UH165钢级高强度高韧性钻杆材料研究

陈长青，张晓慧，王显林，纪海涛，王青林，孔令楠

（1.渤海能克钻杆有限公司，河北 青县 062658；2.巨龙钢管有限公司，河北 青县 062658）

随着油气开发的深入，为了高效勘探和开发，超深井、定向井、大位移井及水平井等特殊结构井需求量较大［1-4］。尤其是塔里木油田等地质条件复杂，制约推广特殊结构井的因素之一是钻具的强度和安全可靠性，特别是采用“上大下小”的复合钻具时，底部小直径钻具因强度不足往往会成为事故或低效的部件［5-6］。为满足复杂地质条件下深井、定向井和水平井的安全可靠性要求，渤海能克钻杆有限公司通过优化低碳合金钢钻杆材料中C元素及Cr、Mo、Ni、Nb合金元素配比，突破超高强度材料冲击韧性低的难题，开发出一种超高韧性的UH165钢级钻杆。该UH165钢级高强度高韧性钻杆可适用于超深井等特殊工况井钻进，在发生卡钻时可大吨位上提，有利于适时解除卡钻，也可以应用于复杂工况下油气管道穿越施工作业［7］。

1 材料设计

UH165钢级高强度高韧性钻杆的规格覆盖Ф73.0～193.7 mm，要求材料屈服强度≥1 138 MPa，材料-20℃冲击功≥70 J（试样尺寸10 mm×7.5 mm），属超高强度高韧性型钻杆材料。设计UH165钢级高强度高韧性钻杆材料化学成分时，以钻杆常用普通低碳合金钢成分为基础，通过降低C含量，增加Cr、Mo、Ni、Nb合金元素，合金碳当量为0.8%。其中，Cr、Mo的添加是为了提高淬透性，Ni用来提高韧性，V、Nb用来细化晶粒［8］，以获得高强度高韧性材料体系。经理论和多次试验分析，确定了UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的化学成分，具体见表1。

表1 UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的化学成分（质量分数） %

配备好的初始原料经真空感应炉熔炼后浇铸成Φ150 mm圆坯，然后在800～1 100℃锻造成Φ30 mm圆棒，终/始截面积比（锻造后材料截面积与锻造前材料截面积之比）为4%。现有生产线将Φ150 mm圆坯连轧成Φ139.7 mm×10.54 mm钻杆，终/始截面积比为24.2%。适当降低材料终/始截面积比，有利于改善金属的组织与性能，若将初始连铸坯规格提高到Ф300 mm，终/始面积比为6%；连铸坯进一步提高到Ф370 mm，终/始截面积比为4%。因此，材料设计中加大了轧管形变量，试图提高晶粒度，同时提高试样组织的宏观均匀性。

2 热处理研究

2.1 热模拟分析

采用Gleeble 3500热模拟试验机对试验材料进行相变特征分析，热模拟通过缓慢加热及冷却，采用膨胀参数来判别材料的相变特征，材料加热过程中的膨胀曲线及Fe-C相图如图1所示。从图1可以判断，材料在加热过程中的相变情况［9］：

（1）在A区，材料没有明显的相变，只有加热引起的线性热膨胀；

（2）在B区，珠光体中的二次渗碳体开始溶解，产生体积收缩效应，导致膨胀曲线偏离直线。当温度达到共析线时，珠光体开始向奥氏体转变，体积收缩效应明显，导致膨胀曲线急剧下降。随着温度的升高，珠光体向奥氏体转变完成后，基体加热引起的热膨胀增加，膨胀曲线重新上升；

（3）在C区，是奥氏体持续转变的加热过程；

（4）在D区，随着温度升高，温度920℃以上，合金元素碳化物开始溶解，并且由于Cr、Mo、Nb等多种合金元素碳化物的不同物性，这些合金元素碳化物溶解产生体积收缩效应，首先均衡热膨胀，随后超出基体的膨胀量，使膨胀曲线下降；

（5）在E区，各类相变完成后，材料在加热驱动下，产生线性膨胀。

从图1可以看出，材料在920℃左右可完成奥氏体化转变，而在此温度之上，将发生合金元素碳化物的溶解过程。因此，考虑实际生产线与热模拟条件的差异性，在850℃以上，选用不同温度和时间，利用箱式电阻炉进行UH165钢级高强度高韧性钻杆材料小试样热处理，通过鉴别其组织差异，来确定最佳的热处理工艺。

图1 材料加热过程中膨胀曲线及Fe-C相图

2.2 奥氏体化温度的研究

采用箱式电阻炉进行不同温度淬火处理，通过MeF3A金相显微镜对其金相组织进行分析。UH165钢级高强度高韧性钻杆材料在不同温度保温30 min后，直接水淬，观察其微观组织特征。不同淬火温度下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征如图2所示。从图2可以看出，在900℃以下，奥氏体化不能完全进行，组织中存在少量铁素体；在920℃以上，奥氏体完全进行，但在1 000℃发生了明显的晶粒长大。因此，UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的最佳奥氏体化温度应该是900～950 ℃，以保留更多的弥散质点［10］。

图2 不同淬火温度下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征

2.3 奥氏体化时间的研究

奥氏体化时间的试验研究与奥氏体化温度优化同步进行。为了获得可靠的保温时间，试样在930℃保温不同时间后水淬，观察其组织特征。不同保温时间下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征如图3所示。UH165钢级高强度高韧性钻杆材料在930℃保温25 min可以完成奥氏体转变，晶粒长大不明显；保温30 min后，晶粒发生明显转变［11］。考虑试验温度高于最佳温度会引起晶粒长大，因此奥氏体化时间选30 min即可。

