石油套管熱處理性能可靠性的研究

劉金海 陳建偉（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

石油套管熱處理性能可靠性的研究

劉金海 陳建偉（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

石油套管的熱處理大多采用連續(xù)自動(dòng)的方式生產(chǎn)，熱處理后產(chǎn)品性能檢驗(yàn)通過(guò)抽檢方式進(jìn)行，不可能100%產(chǎn)品性能得到驗(yàn)證，嚴(yán)格控制熱處理生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)相關(guān)因素是保證鋼管性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。通過(guò)采取有效措施，從熱處理生產(chǎn)線的性能特點(diǎn)、維護(hù)和使用、熱處理工藝和質(zhì)量管理、生產(chǎn)人員管理等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保了產(chǎn)品性能可靠，得到用戶充分認(rèn)可。

石油套管 熱處理 性能 可靠性 控制

1 引言

石油套管在下井和服役過(guò)程中要承受內(nèi)壓、外壓、彎曲、旋轉(zhuǎn)、磨損、腐蝕等苛刻條件[1]，因此對(duì)于鋼管性能（包括機(jī)械性能、抗擠毀、內(nèi)屈服、抗腐蝕和其它使用性能）有著很高的可靠性要求。特別是近年來(lái)深井、超深井、深海以及含硫化氫、二氧化碳等復(fù)雜地質(zhì)油氣田的勘探開采，對(duì)于N80Q和P110鋼級(jí)以上高鋼級(jí)產(chǎn)品的需求越來(lái)越普遍，而這些鋼級(jí)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須進(jìn)行全長(zhǎng)熱處理。

熱處理工序在石油套管的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中屬于“特殊工序”[2]，因?yàn)殇摴軣崽幚砗蟮男阅芸刂浦荒芡ㄟ^(guò)控制熱處理工藝參數(shù)間接實(shí)現(xiàn)，且只能抽檢而不能100%驗(yàn)證性能。套管和油管規(guī)范ISO 11960（API 5CT）也將熱處理工序定義為“需要確認(rèn)的工序[3]”。鑒于熱處理工序的重要性和特殊性，石油套管的制造廠必須對(duì)工序進(jìn)行細(xì)致控制和確認(rèn)，才能保證鋼管性能的可靠和穩(wěn)定。

當(dāng)前天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱天管），有7條鋼管熱處理生產(chǎn)線，產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)t/a。經(jīng)過(guò)近20年的生產(chǎn)、研發(fā)，天管集團(tuán)對(duì)石油套管的熱處理生產(chǎn)積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合天管集團(tuán)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)石油套管的連續(xù)熱處理生產(chǎn)的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)分析，圍繞石油套管的熱處理相關(guān)環(huán)節(jié)闡述保證熱處理性能可靠的措施。

2 主要熱處理設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和使用要求

石油套管熱處理多采用自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)方式，不僅生產(chǎn)效率高、產(chǎn)量大，而且為產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通常一條鋼管熱處理生產(chǎn)線的產(chǎn)量可達(dá)5～25萬(wàn)t，主體設(shè)備包括熱處理爐和淬火冷卻等。

2.1 熱處理爐

鋼管熱處理爐是整個(gè)熱處理生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備。其中有效加熱區(qū)的溫度均勻性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，生產(chǎn)節(jié)奏的準(zhǔn)確性（節(jié)奏反應(yīng)了鋼管的加熱和保溫時(shí)間）、加熱區(qū)的氧化氣氛控制等特征參數(shù)都會(huì)對(duì)鋼管質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。見圖1。

鋼管加熱溫度，API石油套管性能要求嚴(yán)格，熱處理爐控溫精度應(yīng)達(dá)到±5℃，滿足II類加熱爐的要求[4]，均熱后鋼管全長(zhǎng)及周向溫差≤10℃，溫度按照設(shè)定值自動(dòng)或手動(dòng)控制，具有控溫報(bào)警功能來(lái)保證溫度處于工藝要求范圍。

鋼管加熱時(shí)間，步進(jìn)式熱處理爐屬于快速加熱爐，低合金鋼管最大升溫速度可達(dá)40℃/min。鋼管爐內(nèi)加熱時(shí)間T加熱=T升溫+T保溫，鋼管升溫時(shí)間主要受鋼管有效尺寸和布料方式影響，不同規(guī)格所需時(shí)間存在一定差異，鋼管保溫時(shí)間根據(jù)鋼種和產(chǎn)品要求設(shè)計(jì)。

