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P110钢级石油套管热处理工艺探讨
郭兆成 石晓霞 马爱清
摘要：文章通过对不同淬火温度、回火温度以及回火保温时间下的30MnCr22钢调质生产的P110钢级石油套管力学性能的实验室研究，得出热处理对P110钢级石油套管力学性能的影响趋势，筛选出最佳的热处理制度应用于当前工业化生产中。
关键词：P110；热处理；力学性能

对淬火工艺而言，为实现淬火首先必须将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上获得马氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界淬火速度（Vc），以得到全部马氏体组织。为此，必须注意选择适当的淬火温度和冷却速度。淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上30～50℃；对于低合金钢，淬火温度亦应根据临界点Ac1或Ac3确定，考虑合金元素的作用，为了加速奥氏体化，淬火温度可偏高些，一般为Ac1或Ac3以上50～100℃。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。
1 CCT曲线
实验室对30MnCr22生产的P110钢级石油套管进行了取样CCT曲线实验，实验结果见图1所示。

图1 30MnCr22钢的CCT曲线图
2 热处理制度对P110钢级石油套管性能的影响
从图1 CCT曲线实验结果可以看出，30MnCr22钢的Ac1=720℃，Ac3=804℃。为了加速奥氏体化，淬火温度可偏高些，一般为Ac1或Ac3以上50～100℃。实验室采用的P110钢级石油套管规格为177.80mm×9.19mm，试样为热轧状态。轧态化学成分如表1所示。
表1 30MnCr22钢化学成分（质量分数） %
C
Si
Mn
P
S
Cr
Al
≤0.35
≤0.35
≤1.50
≤0.030
≤0.020
≤1.10
≤0.030
初步设定P110钢级石油套管淬火温度为850～920℃，保温时间30 min，回火温度为500～650℃，回火保温时间为30～80 min。
2.1 回火保温时间对P110钢级石油套管性能的影响
淬火温度为890℃保温30 min，回火温度为570℃时屈服强度、抗拉强度、延伸率及冲击功随回火保温时间的变化如图2所示。

图2 回火保温时间对强硬度、塑韧性影响
从图2可以看出，随着回火保温时间的延长，抗拉强度、屈服强度和硬度值均振荡走低；延伸率和冲击功却在振荡走高。
2.2回火温度对P110钢级石油套管力学性能的影响
当淬火温度为880℃保温30 min，回火温度为500～650℃，保温时间为50 min时，回火温度对力学性能的影响见图3所示。

图3 回火温度对性能的影响
从图3可以看出，880℃淬火保温30 min，随着回火温度的升高，抗拉强度和屈服强度振荡走低，延伸率和冲击功振荡走高。
2.3 淬火温度对P110钢级石油套管力学性能的影响
850～920℃淬火，保温30 min，580℃回火保温50 min时力学性能随淬火温度的变化趋势如图4所示。

图4 淬火温度对性能影响
从图4可以看出，抗拉强度和屈服强度随淬火温度升高振荡走低，延伸率和冲击功随淬火温度升高振荡走高。
3 分析与讨论
（1）低合金钢力学性能随回火温度升高的变化趋势是强度下降，塑性韧性上升[1]。随着回火温度升高，屈服强度、抗拉强度呈降低趋势，延伸率和冲击韧性呈上升趋势。因为淬火得到马氏体组织，回火时随回火温度升高到500℃以上时再升高温度得到的回火索氏体组织中的碳化物发生聚集长大，造成强度、硬度下降，塑性、韧性提高。
（2）同样温度回火时，随着淬火温度的升高，材料的屈服强度、抗拉强度呈上升趋势，延伸率和冲击韧性呈下降趋势。30MnCr22属于亚共析钢，淬火加热温度要高于Ac3，使钢的组织全部奥氏体化，淬火温度越高，奥氏体晶粒越粗大，碳化物充分溶入奥氏体且成分均匀化，淬火后马氏体中的含碳量增加，强度、硬度增加。但由于随着淬火加热温度的增加，原子扩散的激活能Q减小，晶粒长大速度增加，奥氏体晶粒开始粗化，淬火后形成的马氏体板条也越粗大[2]。钢的塑性、韧性降低。
（3）通过以上实验结果，筛选出最佳热处理制度为880 ℃淬火保温30 min，580℃回火保温 50 min。
4 现场工业生产
现场试验热无缝钢管规格为177.8mm×9.19mm，热处理制度为880 ℃淬火保温30 min，580℃回火保温 50 min，力学性能见表2所示。
表2 现场试验力学性能检测结果
编号
Rt0.6 /MPa
Rm/MPa
A/%
Akv/J
1
831
911
26
84 83 76
2
838
935
21
74 74 80
标准要求
758～965
≥862
≥15
≥32
注：冲击试样为3/4尺寸纵向试样，实验环境为0℃。
从现场热处理的试验力学性能检测结果可以看出屈服强度、抗拉强度、延伸率及0℃下V型冲击韧性完全符合API SPEC 5CT标准[3]的要求。
5 结论
（1）回火保温时间延长，抗拉强度、屈服强度和硬度值均振荡走低，延伸率和冲击功却在振荡走高；回火温度升高，屈服强度、抗拉强度降低延伸率与冲击功升高；淬火温度升高，屈服强度与抗拉强度升高，延伸率与冲击功降低。
（2）筛选的最佳热处理制度为880℃淬火保温30 min，580℃回火保温50 min，并将其应用于工业化生产中， P110钢级石油套管屈服强度，抗拉强度、冲击韧性、延伸率完全符合API标准要求。

参考文献
[1] 中国冶金百科全书, 中国冶金百科全书总编辑委员会. 金属材料[M].北京：冶金工业出版社，2001
[2] 李亚欣, 刘雅政, 赵金锋等. P110级25MnV钢石油套管热处理工艺的优化[J]. 特殊钢，2009，6：38.
[3] API spec 5CT 套管和油管规范[S].

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