石油与天然气是国家战略储备物资，随着油气田勘采逐步转向海洋深水、陆地深层和非常规的“两深一非”接替资源开发，对油气用高端特殊钢的应用也提出了更高要求。《世界金属导报》与中信泰富特钢集团旗下大冶特钢联合推出“油气用高端特殊钢研发与应用”专题，探讨我国油气用特殊钢的研发、应用成果并着眼未来，以期为国内外重大项目保驾护航，助力全球能源产业可持续发展。

油井管包括钻柱构件、套管和油管等，通过专用螺纹连接形成钻柱、套管柱和油管柱。钻柱的主要作用是油气开发，套管柱和油管柱则是封隔地层和开采油气的唯一通道，因此套管寿命决定了油气井寿命。油井管普遍采用美国石油协会（API）标准生产，目前我国常规API标准油管和套管已经实现了国产化，产品达到了与国外相当的水平。

我国陆上油气田地质条件复杂、埋藏深，尤其是西北塔里木、四川等油田，最大井深近9000m，井下温度达200℃，压力高达150MPa，并常伴随CO₂、H₂S、Cl-等复杂腐蚀介质及山前构造、盐膏层等地质环境，常规API产品无法满足服役要求，大量高耐蚀、高强韧性的非API油管获得推广应用。井下温度小于170℃时，大量应用95ksi-110ksi钢级的超级13Cr油井管，随着井深的不断加增加，井下温度大于180℃时，125ksi钢级15Cr油井管在地层水和酸化改造环境中的腐蚀速率明显低于13Cr材料，替代13Cr应用于温度大于180℃的井段，更能保证井筒的安全性。

能够应用于CO₂腐蚀环境的15Cr油井管以JFE的UHP1-15Cr-125为典型代表，是目前国际上唯一商业化的产品，其主成分为15Cr-6Ni-2Mo-1Cu，C含量不大于0.04%。除此之外，住友公司也报道了一种125ksi钢级的专利，主成分为17Cr-6Ni-2Mo-3Cu，C含量不大于0.03%。相对于13Cr材料，15Cr油管除了Cr、Mo、Ni含量提高外，还添加了Cu元素，因而具有了更高的强度等级，同时由于合金体系的复杂化，也增加了成分-组织-性能-工艺控制的难度。本文将对125ksi钢级15Cr油管材料的成分-组织-性能综合调控技术进行阐述。

15Cr超级马氏体不锈钢要达到125ksi钢级的力学性能要求如下：屈服强度863-1034MPa，延伸率不小于16%，-10℃冲击功纵向KV值不小于140J、横向KV值不小于120J，硬度不大于37HRC。

1）δ铁素体相控制

成分中Cr当量提高以后，δ铁素体的形成倾向增加，大量δ铁素体会形成带状组织，降低横向冲击韧性，还会引起耐腐蚀性能的下降。因此成分设计首先需考虑Cr/Ni当量的平衡，避免大量铁素体形成。通过热力学计算可以分析不同Cr/Ni当量下δ铁素体的形成温度与含量，计算其他元素时，C取0.015%、Cr取15.5%、Ni取6.5%、Cu取1.25%。由热力学相图可知，Cr、Ni元素对δ铁素体的影响较明显，C、Cu元素的影响略低。当Cr含量大于15%时，在热加工加热温度范围（1150℃左右），即可发生δ铁素体相转变，Cr含量达到17%，1150℃下δ铁素体接近20%，固溶温度范围（950-1050℃）也会发生δ铁素体相变。当Ni含量达到16%时，在固溶处理温度范围（950-1040℃）即可发生δ铁素体转变，热加工温度范围会形成10%以上的δ铁素体。因此从δ铁素体控制的角度出发，Cr含量取15%，要优于17%，此时Ni元素取6.5%-7%，以保证热加工加热保温时不形成过量的δ铁素体。

2）强度与韧性匹配

油井管要求高的强度与韧性匹配，保证在长度达到深井、超深井段时，不至于因刚度不足发生弯曲等失效形式；另一方面需要有足够的韧性，提高耐应力腐蚀能力。油管钢级提高至125ksi以后，对塑性、韧性的要求并没有降低，无疑增加了成分控制的难度。125ksi钢级超级马氏体不锈钢中主要的强化元素有C、Mo、Cu，韧化元素主要是Ni，其中C、Mo元素主要起固溶强化作用，Cu元素主要起沉淀析出强化作用。125ksi钢级材料中合金元素含量非常高，材料的Ms点会随之下降，因此强韧性匹配还应从相变的角度调控合金元素配比，以实现在室温条件下发生较充分的马氏体相变，获得足够的强度，同时保留适量的奥氏体相，提高韧性。经试验研究，C、Cu元素的匹配对相变的影响最为显著。

