表 1API Spec 5CT標準化學成分（質量分數，%）
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1.
新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056000
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2.
北京科技大學科技產業集團，北京 100083
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摘要:L80-13Cr鋼管是一種耐蝕性相對較高的不銹鋼石油管材，在濕潤CO2腐蝕環境的油氣井以及海洋油氣開采中得到廣泛應用。其生產基本實現了國產化，但在實際應用中仍然存在許多不足和缺陷。本文通過介紹采用擠壓工藝和AR斜軋工藝制造L80-13Cr無縫鋼管的特點以及對比分析兩種工藝生產的L80-13Cr無縫管的尺寸精度、表面質量、力學性能、硬度、沖擊功、金相組織及腐蝕等因素，為生產L80-13Cr無縫鋼管提供了實踐經驗。
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L80-13Cr不銹鋼是一種耐蝕性相對較高的石油管材，主要是靠添加12%~14%（質量分數）的Cr來提高材料的耐CO2腐蝕性能[1-2]，是濕潤CO2環境下使用的油井管的代表產品。此外L80-13Cr不銹鋼具有良好的耐海水腐蝕，使之成為海洋油氣開采中的常用鋼材[3-8]，因而被各大油氣田所使用。L80-13Cr是一種石油油井管用鋼，目前已基本實現了國產化，在國內，塔里木、勝利等油田已經在一些含CO2的油氣井中使用了L80-13Cr材料的油套管以確保油氣井的安全[9-11]。
L80-13Cr采用美國石油協會（API）標準的產品已列入API Spec 5CT“套管和油管規范”。L80-13Cr為馬氏體不銹鋼，通過熱處理可以調整其力學性能，通俗地說，L80-13Cr是一類可硬化的不銹鋼，其化學成分要求見表1。
L80-13Cr已基本實現了國產化，但在實際應用過程中還存在許多不足或缺陷，需進一步加強管材成分和結構設計、生產工藝優化等[12]。管材質量除了取決于材料成分與冶金質量之外，還與微觀組織密切相關，而塑性變形和熱處理工藝直接影響著材料的微觀組織。新興鑄管股份有限公司可以根據市場需求采用熱擠壓和斜軋兩種成型方式生產L80-13Cr無縫管，以滿足不同產品規格及客戶的要求。
1. 熱成型裝備
1.1 擠壓設備
最大擠壓力：6300 t；坯料最大單重：1.5 t；坯料最大長度：1.3 m；坯料最大外徑：435 mm；成品最大外徑：325 mm；成品最大長度：20 m。
1.2 斜軋設備
斜軋機型：219 Accu Roll機組；坯料最大單重：1.4 t；坯料最大長度：4.6 m；坯料最大外徑：220 mm；成品最大外徑：219 mm；成品最大長度：18 m。
2. 工藝流程
2.1 熱擠壓工藝流程
擠壓整體流程為：坯料檢驗→機加工→預熱→感應加熱→潤滑→擴孔→感應加熱→潤滑→擠壓→切管→酸洗→熱處理→矯直→切管→酸洗→修磨→探傷→終檢→噴標→包裝入庫。
擠壓工藝：金屬熱擠壓是將空心坯料放入擠壓筒中，將芯棒穿入坯料內孔，芯棒與模子間形成環形間隙，在坯料后端施加壓力，使金屬從該環形間隙中流出而形成所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加工方法[13]，尺寸是由模子和芯棒共同決定的。熱擠壓示意圖見圖1。
2.2 斜軋工藝流程
斜軋工藝流程為：坯料檢驗→分切→加熱→穿孔→軋管→定徑→空冷→矯直→熱處理→矯直→切管→酸洗→修磨→探傷→終檢→噴標→包裝入庫。
斜軋工藝：金屬斜軋是圓管坯進入軋輥后，一方面被金屬與軋輥之間的摩擦力帶動，作反軋輥旋轉方向的旋轉，同時由于軋輥軸線對管坯軸線(軋制軸線)有一傾角(前進角)，管坯又沿軸向移動，故呈螺旋運動[14]。穿孔工序是將實心的管坯穿成空心的毛管，再經過AR斜軋工序軋制成控制壁厚的荒管尺寸，最后經過定減徑軋制成需要的成品外徑。鋼管斜軋示意圖見圖2。
3. 金屬形變對比分析
擠壓與軋制(縱軋、斜軋)生產方法相比，擠壓法的特點是金屬在變形過程中受到三向壓應力[13]。三向應力之所以可以提高被擠壓材料的塑性，歸納起來主要原因是：
(1)三向壓應力狀態能遏制晶間相對移動，阻止晶間變形；
(2)三向壓應力狀態有利于消除由于塑性變形所引起的各種破壞；
(3)三向壓應力狀態能使金屬內某些夾雜物的危害程度大為降低；
(4)三向壓應力狀態可以抵消或減小由于不均勻變形而引起的附加應力，從而減輕了附加應力所造成的破壞作用；