图3 不同保温时间下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征

2.4 回火温度的研究

在研究回火工艺时，也利用箱式电阻炉进行不同温度的回火处理，并通过MeF3A金相显微镜对试样金相组织进行分析，通过FV-700全自动维氏硬度计对试样硬度进行测试。UH165钢级高强度高韧性钻杆材料试样的淬火温度均为930℃，奥氏体化保温时间为30 min，水淬；在580～700℃回火60 min，回火后空冷至室温。不同回火温度下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征如图4所示，材料的硬度如图5所示。从图4可以看出，640℃是UH165钢级高强度高韧性钻杆材料微观组织的分界线；高于640℃，将形成黑色网状组织，这种组织实际上是碳化物在晶界上分布较多而形成的偏聚，因而造成较大的微观组织不均匀；而在640℃以下，组织相对均匀，没有黑色网状组织产生，具有良好的微观均匀性。从晶粒度参数讲，在 580～700℃回火 30 min，晶粒度均为 9.5～10.0级，这应该是合金元素Mo、Nb对晶界钉扎起到细化晶粒的作用，而且晶粒度非常稳定。从硬度参数讲，随着温度升高，材料硬度显著下降，这应该是高温下碳化物析出相增加，导致基体硬度下降造成的（图5）。此外，黑色网状相的显微硬度比白色基体明显高；因此，黑色网状相将造成微观硬度的不均匀，在载荷作用下将产生微观应力集中，不利于材料抵抗裂纹的萌生及扩展，在生产上应该避免［12］。因此，UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的调质工艺中，回火温度应限制在640℃以下。

3 性能评价

3.1 力学性能

随着材料强度等级的提升，材料冲击韧性一般指标达到1 138 MPa以上，为提高该材料强度和韧性综合性能，要求其-20℃冲击功≥70 J（试样尺寸10 mm×7.5 mm），以降低钻杆断裂风险。经过调质处理后的UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的力学性能见表2，示波冲击曲线如图6所示。

3.2 金相分析结果

在调质后的UH165钢级高强度高韧性钻杆材料上取样，对其纵向截面和横向截面进行打磨、抛光，在金相显微镜下观察其非金属夹杂物情况；再利用苦味酸溶液对其进行腐蚀，观察其晶粒度大小情况；最后用4%的硝酸酒精溶液对其进行腐蚀，观察其金相组织情况。结果发现：UH165钢级高强度高韧性钻杆材料横（纵）向截面的非金属夹杂物为环状氧化物类D0.5（细系），金相组织为回火索氏体S回，晶粒度10.0级（要求晶粒度≥6.0级）。

图4 不同回火温度下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的组织特征

图5 不同回火温度下UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的硬度

表2 UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的力学性能

图6 UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的示波冲击曲线

3.3 布氏硬度测试

将UH165钢级高强度高韧性钻杆材料硬度试样的两端面进行打磨、抛光，利用布氏硬度计测试硬度试样外表面、中间位置、内表面3个位置的硬度。UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的布氏硬度测试结果见表3，硬度分布很均匀。

表3 UH165钢级高强度高韧性材料布氏硬度测试结果 HB

3.4 室温空气环境中的弯曲疲劳评价

根据GB/T 4337—2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》对UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的旋转弯曲疲劳性能进行评价。UH165钢级高强度高韧性钻杆疲劳试样实物如图7所示。切削过程中应不断通冷却液，避免表面过热引起残余应力。试样的试验部分（腰鼓状部分）要用成型砂轮磨削加工，粗糙度一般控制在0.08左右，肉眼看上去应该呈镜面。采用PQ-6型弯曲疲劳试验机，在室温25℃、常压、空气环境下进行旋转弯曲疲劳性能测试试验，试验的弯曲应力水平按材料50%平均抗拉强度（1 335 MPa）考核（即667.5 MPa），旋转弯曲疲劳寿命∧107转；结合UH165钢级高强度高韧性钻杆在井下的实际工作状态，调整试验应力循环频率为2 Hz（即120 r/min）。室温下空气环境中UH165钢级高强度高韧性钻杆的弯曲疲劳性能测试结果见表4。测试结果表明：UH165钢级高强度高韧性钻杆材料在室温空气中的弯曲疲劳强度约为703 MPa，大于一般可接受的按50%平均抗拉强度考核指标（即667.5 MPa）。

图7 UH165钢级高强度高韧性钻杆疲劳试样实物

表4 室温下空气环境中UH165钢级高强度高韧性钻杆的弯曲疲劳性能测试结果

4 结 论

（1）以低碳合金钢钻杆材料的化学成分为基础，通过降低碳含量，提高材料韧性，添加Cr、Mo等合金元素提高淬透性，适当添加Nb、V等细化晶粒元素，实现第二相弥散分布，同时添加Ni提高材料的韧性，开发出一种UH165钢级高强度高韧性钻杆材料。

（2）通过研究UH165钢级高强度高韧性钻杆材料的热处理工艺，实现材料的微观组织工艺优化，提高了材料强度和韧性，性能满足复杂地质条件下深井、定向井和水平井的安全可靠性要求。

（3）通过对UH165钢级高强度高韧性钻杆材料进行系统的试验评价，其力学性能、金相组织、硬度测试结果均满足其材料指标要求，在室温空气中的弯曲疲劳强度约为703 MPa，大于一般可接受的按50%平均抗拉强度考核指标。