新建或改造的熱處理爐生產(chǎn)前適宜采用的“黑匣子測(cè)溫”[5]的方法對(duì)熱處理爐的有效加熱區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)得到熱處理爐的一系列特性參數(shù)，例如鋼管的溫度均勻性、實(shí)際升溫速度、實(shí)際保溫時(shí)間、熱處理爐的加熱系數(shù)等，來(lái)驗(yàn)證設(shè)備是否滿足設(shè)計(jì)和工藝要求。見圖2。

熱處理爐還應(yīng)具備自動(dòng)記錄鋼管入出爐時(shí)間、爐區(qū)溫度、鋼管出爐管體溫度、爐膛壓力、燃?xì)饬髁俊⒖諝饬髁康葏?shù)的功能，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯。

2.2 淬火機(jī)構(gòu)

鋼管淬火可采用內(nèi)外同時(shí)冷卻的臥式淬火方式，應(yīng)能達(dá)到鋼種淬火所需要的臨界冷卻速度，并使鋼管產(chǎn)生最小淬火應(yīng)力。見圖3。

淬火用水溫度嚴(yán)格控制在32℃以下，以保證水淬冷卻效果。淬火用水量，鋼管淬火時(shí)內(nèi)外冷卻速度盡可能接近，以保證鋼管內(nèi)外壁組織轉(zhuǎn)變的同步,減輕鋼管淬火變形、避免鋼管出現(xiàn)淬火裂紋。

我說(shuō)：“再過(guò)幾年，我就長(zhǎng)大了，我不知道我長(zhǎng)大了干什么。寧國(guó)江山被胡人占了一半，我不知道什么時(shí)候才能把胡人趕走。”

設(shè)備應(yīng)具有自動(dòng)生產(chǎn)并記錄淬火介質(zhì)的溫度、內(nèi)外冷卻介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的壓力等參數(shù)的功能，用于追溯產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。下面列舉了水淬設(shè)備應(yīng)具有的部分關(guān)鍵功能和參數(shù),見表1。

2.2 設(shè)備正常運(yùn)行的維護(hù)和改進(jìn)

鋼管的熱處理屬于特殊工序，必須嚴(yán)格控制設(shè)備維護(hù)和升級(jí)改造，保障設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常以滿足工藝的要求。所有設(shè)備的儀器儀表應(yīng)符合對(duì)應(yīng)質(zhì)量體系文件的要求，新建設(shè)備、改造或大修后均應(yīng)按技術(shù)條件驗(yàn)收，鑒定合格后才可使用。要盡可能地避免由于工裝誤差引起質(zhì)量波動(dòng)，設(shè)備檢修維護(hù)后的首批產(chǎn)品也須密切跟蹤，并將生產(chǎn)結(jié)果存檔。正常使用的設(shè)備還應(yīng)定期按照石油套管的要求進(jìn)行工藝和設(shè)備的確認(rèn)。

熱處理爐除達(dá)到驗(yàn)收的技術(shù)條件外還應(yīng)及時(shí)完善工藝試驗(yàn)，通過(guò)鋼管熱處理后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)最終驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性，例如:鋼管兩端、中部、周向的性能分布、淬透性試驗(yàn)、工藝性能試驗(yàn)、金相組織、殘余應(yīng)力等多方面。

各主要設(shè)備生產(chǎn)所需的環(huán)境條件，例如燃?xì)獾膲毫?、熱值，冷卻介質(zhì)的溫度、壓力等應(yīng)嚴(yán)格滿足工藝技術(shù)文件的要求，當(dāng)出現(xiàn)不滿足情況時(shí)應(yīng)停止生產(chǎn)。同種規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)應(yīng)基本保持不變，當(dāng)發(fā)生較大變化時(shí)要及時(shí)記錄存檔，避免因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行參數(shù)的變化造成產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。

表1 鋼管熱處理設(shè)備應(yīng)具備的功能匯總

鋼管熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線屬于流水線作業(yè)，任何一臺(tái)套設(shè)備問題都會(huì)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量造成沖擊。因此，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修是必要的，制定并嚴(yán)格遵守設(shè)備點(diǎn)檢定修制度，避免由于一個(gè)小的部件故障造成整個(gè)生產(chǎn)線物料的返工。

