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,同時加入微量合金元素Nb、V、Ti,專門針對高溫?zé)岵森h(huán)境設(shè)計的套管用鋼。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試驗研究。
N80鋼是常見的套管鋼級,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試樣。
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)。
蠕變試驗根據(jù)GB/T2309-2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》取圓棒試樣,試樣直徑為5mm。根據(jù)熱采井工況,選取350℃為蠕變試驗溫度。選用應(yīng)力松弛過程中的4個應(yīng)力水平作為試驗拉伸載荷,對于N80鋼,分別為350、400、450、500MPa;對于10Cr3Mo鋼,分別為475、500、525、550MPa。高溫拉伸試驗根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》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表明,10Cr3Mo鋼在提高Cr、Mo、Ni含量之后,抗拉強度仍維持原有鋼級水平,屈強比略有增加,伸長率稍有下降。
(3)350℃蠕變試驗表明,在溫度小于0.3Tm時,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,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。