58 北京科技大学学报 第33卷 然气套管和油管的行业标准.成品材的力学性能规 示)进行限制，要求[S]≤0.030%和[P]≤0.030%， 范如表1所示.成品材的化学成分规格为：N80仅 对C、Si、Mn、Cr、Mo和Cu等元素的质量分数均无强 对钢中[S]和[P]([S]和[P]等元素以质量分数表 制性规定 表180成品材力学性能 Table 1 Mechanical properties of N80 products 材料 抗拉强度，R/MPa 屈服强度，Ras/MPa 延伸率，e 冲击性能，Akw小 油管用钢 ≥689 552~758 ≥15% 套管用钢 689 552-758 ≥15% ≥15 1.2非调质N80成分设计 (4)V在微合金非调质钢中作为强碳、氨化物 在分析非调质钢的强韧机理及微合金元素对钢 形成元素，在轧制加热过程中，V完全固溶，固溶的 性能影响的基础上，采用V、N微合金化技术取代淬 V在热加工后冷却过程中析出，起析出强化作用，其 火和回火工艺，分别对钢中常规元素及主要合金元 碳氨化合物具有细化晶粒增加强度的作用.钢中 素控制如下 [V]>0.20%时，钢的韧性降低很多：为保证用户对 (1)C是提高强度最有效的元素之一.非调质 油井管可焊接性能，要求碳当量C≤0.60%，由式 钢在生产中遇到的主要问题是强度、硬度有余而韧 1计算出[V]<0.020%:同时考虑V成本较高，所 性不足，为保证钢的塑性和韧性，通过降低钢中[C] 以将非调质N80油井管用钢[V]确定为0.10%~ 来控制珠光体含量、提高铁素体含量.故将非调质 0.15%. N80油井管用钢中[C]降至0.26%~0.30%，钢的 Ca=[C]+[Mn]/6+[Cr]+[Mo]+ 强度下降量由增加锰和硅弥补. [V])/5+([Ni]+[Cu])/15(1) (2)Mn一方面作为脱氧元素，另一方面作为合 (5)N在钢中与V结合成氨化物，促进V的析 金元素，对于铁素体珠光体型钢，其固溶于铁素体中 出，使V的析出强化作用得到充分发挥.在含钒碳 起强化作用.因此在保证钢焊接性能的前提下将非 钢中，钢中氨的质量分数从40×10-6增至160× 调质N80油井管用钢中[Mn]增至1.50%~ 10-6,屈服强度提高110MPa,抗拉强度提高60MPa, 1.70%. 若非调质钢中V、N按摩尔比为1：1进行配比，会导 (3)S在钢的冶炼过程中起脱氧作用，以固溶 致钢中[N]过高而引起表面质量降低，进行多次降 体形态存在于钢中来提高钢的强度.[Si]>0.7% 氨实验后将非调质N80油井管用钢中[N]确定为 时，其冲击性能降低，钢的塑性、韧性降低[S]< 0.010%~0.015%. 0.3%时，其固溶强化作用减弱.由于N80级油井管 确定非调质N80油井管用钢的化学成分控制 对钢的塑性韧性指标要求较高，因此确定钢中[S] 范围如表2所示 为0.4%-0.6%. 表2非调质N80油井管用钢化学成分控制范围（质量分数） Table 2 Chemical composition of non-quenched and tempered N80 steel % Si Mn Ti P 0.26-0.30 0.400.60 1.50-1.70 0.10~0.15 0.01-0.020.010-0.015 ≤0.022 ≤0.010 2实验室研究 ICP一AES电感耦合等离子体原子发射光谱仪对化 学成分进行检验； 2.1实验方法 (3)将成分合格钢水铸成130mm×150mm× 在前述工艺参数设计的基础上，进行了20炉非 500mm钢锭； 调质N80冶炼实验室实验. (4)随加热炉升温至1250~1300℃（耗时约 (1)以优质废钢为熔炼原料，使用200kg真空 6h),保温0.5h: 感应炉进行冶炼，钢水温度达到目标值后，在真空状 (5)去除头尾，用D500四辊可逆热轧板轧机 态下进行合金化： 轧制成板材，空冷： (2)测温、取样后，使用CS600红外碳硫仪、 (6)取样、制样，分别使用Gleeble3800热模拟北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 然气套管和油管的行业标准． 成品材的力学性能规 范如表 1 所示． 成品材的化学成分规格为: N80 仅 对钢中［S］和［P］( ［S］和［P］等元素以质量分数表 示) 进行限制，要求［S］≤0. 