3 鋼管熱處理質(zhì)量控制

關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行可靠為產(chǎn)品質(zhì)量提供了一個(gè)前提，而要保證鋼管性能穩(wěn)定可靠則需要更加關(guān)注鋼管熱處理過(guò)程的各個(gè)質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。見圖4。

通過(guò)因果分析圖，從人、機(jī)、料、法、環(huán)幾個(gè)方面加強(qiáng)質(zhì)量控制。

3.1 生產(chǎn)材料的確認(rèn)

生產(chǎn)前必須對(duì)原料的規(guī)格、材質(zhì)、技術(shù)要求等進(jìn)行核實(shí)，從源頭保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的可追溯性。生產(chǎn)前應(yīng)仔細(xì)核實(shí)材料的化學(xué)成分，根據(jù)化學(xué)成分對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

同牌號(hào)材料不同的冶煉方式、不同爐號(hào)的鋼管熱處理后性能都會(huì)存在一定差異，不可交替混合生產(chǎn)。生產(chǎn)組織應(yīng)滿足石油套管的可追溯性要求，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的物料和熱處理狀態(tài)應(yīng)有明顯的標(biāo)記。嚴(yán)格管理熱處理性能不合格品，對(duì)重新熱處理的鋼管進(jìn)行記錄存檔。

3.2 熱處理的質(zhì)量管理

除了通過(guò)嚴(yán)格控制設(shè)備和工藝來(lái)保證石油套管的熱處理質(zhì)量外，有效的質(zhì)量控制手段也非常重要。生產(chǎn)過(guò)程設(shè)專人進(jìn)行工藝檢查，對(duì)工藝執(zhí)行的原始記錄情況進(jìn)行監(jiān)督，這些原始記錄包括加熱溫度、生產(chǎn)節(jié)奏、冷卻方式、冷卻介質(zhì)及溫度、鋼管出爐溫度等，并對(duì)操作過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化符合情況進(jìn)行監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)問題督促糾正，排除質(zhì)量隱患。

另外定期對(duì)質(zhì)量記錄和理化檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，各種控制分析圖表按歸檔制度整理保管處于受檢狀態(tài)?？刹扇《喾N分析方法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，例如通過(guò)工序過(guò)程能力分析發(fā)現(xiàn)問題。見圖5。結(jié)合JB/T3736《質(zhì)量管理中常用的統(tǒng)計(jì)工具》可以看出：天管集團(tuán)生產(chǎn)的API 5CT第一組P110鋼級(jí)套管熱處理后力學(xué)性能分布正常，工序能力為1.34達(dá)到理想狀態(tài)[6]；API 5CT第二組L80鋼級(jí)套管熱處理后力學(xué)性能分布正常，工序能力為1.13達(dá)到正常狀態(tài)；TP系列自主產(chǎn)品TP80S抗腐蝕套管熱處理后力學(xué)性能分布正常，工序能力為1.40達(dá)到理想狀態(tài)。

3.3 熱處理生產(chǎn)參與人員

鋼管的熱處理生產(chǎn)通過(guò)控制設(shè)備運(yùn)行參數(shù)間接控制鋼管熱處理性能，而設(shè)備運(yùn)行參數(shù)有時(shí)不能完全反映鋼管的實(shí)際情況，所以操作人員除監(jiān)視設(shè)備參數(shù)外還必須定時(shí)巡視設(shè)備運(yùn)行情況，觀察鋼管在爐內(nèi)的實(shí)際加熱效果和淬火冷卻情況。

操作人員必須熟練掌握設(shè)備的控制要點(diǎn)，和生產(chǎn)質(zhì)量控制點(diǎn)，所有生產(chǎn)參與人員包括工藝制定人員、現(xiàn)場(chǎng)管理人員、操作、檢驗(yàn)人員必須經(jīng)過(guò)定期考核和培訓(xùn)。關(guān)鍵崗位人員須由專業(yè)考核合格，有現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制知識(shí)的人員擔(dān)任。