试验结果显示了1040℃淬火，500-550℃热处理范围，不同C、Cu元素对15Cr材料强度与韧性的影响。当C含量在0.01%-0.03%范围内，Cu含量1.0%-1.5%能达到125ksi钢级要求，Cu含量大于2.5%，强度显著下降，因此C含量0.01%-0.03%范围内，Cu应控制在1.0%-1.5%。Cu含量1.0%，能够达到强度与韧性要求的回火温度区间525-550℃，525℃回火冲击功裕量不大，550℃回火强度与韧性均有一定的裕量；Cu含量1.25%，强度变化不大，冲击韧性大幅度提高，485-550℃回火区间均能够满足强度与韧性的要求，裕量均较大；Cu含量1.5%，550℃回火后的强度达到下限值，485-525℃区间具有较高的强度与韧性匹配。因此当C含量在0.01%-0.03%范围，Cu元素按1.25%-1.5%控制具有更好的强度与韧性匹配，热处理的温度区间也较大，可选择1040℃淬火+（500-550℃）回火热处理。1%Cu含量下，降低C含量，强度虽有一定程度下降，但-10℃冲击功显著提高，485-550℃回火区间也能满足强度与韧性的要求，但550℃回火时强度已达到下限，可选择1040℃淬火+（485-525℃）回火热处理。Cu含量1.0%-1.5%范围内，降低C能够获得更好的强度与韧性的匹配，但C含量下降后，δ铁素体的含量可能会增加，工业化生产冶炼的难度也随之增加。

当C含量<0.01%时，Cu含量2.0%-2.5%能够达到125ksi钢级强度要求，485-550℃温度区间回火均能达到强度与韧性匹配要求，-10℃冲击功裕量非常大，550℃回火时，强度裕量下降，可选择485-525℃回火处理；Cu含量3.0%，强度非常高，-10℃冲击韧性显著下降。因此当C<0.01%，Cu含量可以按2.0%-2.5%控制，可选择485-525℃回火热处理。

15Cr油管材料要求非常高的耐腐蚀性能，降低C含量，有利于提高耐蚀性，但工业化生产一般采用电炉+炉外精炼冶炼，将C控制在0.01%以内，冶炼难度较大，也不利于控制成本，因此C含量不推荐按<0.01%控制。建议C含量按超低控制在0.01%-0.03%范围内，Cu控制在1.0%-1.5%范围，通过热处理工艺的调控，可以获得理想的强度与韧性匹配。

不同C、Cu配比成分热处理后，通过XRD衍射，测试了钢中的残余奥氏体含量，结果见表1。15Cr材料热处理后，残余奥氏体含量随着C、Cu含量的提高而增加，C含量的影响大于Cu元素，强度、韧性匹配较好的试验钢，热处理后残余奥氏体的含量大约为10%-15%。不同成分试验钢的强度随着奥氏体相含量提高，强度下降、韧性提高，合适的马氏体-奥氏体相比例，使材料具备了较好的强韧性匹配，其中C与Cu元素的合理匹配最为关键。

油井管材料多采用电炉+炉外精炼的冶炼工艺，可采用连铸或模铸，13Cr材料的连铸技术已经比较成熟，15Cr超级马氏体不锈钢由于合金元素含量更高，偏析后产生的带状组织不容易在后续的热加工与热处理中消除，目前采用模铸工艺更为合理。冶炼过程中，除了要对成分进行窄范围控制，降低P、S、五害、气体含量等，还应注意脱氧元素的控制，以及废钢中不可避免的杂质元素，如V、Ti、Nb、Al等，同时还会存在150ppm左右的N元素。这些元素导致材料热处理后的硬度高于预期，一方面需要在冶炼过程中尽量去除，另一方面需对材料热处理制度进行调整，以满足强度、韧性的匹配要求。

图1为试验钢0.015%C-1%Cu中添加0.10%V与150ppm的N元素后，在不同回火温度下的力学性能。与0.015%C-1%Cu试验钢成分相比，添加了V、N等电炉钢冶炼容易残留的元素后，相同热处理制度下，试验钢的强度、硬度均有所提高，塑性、韧性则有所下降。由此可见，添加N与V元素后，较为明显地增加了回火后的硬度与屈服强度，尤其是高温回火后的屈服强度与硬度提高较为显著，主要是因为N的固溶强化作用与V在525℃以上温度的析出强化作用。但由添加V、N试验钢不同回火温度下的力学性能可知，试验钢中增加强化作用的残余元素后，可通过提高回火温度来降低硬度，当回火温度为550-575℃，硬度可下降至32HRC以下，同时保证强度与冲击韧性达到技术指标的要求。因此工业化生过程，应根据材料实际的杂质元素水平，在实验室基本规律的基础上，制定现场热处理制度。