030% 和［P］≤0. 030% ， 对 C、Si、Mn、Cr、Mo 和 Cu 等元素的质量分数均无强 制性规定． 表 1 N80 成品材力学性能 Table 1 Mechanical properties of N80 products 材料 抗拉强度，Rm /MPa 屈服强度，Rt 0. 5 /MPa 延伸率，e 冲击性能，Akv /J 油管用钢 ≥689 552 ～ 758 ≥15% — 套管用钢 689 552 ～ 758 ≥15% ≥15 1. 2 非调质 N80 成分设计 在分析非调质钢的强韧机理及微合金元素对钢 性能影响的基础上，采用 V、N 微合金化技术取代淬 火和回火工艺，分别对钢中常规元素及主要合金元 素控制如下． ( 1) C 是提高强度最有效的元素之一． 非调质 钢在生产中遇到的主要问题是强度、硬度有余而韧 性不足，为保证钢的塑性和韧性，通过降低钢中［C］ 来控制珠光体含量、提高铁素体含量． 故将非调质 N80 油井管用钢中［C］降至 0. 26% ～ 0. 30% ，钢的 强度下降量由增加锰和硅弥补． ( 2) Mn 一方面作为脱氧元素，另一方面作为合 金元素，对于铁素体珠光体型钢，其固溶于铁素体中 起强化作用． 因此在保证钢焊接性能的前提下将非 调质 N80 油 井 管 用 钢 中［Mn］增 至 1. 50% ～ 1. 70% ． ( 3) Si 在钢的冶炼过程中起脱氧作用，以固溶 体形态存在于钢中来提高钢的强度． ［Si］＞ 0. 7% 时，其冲击性能降低，钢的塑性、韧性降低; ［Si］＜ 0. 3% 时，其固溶强化作用减弱． 由于 N80 级油井管 对钢的塑性韧性指标要求较高，因此确定钢中［Si］ 为 0. 4% ～ 0. 6% ． ( 4) V 在微合金非调质钢中作为强碳、氮化物 形成元素，在轧制加热过程中，V 完全固溶，固溶的 V 在热加工后冷却过程中析出，起析出强化作用，其 碳氮化合物具有细化晶粒增加强度的作用． 钢中 ［V］＞ 0. 20% 时，钢的韧性降低很多; 为保证用户对 油井管可焊接性能，要求碳当量 Ceq≤ 0. 60% ，由式 1 计算出［V］＜ 0. 020% ; 同时考虑 V 成本较高，所 以将非调质 N80 油井管用钢［V］确定为 0. 10% ～ 0. 15% ． Ceq =［C］+［Mn］/6 +( ［Cr］+［Mo］+ ［V］) /5 +( ［Ni］ +［Cu］) /15 ( 1) ( 5) N 在钢中与 V 结合成氮化物，促进 V 的析 出，使 V 的析出强化作用得到充分发挥． 在含钒碳 钢中，钢中氮的质量分数从 40 × 10 － 6 增至160 × 10 － 6 ，屈服强度提高 110 MPa，抗拉强度提高60 MPa， 若非调质钢中 V、N 按摩尔比为 1∶ 1进行配比，会导 致钢中［N］过高而引起表面质量降低，进行多次降 氮实验后将非调质 N80 油井管用钢中［N］确定为 0. 010% ～ 0. 015% ． 确定非调质 N80 油井管用钢的化学成分控制 范围如表 2 所示． 表 2 非调质 N80 油井管用钢化学成分控制范围 ( 质量分数) Table 2 Chemical composition of non-quenched and tempered N80 steel % C Si Mn V Ti N P S 0. 26 ～ 0. 30 0. 40 ～ 0. 60 1. 50 ～ 1. 70 0. 10 ～ 0. 15 0. 01 ～ 0. 02 0. 010 ～ 0. 015 ≤0. 022 ≤0. 010 2 实验室研究 2. 1 实验方法 在前述工艺参数设计的基础上，进行了 20 炉非 调质 N80 冶炼实验室实验． ( 1) 以优质废钢为熔炼原料，使用 200 kg 真空 感应炉进行冶炼，钢水温度达到目标值后，在真空状 态下进行合金化; ( 2) 测温、取样后，使用 CS600 红外碳硫仪、 ICP--AES 电感耦合等离子体原子发射光谱仪对化 学成分进行检验; ( 3) 将成分合格钢水铸成 130 mm × 150 mm × 500 mm钢锭; ( 4) 随加热炉升温至 1 250 ～ 1 300 ℃ ( 耗时约 6 h) ，保温 0. 5 h; ( 5) 去除头尾，用 D500 四辊可逆热轧板轧机 轧制成板材，空冷; ( 6) 取样、制样，分别使用 Gleeble 3800 热模拟 ·58·