N08028合金油井管固溶及冷作硬化工艺研究

  随着全球经济的发展,在一次能源消费构成中占主导地位的石油和天然气需求不断增长。近年来,世界范围内能源供应短缺日益严峻,开采重点正逐渐转向海洋、深海和腐蚀介质含量高的油气资源。我国西南地区普光和罗家寨,美国德克萨斯MurrayFranklin、密西西比BlackJosephine及法国Lacq气田等都是典型的酸性油气田。

  一般而言,井深越深,温度越高,压力也越大。酸性油气田除了含有H2S、CO2之外,某些还含有较高的Cl-。在这些因素的共同作用下,油气工程用材从勘探开采到集输各环节都会遭受严重的应力腐蚀、氢脆、电化学失重等破坏,轻则造成材料的穿孔和破裂,重则引发泄漏、井喷等严重的安全事故。为此,以N08028合金为代表的耐蚀材料在酸性油气开采中得到了广泛应用。

  由于N08028合金中的Cr和Mo元素含量高,易形成金属间化合物σ相,严重影响材料的耐H2S应力腐蚀能力。另外,作为单一奥氏体合金,固溶态N08028合金的强度指标无法满足国际标准和用户的使用要求(屈服强度要求760MPa以上),只有通过冷作硬化工艺形成高密度的晶体缺陷来起到强化作用。冷作硬化后各力学指标的变化规律对材料冷加工工艺的制定具有指导作用,因此需要通过冷变形试验来开展规律性的研究。

  试验材料采用AOD精炼模铸,电渣重熔后经过均质化处理,轧制开坯至500mm×500mm方锭,轧制温度控制在1100~1200℃;然后径锻成Φ400mm管坯,径锻温度与轧制温度一致;径锻后入水冷却;之后在1200~1220℃热挤压成Φ219mm×14mm管材。

  沿径向在原料外表面及中心取样,分析其组织形貌。挤压后观察挤压态管材的组织形貌;然后在敞开式火焰炉中固溶处理,采用1050℃、1100℃、1150℃、1200℃温度固溶,保温时间为20min、30min、40min,水冷。分析析出相的含量及形态,确定最佳的固溶热处理制度。

  按照最佳固溶热处理制度处理后,进行冷作硬化工艺研究,研究不同形变量与力学性能之间的关系,确立应力-应变方程,为工业生产提供理论依据。研究结果表明:

  (1)N08028合金油井管的化学成分决定着该材质存在明显的析出倾向,冶炼浇注及锻造冷却过程无法避免析出相析出。
  (2)挤压过程可溶解管坯中的大尺寸析出相,但会产生弥散的二次析出相。研究了不同的固溶热处理工艺对二次析出相的溶解规律,其试验表明:在温度达到1200℃时,保温时间达到20min后,二次析出相可以完全溶解。
  (3)冷作硬化可提高固溶处理后N08028合金油井管的力学性能;研究了其冷作硬化过程中应力-应变规律,建立了应力-应变方程。