿

(1. 山东墨龙石油机械股份有限公司 山东 寿光 262700； 2. 中国商用飞机有限责任公司 上海 201324；3. 青岛工学院 山东 青岛 266300)

0 引 言

随着石油行业的发展，石油工业用钢的需求量日益增加，高钢级油套管需求量更是逐年增大，但是随着套管制造行业的不断竞争和原材料价格的不断上涨，其附加值逐步萎缩。P110是目前广泛使用的石油套管钢级，强度和韧性均较高，具有良好的综合力学性能[1-3]。许占海等人[4-5]提出的经济型30MnCr22钢种开始在P110钢级套管得到初步应用，但是实际生产发现，其应用于大直径套管时，回火温度过低，导致矫直终了温度存在低于400 ℃的情况，不能满足P110钢级PSL2等级的要求。

JMat Pro是英国Sente Software公司开发的材料性能模拟软件，基于金属材料类型可以计算模拟材料的多种性能和相图[6]。本文采用JMat Pro软件对新设计的30Mn2Cr试验钢进行热力学及相变计算分析，为该试验钢热处理工艺的设计和制定提供理论依据。

1 化学成分设计及热力学计算

30Mn2Cr试验钢的化学成分见表1，将表1中化学成分在JMat Pro软件中进行热力学模拟计算。图1为试验钢400～1 000 ℃平衡相组成计算结果，从图中可以看出，试验钢在400 ℃下由铁素体、碳化物M7C3和非金属化合物MnS组成。随着温度升高，605 ℃时碳化物M7C3完全溶解，700 ℃时奥氏体开始出现转化，并在790 ℃时达到99.99%，剩余部分为非金属化合物MnS。渗碳体在480 ℃开始出现，610 ℃趋于最大值，722 ℃完全溶解。

表1 P110钢种化学成分(质量分数) %

图1 30Mn2Cr试验钢在400～1 000 ℃范围内的各温度点平衡相组成

2 热处理参数计算

2.1 30Mn2Cr试验钢的TTT和CCT曲线图计算

30Mn2Cr试验钢的TTT等温转变曲线和CCT过冷奥氏体等温转变曲线如图2所示。图中给出了相变点A3、A1、Bs、Ms、Mf的数值，具体数值见表2。可以看出30Mn2Cr试验钢的A3温度为786.2 ℃，A1温度为722.0 ℃。奥氏体化转变温度Ac3按照Andrews热处理经典公式(1)[7]计算为815 ℃。由于公式计算与实际Ac3转变温度存在一定的差距，结合在线热处理生产设备精度设计钢种淬火温度为900 ℃。30Mn2Cr试验钢的CCT曲线图给出了五条不同的冷却路线(图2b)，分别为100.0、 10.0、1.0 ℃/s、0.1和0.01 ℃/s。其中最大冷速100.0 ℃/s下，马氏体转变温度为364.3 ℃，在329.9 ℃获得50%马氏体含量，在250.2 ℃获得90%马氏体含量。采用软件的鼠标获取功能可以得到此冷速下的最大马氏体含量为98.91%，其余组织为0.11%的奥氏体、0.12%的铁素体和0.86%的贝氏体。表3为不同冷速下30Mn2Cr试验钢力学性能计算值，从表中可以看出，在100.0 ℃/s冷速下试验钢的抗拉强度为1 710.7 MPa，屈服强度1 481.6 MPa，高于标准规定的P110钢级套管屈服强度在758～965 MPa之间和抗拉强度≥862 MPa的要求，表明经过适当温度回火处理后，30Mn2Cr试验钢能够达到P110钢级套管的强度要求。

表3 不同冷速下30Mn2Cr试验钢的力学性能计算值

图2 钢种的TTT和CCT曲线

表2 30Mn2Cr试验钢相变点 ℃

Ac3(℃)=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+
104V+31.5Mo+13.1W

(1)

