【摘 要】
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随着石油天然气等开发工业的深入发展,油气井的开采深度越来越深,所面临的地质条件越来越复杂,对在油井中起关键作用的石油套管的要求也越来越特殊和苛刻,当前API钢级石油套管的强度与韧性等性能指标已难以满足需求。因此,对生产非API钢级既具有高强度还具有高韧性石油套管工艺的开发变得尤为重要。热轧无缝钢管在线控制冷却技术有利于实现初次组织的调控,进而提升套管强韧性。本文结合与宝钢合作开展的热轧无缝钢管控制
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随着石油天然气等开发工业的深入发展,油气井的开采深度越来越深,所面临的地质条件越来越复杂,对在油井中起关键作用的石油套管的要求也越来越特殊和苛刻,当前API钢级石油套管的强度与韧性等性能指标已难以满足需求。因此,对生产非API钢级既具有高强度还具有高韧性石油套管工艺的开发变得尤为重要。热轧无缝钢管在线控制冷却技术有利于实现初次组织的调控,进而提升套管强韧性。本文结合与宝钢合作开展的热轧无缝钢管控制冷却系统开发项目,针对V140石油套管钢进行成分设计、连续冷却相变行为研究、热变形行为研究和实验室轧制及热处理实验,开展控制冷却工艺对组织性能规律影响的研究。本文的主要研究内容和结果如下:（1）以Cr-Mo系合金为基础,采用低C、Mn元素,控制P、S含量,同时加入Nb、V等合金元素对成分进行了设计。通过金相观察法及全自动相变仪实验,获得08Nb实验钢的静态CCT曲线,并分析了不同冷却速率对实验钢显微组织的影响。由实验结果可知:08Nb实验钢在静态连续冷却转变情况下,在冷速为0.1℃/s时,显微组织由F+B组成;在冷速为0.5～2℃/s时,组织全部为B;而在冷速大于5℃/s时,组织中马氏体相变开始发生,显微组织由B+M组成;在冷速超过20℃/s时,显微组织全部由M组成。（2）通过金相观察法及全自动相变仪实验,获得了 08Nb实验钢的动态CCT曲线,实验钢经过热变形以后,铁素体相变区域扩大,当冷却速率为2℃/s时,组织中仍存有部分铁素体;实验钢相变起始温度得到提升,马氏体及贝氏体的转变区域同样在一定程度上有所扩大,相变过程的进行速度得到提升。（3）通过高温单道次压缩实验研究了 08Nb实验钢的热变形行为,实验温度范围在800～1100℃,应变速率为0.1～10s-1。测定了实验钢的真应力-真应变曲线,对在不同应变速率及变形温度条件下,实验钢热变形过程中的动态再结晶行为进行了分析;研究了实验钢在高温压缩过程中变形行为及组织演化规律;通过计算得到热变形激活能为367.668kJ/mol,建立了实验钢的高温本构方程并回归了变形抗力数学模型,为后续实验热加工过程作理论参考。（4）实验室轧制及热处理实验研究结果表明:轧后空冷离线调质08Nb实验钢的轧制工艺为加热温度1200℃,终轧温度850℃～870℃,热处理工艺为再加热淬火温度910℃,保温40min,回火温度620℃,保温90min;轧后淬火离线调质08Nb实验钢终轧温度850℃～870℃,再加热淬火温度910℃,保温40min,回火温度620℃,保温90min。两种工艺下的实验钢力学性能均能满足国内V140钢级石油套管性能要求,且两种工艺的最终组织均为回火索氏体组织。（5）研究了相同热处理条件下,轧后空冷、轧后淬火和轧后控制冷却至650℃后空冷,三种不同轧后冷却方式对08Nb实验钢显微组织与性能的影响。由实验结果可知:轧后淬火工艺实验钢的效晶粒尺寸最小且大角晶界占比最高,分别为0.858μm和36.3%,其强度与韧性表现也相对较好。同时,研究了轧后淬火工艺在910℃再加热淬火与620℃回火热处理工艺下的强化机制,其主要的强化机制中贡献最多的为固溶强化与细晶强化,其次是位错强化,最后是析出强化。
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