3.4 熱處理工藝

3.4.1 鋼管加熱控制

通常選擇的淬火加熱溫度在Ac3以上50℃～100℃（除非標(biāo)準(zhǔn)要求），較高的淬火溫度可保證鋼管得到充分的奧氏體化，實(shí)現(xiàn)快速加熱，穩(wěn)定淬火質(zhì)量。當(dāng)淬火工藝溫度接近鋼種相變溫度Ac3時(shí)，應(yīng)提高溫度控制要求，以穩(wěn)定奧氏體組織減小淬火性能差異。文獻(xiàn)[7]介紹鋼管的亞溫淬火工藝可以改善鋼種的高溫回火脆性，但Ac3以下的淬火加熱會(huì)因鋼管周向和管長(zhǎng)溫差導(dǎo)致內(nèi)部組織出現(xiàn)明顯的不均勻，淬火后鋼管內(nèi)部組織差異明顯而導(dǎo)致鋼管拉伸性能的不穩(wěn)定，這種亞溫淬火工藝對(duì)于熱處理爐的生產(chǎn)能力有更高的要求，類似的工藝不推薦在石油套管的生產(chǎn)上采用，但可按照文獻(xiàn)[8]介紹的低溫淬火工藝避免淬火組織差異來(lái)獲得更好的可靠性。

眾所周知熱處理的溫度和保溫時(shí)間都會(huì)對(duì)材料的性能造成一定的影響，所以熱處理的加熱時(shí)間也必須得到控制，通過(guò)“黑匣子測(cè)溫試驗(yàn)”可獲得爐子特性參數(shù)，用于核算鋼管熱處理生產(chǎn)節(jié)奏，使鋼管的加熱和保溫時(shí)間得到準(zhǔn)確控制。

3.4.2 鋼管淬火控制

鋼管的淬火操作至關(guān)重要，淬火介質(zhì)的溫度、內(nèi)外淬火介質(zhì)的流量必須達(dá)到工藝要求，以保證足夠的淬火冷卻速度。淬火冷卻時(shí)間要保證鋼管淬火后達(dá)到工藝要求的溫度。然而僅控制淬火工藝參數(shù)不能充分保證淬火效果，還要控制鋼管出爐等待淬火的時(shí)間，保證淬火前的實(shí)際溫度滿足淬火要求，鋼管整個(gè)淬火冷卻過(guò)程必須在操作人員的嚴(yán)密監(jiān)視下進(jìn)行。

針對(duì)設(shè)備能力統(tǒng)計(jì)各個(gè)品種的淬透性數(shù)據(jù)，用于規(guī)范鋼種的應(yīng)用，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。淬火時(shí)為保證質(zhì)量的一致性，低淬透性鋼種生產(chǎn)厚壁產(chǎn)品時(shí)淬火水量選擇上限，當(dāng)高淬透性鋼種生產(chǎn)薄壁產(chǎn)品時(shí)淬火水量選擇下限，這樣可以保證低淬透性鋼種的淬火效果也可以避免高淬透性鋼種出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象。

3.4.3 工藝的確認(rèn)

熱處理工藝的可靠性至關(guān)重要，新品種鋼管的熱處理工藝必須得到充分的驗(yàn)證才能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。鋼管正式批量生產(chǎn)前均應(yīng)進(jìn)行小規(guī)模的試驗(yàn)生產(chǎn)，新工藝經(jīng)確認(rèn)后方可正式應(yīng)用。這種驗(yàn)證應(yīng)該包含多種項(xiàng)目：淬透性、拉伸強(qiáng)度（兩端和管體）、硬度、組織、晶粒度等等。當(dāng)出現(xiàn)因?yàn)殇摴艿牟牧咸厥庑詫?duì)生產(chǎn)設(shè)備提出了更高的要求時(shí)，要保證鋼管性能穩(wěn)定，熱處理過(guò)程應(yīng)該得到更加嚴(yán)格的關(guān)注，制定適用可行的措施，當(dāng)所采取的措施不能充分保障產(chǎn)品性能可靠時(shí)，要及時(shí)尋找可替換的材料或繼續(xù)深入研究。