油井管通常采用热穿孔+热轧工艺成型，轧制前的坯料应尽量均匀，避免轧制后沿纵向产生带状组织，在成本不显著增加的前提下，可在钢锭开坯后进行均匀化处理或通过坯料镦拔等方式来提高成分与组织均匀性。由成分偏析引起的块状残余奥氏体是15Cr超级马氏体不锈钢中常见的带状组织类型，会导致材料力学性能不均匀，如果大量存在，还会影响尺寸稳定性。一般情况，采用两次回火，可以比较充分地消除残余奥氏体，将其降至对力学性能影响不大的水平，采用正火+高温回火，基本可以完全消除。对于无缝管，现场热处理多采用二次回火，主要目的就是为了消除残余奥氏体对材料性能的不利影响。

油井管进行热处理时，还需控制晶粒度，晶粒度越细小，越有利于同时获得高强度与高韧性，同时也能一定程度提高耐腐蚀性能。晶粒度的控制主要从热加工动态再结晶与热处理正火制度两个工艺过程控制。高合金马氏体不锈钢淬透性强，正火过程中一般不发生γ→α相变，一旦发生混晶或粗晶，粗大的原奥氏体晶粒会随着马氏体相变遗传到最终组织中，因此热加工成型过程，必须保证发生充分的动态再结晶，获得均匀的组织。

当试样压缩量为70%时，观察0.03C-15.5Cr-6.5Ni-1Cu试验钢在不同温度与应变速率下的晶粒度形貌。可以看出，当变形温度小于1100℃时，宜采用0.1s-1的变形速率以获得均匀细小的再结晶组织；当变形温度大于1100℃时，在0.1s-1和1s-1两个变形速率下均发生了完全再结晶现象，此阶段宜采用1s-1的变形速率，以避免再结晶晶粒尺寸过大，温度达到1200℃晶粒长大较为明显。无缝管热穿孔是一个快速形变的过程，更适宜参照快应变速率下的动态再结晶规律，因此热穿孔成型温度宜采用1100-1150℃。

正火加热温度对晶粒度的影响也较大，正火温度提高有利于合金元素充分固溶，回火时的析出相在马氏体板条界面析出，细小而弥散，但正火温度过高会导到晶粒粗大，因此合适的正火温度需要兼顾固溶效果与晶粒尺寸。观察15Cr超级马氏体不锈钢无缝管在950-1040℃固溶处理后的晶粒尺寸可知，980℃以下温度正火处理，晶粒尺寸比较细小，评级结果为7-8级；1040℃正火后晶粒尺寸长大较明显，评级结果为5级。

从晶粒控制来看，正火温度应按980℃以下控制，正火温度最终确定，还需综合考虑合金元素的固溶效果，即正火温度对强度与韧性匹配的影响。表2为15Cr超级马氏体不锈钢无缝管在不同正火温度下的力学性能。950-1040℃正火处理，强度与韧性的差异都不大，均能达到125ksi钢级的技术要求，可见即使采用950℃正火处理，材料的固溶效果也是足够的，因此无缝管的正火温度可以采用950-980℃范围，兼顾强韧性匹配与晶粒尺寸。

目前国内油气田仍大量采用13Cr不锈钢油井管，15Cr材料更多期望用于未来井下温度高于180℃的超深井段，由于15Cr材料耐H₂S腐蚀的能力相对薄弱，更多应用于CO₂腐蚀环境的气井。目前国内仅塔里木油田部分气井有少量需求。受需求量的影响，国内厂家并没有大量生产制造15Cr超级马氏体油井管的经验，宝钢股份为油田提供过工业试制产品，出于安全性考虑，并未获得应用，目前油田使用的少量15Cr油井管由JFE公司生产。与JFE的产品相比，国内15Cr油井管最大的差距仍是螺纹接头的制造与可靠性，原材料方面本身的差距主要体现在耐腐蚀性能比JFE产品差，以及硬度容易偏高，原材料本身的差距，更多来自于对合金设计原理与强韧性-耐蚀性匹配技术的理解不够深入。

近年来，大冶特钢也开展了15Cr超级马氏体油管的试制，成功生产出Ø88.9mm×7.34mm的无缝管，并拟采用天津钢管的TP-G2扣型制造专用螺纹接头。大冶特钢生产的无缝管力学性能水平见表3。对比JFE同规格的产品可以看出，大冶特钢生产的管材强度-韧性的匹配与JFE油管相当，硬度控制在更低的水平，这表明，通过成分-组织-性能-工艺的综合调控，原材料本身能够达到国外同等水平。

虽然目前市场需求不大，但万米及以上深井是国家油气田开采必然的发展方向，随着深井、超深井数量逐渐增加，125ksi钢级15Cr超级马氏体油井管的应用具有较好的前景。当前，开发并积累15Cr超级马氏体不锈钢的强韧性-耐蚀性匹配技术与生产经验，不断优化专用螺纹扣的设计、制造工艺与应用可靠性，对应对未来国外同类产品的垄断，提高国内产品竞争力，切实将国产材料推向高端工程应用是十分必要的。           

（赵吉庆）