2507超級雙相不銹鋼無縫管的穿孔熱軋工藝研究

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用穿孔方法制造2507超級雙相不銹鋼無縫管的工藝研究，與奧氏體不銹鋼相比，特別是在氯離子存在的環(huán)境中，雙相不銹鋼管具有優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂性能。但此類鋼種熱加工差，極易產生開裂。經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化，仍可以采用斜軋穿孔的方法生產雙相不銹鋼無縫管。穿孔軋制后，內外表面無裂紋；固溶處理后，屈服強度達到80ksi；金相組織為鐵素體和奧氏體，且兩相比例接近1:1。

 隨著新興國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界能源的需求大幅增長。特別是天然氣和石油的開采需要向高溫高壓的地層延伸，而更深地層環(huán)境中多含有硫化氫和二氧化碳氣體，因此油管要暴露更為惡劣的腐蝕環(huán)境中。例如國內的川東、新疆等地區(qū)，國外的例如土庫曼斯坦和巴西等地，這些油氣田的勘探和開采，都遇到了高溫高壓、含有二氧化碳、硫化氫、氯離子共存的難題，環(huán)境因素都對普通碳鋼管材具有強烈的腐蝕性，因此必須使用高合金鋼或不銹鋼材質的管材來確保油氣井的安全。

 超級雙相不銹鋼管的金相組織既含有奧氏體又有鐵素體，且兩相組織含量約為1:1。通過鉻、鉬、和氮元素的添加，使其點蝕抗力當量（PRE）值大于35，從而顯著提高了此類不銹鋼的抗點蝕能力。另外，雙相不銹鋼管還具有良好的耐高二氧化碳含量和少量硫化氫含量的應力腐蝕性能、耐氯化物應力腐蝕性能、耐縫隙腐蝕性能、優(yōu)異的加工硬化能力、良好的可焊性等優(yōu)點，被越來越廣泛的應用于石化行業(yè)、化工系統(tǒng)等領域。近年來越來越多的國內外油田需求超級雙相不銹鋼管作為油井管材料，然而此類不銹鋼的熱加工開裂顯著影響其成材率。

 雙相不銹鋼由于較高的合金含量以及雙相組織的特點，相對于奧氏體不銹鋼，其高溫熱塑性大大降低，在高溫鍛造以及熱加工過程中極易產生開裂，制造此類鋼種的無縫鋼管便是一個典型的例子。除此之外，較高的合金含量還容易促使形成各種析出物，如σ相、x相、Cr2N和碳化物等，降低鋼種的沖擊韌性以及應力腐蝕性能，因此需要嚴格控制熱處理的加熱和冷卻工藝。

 斜軋穿孔按照軋輥的數(shù)目可分為二輥斜軋穿孔和三輥斜軋穿孔機。按照軋輥的形狀分為盤式穿孔機、錐形輥穿孔機和桶形輥穿孔機。采用斜軋穿孔的方式制造無縫鋼管具有較高的成材率，一般可以達到90%以上，并且可生產長度大于10m的無縫鋼管，因此較熱擠壓方法具有顯著的成本優(yōu)勢。然而采用此種方式制造雙相鋼無縫鋼管同樣存在軋制開裂的問題，另外，雙相鋼較高的變形抗力也會造成軋機負荷過大，難以順利軋制。因此開發(fā)一種合適的斜軋穿孔工藝，對于經(jīng)濟、高效的生產雙相不銹鋼無縫鋼管，具有很大的工業(yè)應用價值。

 雙相不銹鋼的熱加工塑性要低于奧氏體不銹鋼以及低合金鋼，而較高的合金元素含量又顯著提高了熱變形抗力，另外，在熱加工時奧氏體相和鐵素體相的相比例不同，并且其變形行為不同，熱加工時在兩相中產生不均勻的應力和應變分布，從而導致裂紋沿相界面成核和擴展。因此，為了較為順利的實現(xiàn)雙相不銹鋼無縫管的斜軋穿孔，鋼坯的加熱溫度以及熱穿孔軋制變形參數(shù)需要嚴格控制。

 雙相鋼鋼坯成分為00Cr25Ni7Mo4N，合金牌號為UNS32750，所用鋼坯的化學成分見表，各元素含量滿足標準要求，鋼坯外徑為75mm，一端機械加工定心孔，直徑為30mm，定心孔深度約25mm。鋼坯穿孔前加熱溫度范圍為1270℃，保溫時間不小于30分鐘。利用感應爐對鋼坯進行加熱，感應爐溫度通過設置于爐體頂部的熱電偶控制，溫度偏差不大于3℃。鋼坯加熱溫度過高會增大鐵素體含量，并且在穿孔過程中發(fā)生開裂，溫度過低則穿孔機負荷增大，熱塑性降低同樣會導致開裂。以20℃/分鐘的升溫速率，將鋼坯加熱至設定溫度。

 穿孔軋輥采用錐形輥，穿孔輥直徑為440mm，同時采用一對水平布置的導板限制穿孔后外徑的增大，穿孔輥的轉速設定為70rpm，如果轉速過高，會增大穿孔過程中的變形抗力，而轉速過低，則不利于鋼坯的順利咬入。調整軋輥之間的距離以及導板距離，以便使鋼坯咬入時具有合適的橢圓度和變形量，如果變形量過大容易引起鋼坯軋制過程中發(fā)生開裂。選擇合適的咬入角有利于鋼坯的縱向變形，提高二次咬入的效率。穿孔頂頭材質為粉末冶金燒結的鉬基合金，因為該合金具有極高的高溫強度和耐磨性，并且頂頭表面的氧化鉬可以起到一定的潤滑作用。為了防止熱軋后金屬間化合物的析出，穿孔后鋼管均采用水冷方式，將其快速冷卻至室溫。

 本次穿孔鋼坯3支，經(jīng)過穿孔后，肉眼觀察內、外表面無裂紋，未見內折、外折和分層等軋制缺陷，采用超聲波設備對鋼管進行無損探傷，反射波清晰無雜波，探傷結果良好。穿孔后鋼管的名義尺寸為77mm×8.5mm。沿鋼管長度方向取8個位置，分別測量外徑與壁厚，對鋼管的尺寸進行測量。表2所為鋼管的幾何尺寸以及偏差，可以看出穿孔后鋼管的尺寸精度較高，表中的標準值取自API5LC。

 對鋼管進行固溶處理，即將鋼管加熱到1120℃并保溫，保溫時間為30分鐘，隨后進行快速冷卻，冷卻速率不低于20℃/s，冷卻方式為水冷。如果冷速太慢，組織中容易形成金屬間化合物。沿鋼管縱向取力學性能試樣進行室溫拉伸實驗與沖擊實驗，可以看出穿孔后各試樣的屈服強度差別不大，且延伸率較高，沖擊韌性良好，滿足APl-5LC標準要求。對固溶處理后鋼管取金相試樣進行顯微組織觀察，可以看出金相組織有奧氏體與鐵素體兩相組成，兩相分布均勻，圖像分析軟件測得兩相面積百分比接近50%，未觀察到σ相，x相以及大量氮化物和碳化物的形成。

 通過斜軋穿孔工藝可以成功軋制2507超級雙相不銹鋼無縫管，但是需要嚴格控制鋼坯的加熱溫度以及穿孔的各項參數(shù)，經(jīng)過固溶處理后，各項力學性能指標良好，屈服強度可以達到80ksi，-10℃沖擊功不低于100J。金相組織主要為奧氏體和鐵素體，沒有觀察到金屬間化合物的形成。