高频直缝焊管Ｑ１２５钢级石油套管的研制

介绍了利用轧制的钢板通过调整轧机成型焊接工艺，获得Ｑ１２５钢级坯管，进而将该套管通过淬火＋回火的热处理工艺以获得Ｑ１２５钢级材质套管的研制过程。重点对钢板的化学成分、成型焊接工艺、淬火温度、回火温度、金相组织形态等方面的参数对Ｑ１２５钢管的性能的影响进行了具体的论述。

随着世界经济的发展对能源需求和石油需求的增加，石油工业的发展对石油套管的需求与日俱增。国内焊管行业利用此次机会得到了发展和壮大，国内焊管生产线近１０００多条，由于没有后续的热处理设备，绝大部分只能生产Ｈ４０、Ｊ５５钢级低端的石油套管，大量出口，直接导致国际、国内市场石油套管价格低下，形成恶性竞争态势。随着石油天然气开采技术的发展，以及目前国内油田预防和修复套损井及建设深井的需求，对Ｑ１２５钢级套管的需求越来越多，Ｑ１２５钢级套管具有管体强度高，抗挤毁强，冲击韧性好等优点。

华锐石油钢管有限公司根据形势和公司自身拥有高水平ＥＲＷ生产线和钢管整体热处理（和精整）的优势，研制开发出了ＨＦＷＮ８０Ｑ、Ｐ１１０钢级套管，并在高频直缝焊Ｎ８０Ｑ、Ｐ１１０钢级套管研制基础上，把产品定位在了更高的Ｑ１２５钢级套管的开发研制上。

１原材料的研究

高频直缝焊管是由热轧卷板成型焊接而成，受现场焊接、热处理和轧制工艺的影响，Ｑ１２５钢级的套管不能由Ｑ１２５钢板直接焊接而成，要获得Ｑ１２５钢级的套管就需要能够通过调质达到Ｑ１２５性能的钢带，而钢带的化学成分热处理调质的性能起着决定性的作用，改变其化学成分可以改变钢带的力学性能、淬透性等重要指标。

淬透性是衡量钢带能否成功的制造出Ｑ１２５钢级的重要因素，获得较高的力学性能需要提高套管管体的淬透性，影响管体淬透性的主要因素有：原材料的化学成分、淬火加热温度、冷却介质的特性、冷却的方式方法以及加热方式等。钢的淬透性主要决定于临界冷却速度，临界冷却速度越小，钢的淬透性就越好，在合金元素中Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ等都有提高淬透性的作用。在水淬前提下，应保证整体壁厚淬透，同时为减少淬火裂纹倾向，将Ｃ含量控制在≤０．３０％。再考虑到Ｑ１２５钢的抗回火软化能力及回火脆性趋势，更易于控制。

为保证套管的工艺性能、使用性能，对套管用原材料的合金成分进行了多次试验、优化，形成了套管用原材料的特有成分和性能。研制出一种能通过调质而生产Ｑ１２５钢级性能的钢带，其化学成分如表１，力学性能如表２所示。通过上表钢带在热处理前的性能已经达到了ＡＰＩ５ＣＴ标准中Ｎ８０钢级材质的要求。

２工艺与实验

要想获得高性能的Ｑ１２５材质的钢管，焊接和热处理的工艺尤其重要，首先要保证管坯焊缝质量，其次要保证整体热处理后的性能。

２．１成型焊接工艺的研究

为了保证管坯钢带的焊缝焊接质量，高频焊管在成型焊接时要对如下焊管轧机的成型工艺进行调整和控制：

加大成型辊的挤压量，要保证挤出足够的熔融状态的金属氧化物，以提高焊缝的冲击功。适当控制焊接流线角，通过大量的实验，当焊接流线夹角在６５～７０°左右，焊缝融合线在０．１ｍｍ时焊缝冲击功达到最大值（冲击值≥５０Ｊ，３／４尺寸，０℃），焊缝形态如图１所示。

２淬火温度、回火温度对性能的影响

为了验证所设计的热处理温度对钢管性能的影响，对焊接好的管坯进行淬火、回火热处理来试验钢管管体的力学性能，淬火温度９００℃，回火温度从４９０℃至６００℃，在不同温度下的力学性能如表３（以１７７．８０×９．１９为例）。回火温度和屈服强度、抗拉强度的关系如图２，可以得出屈服强度、抗拉强度是随着回火温度的升高而降低的。延伸率是随着回火温度的升高而增大的。

根据ＡＰＩ５ＣＴ标准，Ｑ１２５钢级屈服强度范围是８６２～１０３４ＭＰａ，抗拉强度≥９３１ＭＰａ，延伸率≥１３％（以９．１９ｍｍ壁厚为例）。该钢管回火温度在５１０～６１０℃时，都满足标准的要求，考虑到实际生产中的炉温控制，原材料成分等因素，把回火工艺定为５３０～５７０℃，并在试验中得到了验证。

２．３金相组织检验

在确定回火工艺后，钢管在５３０、５７０℃时的金相组织如图３、图４，金相组织是回火索氏体组织。回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。经充分回火的索氏体已没有针的形态。回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在铁素体基体上；回火索氏体组织具有较高塑性与韧性，具有良好的综合性能。

２．４冲击韧性实验

选取其中的部分钢管做冲击韧性试验，试验标准按照ＡＰＩＳＰＥＣ５ＣＴ执行，做管体纵向冲击试验，冲击值都远远大于标准所规定的数值（如表６所示），满足相关标准要求。因此，证明采取的工艺是合理的，切实可行。

３结论

（１）试制的Ｑ１２５石油套管力学性能指标都达到了ＡＰＩＳＰＥＣ５ＣＴ标准的要求，屈服强度达到了标准的上限，管体的延伸率也比标准高出５０％以上。

（２）套管管体冲击值比ＡＰＩＳＰＥＣ５ＣＴ标准指标高出１倍左右，表明该批套管在具有高强度的同时也具有比较高的冲击韧性，即强韧性搭配合理，这样保证了套管在完井时的射孔性能优异。

（３）充分利用钢中含Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等元素的特点，使该产品具有抗深井高温的特性，在井下服役环境下，能够保持所需的强度、韧性和抗挤毁性能。