式中的元素符号代表其含量(质量分数，下同)，适用钢的成分范围为：C≤0.6，Mn≤4.9，Cr≤5.0，Ni≤5.0，Mo≤5.4。

2.2 回火后的强度计算

图3为软件模拟出的30Mn2Cr试验钢在900 ℃淬火+回火保温10 min条件下，强度随回火温度变化的趋势图。从图中可以看出，随着回火温度的升高，抗拉强度和屈服强度呈现降低的趋势。表4为JMat Pro计算出的30Mn2Cr试验钢在900 ℃淬火条件下，各个回火温度保温10 min后的屈服强度和抗拉强度值。从表4中可以看出，回火温度460 ℃时屈服强度高于P110钢级要求，500～580 ℃时屈服强度满足P110钢级要求，580 ℃时屈服强度已处于P110钢级套管的下限。

图3 30Mn2Cr试验钢不同工艺回火后的屈服强度和抗拉强度变化

表4 不同回火温度下的力学性能计算值

3 小试样热处理炉验证试验

根据以上计算结果和工业热处理设备状况，设计30Mn2Cr试验钢的小试样热处理炉验证工艺。取5件339.72 mm×12.19 mm长300 mm的管段进行900 ℃淬火+5种不同回火温度验证试验，回火温度分别为470、500、530、560、590 ℃。管段在井氏电阻炉内加热和保温，炉内时间设计同在线热处理保持一致，淬火炉内时间70 min，回火炉内时间110 min。

按照API Spec 5CT标准要求进行试验管段的拉伸及冲击韧性试验，拉伸试样为38.1 mm纵向条形，冲击试样为10 mm×7.5 mm×55 mm横向样[8]。试验设备为WAW-600C万能拉伸试验机和JB-300B半自动金属摆锤冲击试验机。

表5为钢种热处理验证试验的力学性能试验结果。从表5可以看出，随着回火温度的升高，抗拉强度及屈服强度均呈现降低的趋势，伸长率和冲击功则逐渐升高，这符合回火温度对一般淬火回火钢的影响规律。在500～590 ℃回火温度区间，拉伸和冲击性能均满足P110钢级的要求。其中，560 ℃回火温度下的屈服强度在标准中线，冲击功约为标准要求16 J的4倍，表明该钢管按照900 ℃淬火+560 ℃回火控制可获得良好的力学性能匹配。

表5 不同回火温度下的力学性能试验结果

4 工业热处理

表6为30Mn2Cr试验钢同30MnCr22钢种热处理339.72 mm×12.16 mm P110钢级相同屈服强度下的回火温度与矫直温度对比参数。从表中可以看出，30Mn2Cr试验钢的回火温度高于30MnCr22钢种50 ℃，矫直终了温度高40 ℃，矫直温度满足不低于400 ℃的P110钢级PSL2等级要求。在线进行了30Mn2Cr试验钢339.72 mm×12.16 mm P110钢级套管的热处理，热处理参数为 900 ℃淬火+560 ℃回火，热处理后的套管拉伸和冲击试验结果如图4所示，金相组织如图5所示。结果显示，拉伸和冲击韧性指标均达到了P110钢级的标准要求，在线工业热处理结果同小试样热处理炉验证结果一致，显微组织为回火索氏体和少量铁素体，实际晶粒度在9.5～10级之间。

表6 工业化参数对比

图4 工业验证力学性能结果

图5 工业热处理回火组织

5 结 论

1)利用JMatPro软件模拟计算，30Mn2Cr试验钢在100 ℃/s冷速下淬火可以得到98.91%的马氏体含量，抗拉强度为1 710.7 MPa，屈服强度1 481.6MPa，经过500～580 ℃回火后强度可以达到P110钢级套管的要求。

2)小试样热处理炉验证试验和在线工业热处理试验结果表明，30Mn2Cr试验钢经过900 ℃淬火+560 ℃回火后，强度和韧性匹配最优，339.72 mm×12.16 mm规格套管工业热处理后各项强度和韧性性能均满足P110钢级的标准要求，矫直温度满足P110钢级PSL2等级不低于400 ℃的规定。