稠油热采封隔器卡瓦材料性能评价

　　中图分类号：P211 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0347-01

　　封隔器卡瓦部件属于封隔器核心机构之一，其材料性能对封隔器的座封、解封、密封、寿命等性能影响很大，关系到工艺措施的成功与否，但卡瓦部件选材方面缺少必要的科学理论依据。因此本文将对在石油工业中广泛使用的封隔器卡瓦材料的高温组织、高温力学性能等进行测试和观察，在试验、统计和微观组织分析的基础上，综合评价其服役可靠性。

　　1 20CrMo钢（高、低温）性能检测及评价

　　（1）硬度

　　不同温度下硬度值测量结果可以看出20CrMo钢的硬度值随温度变化不大， 250℃、300℃。350℃和400℃分别比室温升高0.7%和降低1.5%。

　　（2）拉伸性能

　　沿20CrMo钢管上纵向取样，按GB 6397-86加工成常温拉伸试样，按GB4338-84加工成高温拉伸试样，在CMT 5105微机控制电子万能试验机上进行恒应变速率拉伸实验，拉伸速率为4mm/min。

　　250℃、300℃、350℃和400℃高温情况下，屈服强度分别下降5.5%和5.1%；抗拉强度分别升高1.9%和下降6.1%，延伸率分别升高9.7%和20.2%，断面收缩率分别升高5.3%和18.2%。在强度变化不大的情况下，塑性获得了很大的提升。

　　研究850～920℃不同淬火温度对650℃回火的显微组织和奥氏体晶粒度的影响，发现880℃淬火时的组织较均匀，提高淬火温度，淬火马氏体针开始长大。与奥氏体晶粒度测定的结果一致，880℃淬火后的奥氏体晶粒度细小均匀为7级，淬火温度提高到920℃时，奥氏体晶粒开始呈不均匀长大，个别晶粒长大到5级，淬火温度可选用880℃。

　　（3）冲击功

　　20CrMo试样按GB 5775-86加工成近1/2标准件，U形口中心在25.4mm处。

　　采用“热法”进行实验：之前升温至310℃、410℃，并保温24min；试样取出后必须在3～5s内打断试样，如果试样从不同的介质中取出后5s内摆锤未放下，则停止试验，将试样重新放回到不同的介质中保温。

　　实验结果显示300℃和400℃时，冲击功分别升高30.9%和27.3%，而高温时冲击功仅相差2.9%，高温冲击功大幅度上升，韧性增强，抵抗破坏能力增强。

　　2 38CrMoAlA钢（高、低温）性能检测及评价

　　（1）硬度

　　不同温度下硬度值测量结果，不同温度下的硬度值比较结果可以看出38CrMoAlA钢的硬度值随温度有所下降，300℃下降3.7%，400℃下降6.2%，变化不大，具有很好的适应性。

　　（2）拉伸试验

　　取样并按GB 6397-86加工成常温拉伸试样，按GB4338-84加工成高温拉伸试样，在CMT 5105微机控制电子万能试验机上进行拉伸实验，

　　由以上拉伸结果可见，钢件在常温的拉伸性能较为符合GB/T3077-88的要求，但在300℃和400℃下的指标偏离常温较大，屈服强度与抗拉强度偏低，而伸长率较高。在300℃和400℃分别下降16.1和19.3%，分别下降11.1%和16.9%，伸长率分别上升17.8%和64.4%，断面收缩率分别上升6%和20.1%。

　　（3）冲击试验

　　38CrMoAlA原始试样按GB 5775-86加工成4.5×5×55mm近1/2标准件，U形口中心在25.4mm处。采用“热法”进行实验：之前升温至310℃、410℃，并保温24min；试样取出后，空气中静置时间：3～4s内打断试样，如过式样从不同的介质中取出后5s内摆锤未放下，则停止试验，将试样重新放会到介质中保温。

　　38CrMoAlA钢在常温、250℃、300℃、350℃、400℃时的冲击功分别上升23.5%和18.5%。比较明显的是，38CrMoAlA钢冲击试样在回火时的冲击韧性并不随着回火温度升高而单调升高，是因为其在300℃-400℃温度范围内出现了第一类回火脆性（不可逆回火脆性）。

