無錫不銹鋼板：10Cr3Mo鋼與N80鋼的高溫力學(xué)性能

無錫不銹鋼板6月1日訊 目前熱采井套管用鋼仍以N80鋼為主，針對(duì)350℃的中溫耐熱鋼仍在研究階段。10Cr3Mo鋼是以N80鋼為基礎(chǔ)，采用和N80鋼相同的熱處理工藝，加入Cr、Mo等合金元素，同時(shí)加入微量合金元素Nb、V、Ti，專門針對(duì)高溫?zé)岵森h(huán)境設(shè)計(jì)的套管用鋼。本工作選用N80鋼和10Cr3Mo鋼進(jìn)行高溫力學(xué)性能研究。對(duì)兩種鋼的高溫力學(xué)性能分別進(jìn)行了350℃下的高溫拉伸和蠕變?cè)囼?yàn)研究。

N80鋼是常見的套管鋼級(jí)，10Cr3Mo鋼中提高了Cr、Mo和Ni的含量，具體化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)材料從成型好的套管上取下，沿管壁軸線方向取圓棒拉伸和蠕變?cè)嚇印?/span>

兩種套管鋼均沿管壁軸線方向取樣品，拋光后用4%的硝酸酒精溶液侵蝕，并在光學(xué)顯微鏡下做金相分析。之后對(duì)金相試樣進(jìn)行深腐蝕，在掃描電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

蠕變?cè)囼?yàn)根據(jù)GB/T2309-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》取圓棒試樣，試樣直徑為5mm。根據(jù)熱采井工況，選取350℃為蠕變?cè)囼?yàn)溫度。選用應(yīng)力松弛過程中的4個(gè)應(yīng)力水平作為試驗(yàn)拉伸載荷，對(duì)于N80鋼，分別為350、400、450、500MPa；對(duì)于10Cr3Mo鋼，分別為475、500、525、550MPa。高溫拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》取圓棒拉伸試樣，拉伸試樣直徑Φ5mm。根據(jù)熱采井工況，拉伸試驗(yàn)的溫度選取270℃，拉伸速率為0.5mm/min。

表1N80鋼和10Cr3Mo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

鋼號(hào)CSiMnPSCrMoNiVTi

N800.260.241.270.0150.00760.040.010.0030.0060.003

10Cr3Mo0.170.240.980.0110.00340.990.330.0590.0290.013

結(jié)果表明：

（1）10Cr3Mo鋼的微觀組織晶粒較N80鋼更大，同時(shí)伴隨出現(xiàn)2～3μm的碳化物。斷口和試樣組織的SEM觀察表明，碳化物和析出相尺寸的大小決定了試樣內(nèi)部孔洞的尺寸的大小，較大的孔洞尺寸使試樣伸長率降低，導(dǎo)致脆性增大。

（2）室溫和高溫拉伸試驗(yàn)表明，10Cr3Mo鋼在提高Cr、Mo、Ni含量之后，抗拉強(qiáng)度仍維持原有鋼級(jí)水平，屈強(qiáng)比略有增加，伸長率稍有下降。

（3）350℃蠕變?cè)囼?yàn)表明，在溫度小于0.3Tm時(shí)，仍然存在著顯著的蠕變現(xiàn)象，10Cr3Mo鋼較N80鋼具有良好的抗蠕變性能。在應(yīng)力幅為550MPa時(shí)，10Cr3Mo鋼的蠕變速率未有明顯提升，而N80鋼的蠕變速率顯著增加。使用10Cr3Mo鋼作為80鋼級(jí)的熱采井套管將能有效減少因蠕變導(dǎo)致的熱采井失效問題。