(5)在強烈的三向應力作用下金屬晶粒被破碎，原來較大的晶粒擠壓后變成為等軸細晶粒組織，因而提高了強度。
擠壓形變以三向壓應力變形為主，在這種最佳狀態下，金屬密實性好，組織均勻，可以獲得較好的內外表面質量、金相組織和性能。而斜軋在非金屬夾雜物聚集的地方，如大的中心疏松、非金屬夾雜物集聚或存在放射狀裂紋、不足的壓縮比和殘余的鑄造組織，都會使金屬塑性降低，容易產生管坯中心破裂，而形成內折缺陷[15]。且斜軋在毛管上若存在一些缺陷，經過后面的工序也很難消除或者減輕。
4. 產品各項指標對比分析
4.1 產品表面質量對比
根據金屬形變特點，擠壓使13Cr金屬受三向壓應力，可以充分發揮金屬的高溫塑性變形條件，使表面受力均勻，質量較好，見圖3。而AR斜軋使13Cr金屬受拉、壓應力，以及剪切應力作用，使金屬表面受力復雜，容易出現斜向微裂紋，見圖4。由于內表面缺陷不易觀察，所以采用液體滲透探傷(PT)進行分析。從PT的結果上看，擠壓管表面未發現缺陷，見圖5。斜軋管出現了缺陷，為點狀內翹皮缺陷，見圖6，需要內磨去除缺陷。
4.2 尺寸檢測對比
根據斜軋金屬變形和流動的特點，鋼管表面易出現外螺旋道[15]，即指表面呈螺旋狀壁厚不均現象。斜軋鋼管時，變形區金屬會產生附加軸向剪切變形，荒管壁厚越薄，產生的彎曲變形越大，金屬的變形量越大，橫向寬度也越大，在輥縫處易形成堆積，降低荒管壁厚精度。另外，斜軋管壁厚均勻性差不多和整個工藝過程都有關，根據變形特點，不如擠壓工序壁厚均勻性好。擠壓管橢圓度平均為0.64 mm，斜軋管橢圓度平均為0.7625 mm，兩者相差不多，擠壓管略優。擠壓管偏壁量平均為0.675 mm，斜軋管偏壁量平均為0.985 mm，擠壓管偏壁量明顯較小，壁厚更加均勻。
4.3 理化性能檢測對比
13Cr擠壓管和斜軋管調質處理后分別從頭、中、尾各取300 mm長的樣環，經過鋸、車、銑等方式加工出拉伸樣、硬度樣和沖擊功樣，并進行了檢測分析。
(1)力學性能。
擠壓及斜軋管力學性能檢測結果見表2，擠壓管頭、中、尾抗拉強度、屈服強度和延伸率波動較小，性能均勻一致；斜軋管頭、中、尾屈服強度和延伸率波動比擠壓管略大，13Cr擠壓管和斜軋管兩種生產方式的產品性能均符合API 5CT標準要求。
表 2擠壓及斜軋管力學性能檢測結果數據對比(2)硬度。
擠壓及斜軋管硬度檢測結果見表3，擠壓管和斜軋管同一象限內、中、外層硬度偏差基本都在1 HRC范圍內，偏差較小，但斜軋管各部位四象限硬度偏差略大，均勻性不如擠壓管好。
表 3擠壓及斜軋管硬度檢測數據對比（四象限硬度, HRC）(3)沖擊功。
兩種工藝的13Cr管材縱向沖擊功基本一致，但采用擠壓工藝的管材橫向沖擊功明顯要比斜軋管的高。這說明采用擠壓工藝生產的13Cr金屬組織更加致密和均勻。
4.4 金相組織對比
(1)擠壓管組織。
13Cr擠壓管內、中、外層組織分布一致，均為回火索氏體，且組織粒度均勻細小，不同方向組織及晶粒度分布均勻，從組織上看13Cr擠壓管的物理性能內、中、外一致，金相圖見圖7。
(2)斜軋管組織。
13Cr斜軋管金相圖見圖8，可以看出斜軋金相組織內、中、外差別較大，內、中為具有馬氏體位相的回火索氏體，內層分布有少量針狀馬氏體位相，中層針狀馬氏體位相含量較高，外層回火索氏體中無針狀馬氏體位相存在。13Cr斜軋管材內、中、外層組織差別較大，從物理性能方面來看，不如擠壓管均勻。
4.5 腐蝕檢測對比
依據ASTM G48“用氯化鐵溶液測定不銹鋼和相關合金點腐蝕和縫隙腐蝕的試驗方法”A法——三氯化鐵點腐蝕試驗對13Cr管材進行點腐蝕速率檢測。試驗溶液為6% FeCl3溶液（質量分數），試驗溫度為22 ℃，試驗時間24 h。13Cr擠壓管和斜軋管腐蝕速率檢測結果見表4。擠壓管腐蝕速率平均為0.032 g?cm−2?h−1，斜軋管腐蝕速率平均為0.040 g?cm−2?h−1，結果表明，采用擠壓工藝生產的管子腐蝕速度更低，優于斜軋工藝生產的管子。
表 4腐蝕速率檢測結果5. 結束語
(1)擠壓L80-13Cr無縫管的變形特點優于斜軋工藝，擠壓管表面質量較好，斜軋管容易出現表面斜向微裂紋，且經過酸洗后容易暴露在表面。
(2)擠壓管橢圓度和斜軋管橢圓度相差不多，擠壓管略優。擠壓管偏壁量平均為0.675 mm，斜軋管偏壁量平均為0.985 mm，擠壓管偏壁量明顯較小，壁厚更加均勻。
(3)擠壓管和斜軋管調質后力學性能、硬度、沖擊等性能均符合API Spec 5CT標準，擠壓管性能更均勻。
(4)擠壓管和斜軋管調質后金相組織，擠壓管的內、中、外組織基本一致，斜軋管的內中外組織有一定差異。
(5)擠壓管點腐蝕速率平均為0.032 g?cm−2?h−1，斜軋管點腐蝕速率平均為0.040 g?cm−2?h−1，擠壓管的耐點蝕性能更優。
來源：金屬世界
