P110级石油套管淬火残余应力研究

P110级石油套管的生产工艺要经过调质处理（淬火＋高温回火）。对于淬火冷却过程，现场一般采用从淬火加热温度一直冷却到室温，在整个过程中表面温降速度远大于心部温降速度，产生热应力；当温度冷却到Ms点以下时，发生马氏体转变，产生组织应力。马氏体的变形能力较差，故当残余应力在某一瞬间达到某一临界值，在马氏体层的薄弱区域就会产生裂纹源。因此提高马氏体转变之前钢管横断面温度的均匀性和减缓马氏体转变的剧烈过程，对减小钢管淬火残余应力有很好的效果。

文献［39］以降低P110级石油套管淬火过程热应力和组织应力为目的，考虑套管横断面的温差大小和马氏体相转变的剧烈程度，提出了水淬＋空冷＋水淬的冷却方式。和现场直接淬火冷却工艺相比较，利用逐层钻孔法测试了不同工艺下的释放应变，进而计算出其残余应力的大小，并分析了残余应力对裂纹产生和扩展的影响。提出的水淬＋空冷＋水淬冷却方式，改变了钢管切向残余应力的应力状态，降低了轴向残余应力的数值大小，对淬火裂纹产生和扩展的趋势起到了阻碍作用。

7.6.1.1　实验材料与方案

实验材料为低成本碳锰系25Mn V钢，取自衡阳华菱钢管厂的合格热轧管样，尺寸244.48 mm×11.99 mm。主要化学成分为：C 0.25%～0.30%，Si 0.20%～0.40%，Mn 1.50%～1.80%，V 0.06%～0.15%，P≤0.020%，S≤0.010%，As＋Sn＋Pb＋Sb＋Bi≤0.050%。

采用直接淬火、水冷＋空冷＋水冷两种冷却方式。其中直接淬火模拟了现场直接淬火至室温的冷却方式；水冷＋空冷＋水冷冷却方式以提高马氏体转变前钢管横断面温度的均匀性和减缓马氏体转变的剧烈程度为控制思路，控制钢管在水中的停留时间，使芯部温度降到Bf点以下（根据CCT曲线和计算得到该钢种的Bf值在430℃左右），然后取出空冷使钢管芯部和表面温差最小，温度场尽可能均匀，然后再次入水完成马氏体组织转变。不同冷却方式示意图如图7-71所示。

根据实验室加热炉炉膛空间的大小，沿钢管轴向切取190 mm×125 mm试样，采用SX2-4-10型箱式电阻加热炉加热及保温。在910℃保温35 min出炉，采用不同的冷却方式冷却，水温为16～17℃。对冷却后的试样采用YD-28型动态电阻应变仪，利用逐层钻孔法测试不同工艺下残余应力的释放应变，分析不同冷却方式对残余应力的影响。

图7-71　淬火冷却方式示意图

7.6.1.2　实验结果与分析

1）工艺1：直接淬火冷却

模拟现场淬火冷却工艺，淬火温度910℃，保温35 min，直接淬火冷却至室温。逐层钻孔测量不同深度释放应变值和计算应力，见表7-13。

表7-13　工艺1逐层钻孔释放应变值和计算应力值(www.xing528.com)

由表7-13看出，直接淬火冷却方式下，钢管切向残余应力为拉应力，范围在229～281 MPa之间，轴向残余拉应力的大小为191～237 MPa。孔深为2 mm（即孔深为孔直径的1.2倍左右）时，应力得到了完全释放，在该深度区域切向和轴向应力最大，分别为281 MPa和237 MPa。孔深2～5 mm时，随孔深增加，应力值逐渐减小。

2）工艺2：水淬＋空冷＋水淬

淬火温度910℃，保温35 min，淬水冷却到280℃，空冷时温度回升到310℃，再次入水冷却至室温。逐层钻孔测量不同深度释放应变值和计算应力，见表7-14。

由表7-14看出，水淬＋空冷＋水淬冷却工艺下，钢管切向残余应力为压应力，范围在－422～－185 MPa，且随孔深增加压应力呈增加的趋势。钢管轴向残余应力为拉应力，范围在90～190 MPa。孔深1～2 mm，切向压应力和轴向拉应力均有明显的增加趋势。钻孔孔深为孔直径的1.2倍左右时，残余应力得到完全释放。孔深2 mm时，切向压应力为310 MPa，轴向拉应力为114 MPa。孔深为2～5 mm时，随孔深增加，残余应力增加趋势变平缓。切向压应力最大为422 MPa，轴向拉应力最大为189 MPa。

表7-14　工艺2逐层钻孔释放应变值和计算应力值

3）分析与讨论

直接淬火冷却过程中，在冷却初始阶段，未发生组织转变，钢管表面和芯部由于温差作用引起热应力。当钢管表面冷却到Ms点时，表面区域发生组织转变，此时热应力和组织应力同时存在，作用相反（热应力对表面产生压应力，对芯部产生拉应力；组织应力对表面产生拉应力，对芯部产生压应力）。当钢管芯部区域的温度也冷却到Ms点时，芯部发生组织转变，热应力和组织应力共存。马氏体转变为非扩散型转变，故在芯部发生马氏体转变时表面区域已经完成组织转变，此时表面区域只存在热应力。水淬＋空冷＋水淬冷却过程中，空冷阶段提高了马氏体转变前钢管横断面温度的均匀性，减小了热应力，缓解了二次水冷时马氏体转变产生组织应力的作用。热应力和组织应力之和是正值（拉应力）还是负值（压应力），决定了淬火裂纹是否发生：若为正值则易裂；若为负值则不易裂。

图7-72　钢管不同深度上残余应力比较图

比较直接淬火冷却至室温、水淬＋空冷＋水淬两种冷却工艺下，钻孔法测得钢管壁厚不同深度上切向和轴向残余应力值，如图7-72所示。对比两种冷却工艺下的切向和轴向应力值看出，提出的优化冷却工艺将钢管切向残余应力状态变为压应力。轴向残余应力仍为拉应力但数值上减小，孔深在1～2 mm时轴向残余应力降低幅度最大，为101～123 MPa；孔深在2～5 mm时，随孔深增加，轴向残余应力减小趋势变平缓，最小降幅为13 MPa。钢管在冶炼或轧制中不可避免地存在着微小的局部裂纹，提出的水淬＋空冷＋水淬冷却工艺在切向上为压应力，其存在起到阻碍微裂纹产生和扩展的作用；在轴向上残余应力小于直接淬火至室温下的轴向残余应力，降低和缓解了微裂纹产生和扩展的趋势。故水淬＋空冷＋水淬冷却工艺有利于降低和缓解钢管内微裂纹的产生和扩展，即有利于减少和避免淬火裂纹的产生。