3.5 試樣的抽取和追溯

石油套管規(guī)范要求試驗(yàn)用管隨機(jī)抽取，當(dāng)多次試驗(yàn)時(shí)抽樣要能代表該熱處理檢驗(yàn)批的始、末及管子的兩端[3]。但僅按照標(biāo)準(zhǔn)的要求去抽取試樣驗(yàn)證整批鋼管的性能還存在很大的檢驗(yàn)盲區(qū)，所以要嚴(yán)格制定取樣規(guī)程，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件完善取樣制度。例如：生產(chǎn)P110鋼級(jí)套管時(shí)，如一個(gè)生產(chǎn)批次只生產(chǎn)了一批數(shù)量的鋼管，則也應(yīng)該取兩個(gè)試樣驗(yàn)證鋼管兩端及生產(chǎn)始末（標(biāo)準(zhǔn)只要求取一個(gè)試樣）。

鋼管加熱采用步進(jìn)式連續(xù)熱處理爐，每個(gè)生產(chǎn)周期入爐的前、中、后鋼管的加熱狀態(tài)會(huì)存在一定差異，主要體現(xiàn)在開始和結(jié)束階段，爐底強(qiáng)度的不穩(wěn)定造成控制系統(tǒng)響應(yīng)不及時(shí)，因而爐溫波動(dòng)較大，而加熱差異即可能導(dǎo)致鋼管性能的差異，鋼管淬火時(shí)由于鋼種淬透性的影響以及鋼管壁厚尺寸造成的質(zhì)量效應(yīng)的影響兩端會(huì)存在一定的性能差異，并且淬火時(shí)鋼管與設(shè)備的接觸也會(huì)可能造成接觸點(diǎn)的淬火不充分，取樣時(shí)對(duì)各種因素都應(yīng)充分考慮，抽取試樣要具有充分的代表性，絕不能簡(jiǎn)單的隨機(jī)抽檢。

4 結(jié)束語(yǔ)

天管集團(tuán)近20年內(nèi)得到快速發(fā)展，當(dāng)前熱處理能力已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)t/a，產(chǎn)品涵蓋了ISO11960規(guī)范中的全部鋼級(jí)和規(guī)格，并獨(dú)立開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TP系列產(chǎn)品滿足用戶對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下油井的需求，得到了全球用戶的充分認(rèn)可。熱處理生產(chǎn)工序的穩(wěn)定可靠為產(chǎn)品內(nèi)在性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更依賴于對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)相關(guān)因素的嚴(yán)格控制，對(duì)于工藝及設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性的不斷追求。

[1]鉆井手冊(cè)編寫組.鉆井手冊(cè)(上冊(cè))第一版[M].北京：石油工業(yè)出版社，1990.145.

[2]JB/T5059-2006，特殊工序質(zhì)量控制導(dǎo)則[S].

[3]API spec 5CT，套管和油管規(guī)范[S].

[4]GB/T9452-2003，熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法[S].

[5]劉金海,劉懷章,孫開明,劉日新.鋼管熱處理過(guò)程的“黑匣子”動(dòng)態(tài)溫度測(cè)試[A].2004年全國(guó)煉鋼、軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集[C].2004.

[6]JB/T3736.7-1994,質(zhì)量管理中常用的統(tǒng)計(jì)工具[S].

[7]張樹坤、張利民.36Mn2V鋼石油套管的亞溫淬火強(qiáng)韌化處理工藝[J].鋼管,2005（6）:20～22.

[8]陳建偉,趙冰.27MnCrV鋼石油套管強(qiáng)韌化熱處理工藝研究[J].天津鋼管,2007（1）:1-3.

Study on the Reliability of Oil Casing Heat Treatment Performance

Liu Jinhai,Chen Jianwei

The heat treatment of oil casing was usually adopted at automatic continuous production.The performance of the product after heat treatment was inspected with sampling method,which could not verify 100%product performance. Strictly controlling relevant factors during heat treatment was crucial to ensuring stable and reliable pipe performance.Strict control was conducted by the adoption of limited measures,in aspects of the characteristics,maintenance and operation of the heat treatment line,heat treatment process,quality control and production staff management.Hence,with reliable performance the product was well

by the customer.

oil casing,heat treatment,performance,reliability, control

（收稿 2010-11-11責(zé)編趙實(shí)鳴）

劉金海，男，1987年畢業(yè)于北京鋼鐵學(xué)院熱能工程系，高級(jí)工程師，畢業(yè)后在天津鋼管集團(tuán)股份有限公司從事鋼管熱處理和螺紋加工工作，現(xiàn)任天津鋼管集團(tuán)股份有限公司質(zhì)保部部長(zhǎng)。