　　钢中存在的有害杂质元素P、S、N等导致，钢中含有的Mn、Si、Cr等元素促进第一类回火脆性的发展，并将第一类回火脆性推向更高的温度（相比较而言，普通中碳钢在300℃左右就产生第一类回火脆性）。钢中含有的Mo、Al等元素，通过细化晶粒，有减弱回火脆性的作用。随回火温度升高，实际晶粒度变大，说明其削弱作用低于前两个因素。

　　3 40Cr钢（高、低温）性能检测及评价

　　（1）硬度

　　不同温度下硬度值测量结果所示，不同温度下的硬度值比较结果所示。可以看出40Cr钢的硬度值随温度变化不大， 250℃、300℃、350℃和400℃时分别下降6.1%。和上升5.4%， 具有很好的稳定性。

　　（2）拉伸性能

　　沿40Cr钢上纵向取样，按GB 6397-86加工成常温拉伸试样，按GB4338-84加工成高温拉伸试样，在CMT 5105微机控制电子万能试验机上进行拉伸实验，拉伸试验结果在250℃、300℃、350℃和400℃，和常温相比，屈服强度分别下降3.1%和5.7%，抗拉强度分别下降7.5%和下降21.8%，延伸率分别上升14.5%和31.7%，断面收缩率分别下降4.7%和上升18.5%。在300℃下，强度变化不大，小于5%，塑性指标变化小于13.7%； 在400℃下强度下降在17.3%以内，塑性指标上升，幅度在37.8%以内。

　　（3）冲击功

　　40Cr试样按GB 5775-86加工成4.5×5×55的近1/2标准件。从油管上沿纵向加工出尺寸为4.5 mm×10 mm×55 mm的式样， 进行室温、300℃、400℃的夏比U型冲击试验，测量夏比冲击功（ Aku2 ）。在250℃、300℃、350℃和400℃时，采用‘不同法’进行实验：之前升温至310℃、410℃，并保温24min。试样取出后也必须在3～5s内打断试样，如果试样从不同的介质中取出后5s内摆锤未放下，则停止试验，将试样重新放会到不同的介质中保温。40Cr钢在250℃、300℃、350℃和400℃时的冲击功与室温相比，分别下降17.1%和10.6%。

　　4 卡瓦材料性能评价研究报告结论

　　（1）20CrMo钢性能检测及评价结果显示： 20CrMo钢疲劳强度具有很好的高温适应性，20CrMo热强性较高，在400～500℃时，热强度仍高，淬透性较好，无回火脆性，冷应变塑性、切削加工性及焊接性均良好，一般在调质或渗碳淬火状态下使用。总之，作为一种耐热合金钢，20CrMo钢在高温服役的情况下，强度变化不大，塑性获得了很大的提升，不影响400℃以下的服役。

　　（2）38CrMoAlA钢性能检测及评价结果显示：38CrMoAlA钢的典型组织为索氏体+块状铁素体+上贝氏体，组织呈不均匀分布特征，有明显的变形加工产生的条带状特征，主要组织缺陷为少量的氮化缺陷与硫化锰等夹杂物。38CrMoAlA钢在250℃、300℃、350℃和400℃不同环境下使用，硬度、屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等同时下降总之38CrMoAlA作为铁素体型耐热合金钢，具有较低的高温强度，不建议选用。建议选用珠光体或者奥氏体型耐热钢，如12Cr2MoWVTiB、1Cr18Ni9Ti等。

　　（3）40Cr钢性能检测及评价结果显示： 40Cr油井管钢的典型组织为P+F， 主要组织缺陷为粗大网状铁素体，400℃珠光体片间距明显增大。符合API SPEC 5CT 的要求，不影响服役。 在400℃环境下，强度下降在17.3%以内，塑性指标变化幅度在37.8%以内，不符合API SPEC 5CT标准要求。但是由于强度指标下降在20%以内，同时，40Cr作为一种油气田专用耐热合金结构钢，通过调整热处理工艺，可以使用。