10Cr3Mo钢与N80钢的高温力学性能

目前热采井套管用钢仍以N80钢为主,针对350℃的中温耐热钢仍在研究阶段。10Cr3Mo钢是以N80钢为基础,采用和N80钢相同的热处理工艺,加入Cr、Mo等合金元素,同时加入微量合金元素Nb、V、Ti,专门针对高温热采环境设计的套管用钢。

本工作选用N80钢和10Cr3Mo钢进行高温力学性能研究。对两种钢的高温力学性能分别进行了350℃下的高温拉伸和蠕变试验研究。

N80钢是常见的套管钢级,10Cr3Mo钢中提高了Cr、Mo和Ni的含量,试验材料从成型好的套管上取下,沿管壁轴线方向取圆棒拉伸和蠕变试样。

两种套管钢均沿管壁轴线方向取样品,抛光后用4%的硝酸酒精溶液侵蚀,并在光学显微镜下做金相分析。之后对金相试样进行深腐蚀,在扫描电镜下观察其微观结构。

蠕变试验根据GB/T2309~2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》取圆棒试样,试样直径为5mm。根据热采井工况,选取350℃为蠕变试验温度。选用应力松弛过程中的4个应力水平作为试验拉伸载荷,对于N80钢,分别为350、400、450、500MPa;对于10Cr3Mo钢,分别为475、500、525、550MPa。高温拉伸试验根据GB/T228.1~2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》取圆棒拉伸试样,拉伸试样直径φ5mm。根据热采井工况,拉伸试验的温度选取270℃,拉伸速率为0.5mm/min。

结果表明:

(1)10Cr3Mo钢的微观组织晶粒较N80钢更大,同时伴随出现2~3μm的碳化物。断口和试样组织的SEM观察表明,碳化物和析出相尺寸的大小决定了试样内部孔洞的尺寸的大小,较大的孔洞尺寸使试样伸长率降低,导致脆性增大。

(2)室温和高温拉伸试验表明,10Cr3Mo钢在提高Cr、Mo、Ni含量之后,抗拉强度仍维持原有钢级水平,屈强比略有增加,伸长率稍有下降。

(3)350℃蠕变试验表明,在温度小于0.3Tm时,仍然存在着显著的蠕变现象,10Cr3Mo钢较N80钢具有良好的抗蠕变性能。在应力幅为550MPa时,10Cr3Mo钢的蠕变速率未有明显提升,而N80钢的蠕变速率显著增加。使用10Cr3Mo钢作为80钢级的热采井套管将能有效减少因蠕变导致的热采井失效问题。

来源:冶金信息网

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