油管和套管標(biāo)準(zhǔn)中部分技術(shù)條款探討

李昱坤，閆 凱，衛(wèi) 棟，田新新，韓華剛，韓新利

（石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

油管和套管標(biāo)準(zhǔn)中部分技術(shù)條款探討

李昱坤，閆 凱，衛(wèi) 棟，田新新，韓華剛，韓新利

（石油管工程技術(shù)研究院，西安710077）

針對(duì)油管和套管標(biāo)準(zhǔn)中批的定義、硬度試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)（SSC）、抗擠毀試驗(yàn)、接箍鋼級(jí)替代、接箍承載面寬度以及偏梯形螺紋黑皮扣這7個(gè)未明確或存在疑義的條款進(jìn)行分析。提出了一些合理化建議，為采購(gòu)方在訂貨時(shí)和制造廠生產(chǎn)油管和套管產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制提供參考。

API SPEC 5CT；油管；套管；試驗(yàn)方法

近年來(lái)由于對(duì)石油需求的持續(xù)增加，以及油田勘探開(kāi)發(fā)的條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)油、套管的性能要求也就越來(lái)越高。鑒于此形勢(shì)下，各家工廠紛紛開(kāi)發(fā)出適應(yīng)不同地質(zhì)條件的非API油管、套管以滿足復(fù)雜工況需求。在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品過(guò)程中都是以API SPEC 5CT《油管和套管規(guī)范》（以下簡(jiǎn)寫(xiě)5CT）作為最基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，但在一些關(guān)鍵性指標(biāo)或命名與5CT上產(chǎn)品有所區(qū)別。也正是因?yàn)楦骷耶a(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)的要求有區(qū)別，才導(dǎo)致了油田用戶簽訂油管、套管訂貨技術(shù)條件時(shí)信息方面存在不對(duì)等情況。本文結(jié)合油管、套管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及多年石油專(zhuān)用管監(jiān)督工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中批的定義、硬度試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)（SSC）、抗擠毀試驗(yàn)、接箍鋼級(jí)替代、接箍承載面寬度和偏梯形螺紋黑皮扣7個(gè)存在疑問(wèn)的條款進(jìn)行探討。

1 存在疑問(wèn)條款的分析

1.1 幾種批的定義

在5CT標(biāo)準(zhǔn)中有3種批的定義［1］，分別是爐批、檢驗(yàn)批和力學(xué)性能試驗(yàn)批。其中爐批定義為“一爐投料熔煉的單一循環(huán)過(guò)程所生產(chǎn)的金屬”。檢驗(yàn)批定義為“待檢的、屬性一致條件下生產(chǎn)的限定數(shù)量的產(chǎn)品”。力學(xué)性能試驗(yàn)批定義有兩種情況，第1種為“1、2（僅對(duì)M65、L80-1）、3組來(lái)自同一爐批或根據(jù)文件化程序確定確保其符合本標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)要求而編為一組的不同爐批的鋼、經(jīng)過(guò)軋制或作為連續(xù)作業(yè)的一部分（或單獨(dú)作為一批）進(jìn)行熱處理、具有相同規(guī)定尺寸和鋼級(jí)的所有產(chǎn)品”。第2種“2（除M65、L80-1）、4組來(lái)自同一爐鋼、作為連續(xù)作業(yè)的一部分（或單獨(dú)作為一批）進(jìn)行熱處理、具有相同規(guī)定尺寸和鋼級(jí)的所有產(chǎn)品”。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中不同批的定義可以看出，爐批的范圍較大，檢驗(yàn)批的定義范圍較小，而力學(xué)性能試驗(yàn)批（或簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)批）則比較靈活，可是同一爐批也可以是同一熱處理批。這就需要采購(gòu)方在訂貨技術(shù)協(xié)議中對(duì)不同的批的定義要明確數(shù)量或定義范圍。例如，在SSC試驗(yàn)、抗硫加厚油管硬度試驗(yàn)等方面就需要對(duì)批和數(shù)量進(jìn)行確認(rèn)，以便質(zhì)量控制的合理、合規(guī)。

1.2 洛氏硬度試驗(yàn)判定問(wèn)題

對(duì)抗腐蝕類(lèi)管材，硬度試驗(yàn)是必不可少的，特別是抗硫化氫要求材料硬度值越低越好。以80ksi鋼級(jí)抗腐蝕類(lèi)油管、套管為例，在5CT標(biāo)準(zhǔn)和很多油田油套管訂貨技術(shù)協(xié)議中經(jīng)?？梢钥吹剑蠊荏w與接箍的硬度均按照洛氏硬度C標(biāo)尺進(jìn)行小于23 HRC判定。

根據(jù)GB／T 230.3—2012標(biāo)準(zhǔn)中洛氏硬度C標(biāo)尺及使用范圍規(guī)定［2］：洛氏硬度C標(biāo)尺（HRC）的硬度值有效范圍為20～67 HRC，被廣泛適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等的硬度測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)3家代表性工廠80ksi鋼級(jí)抗硫管超過(guò)100組數(shù)據(jù)硬度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)80ksi鋼級(jí)抗硫管HRC實(shí)際測(cè)試數(shù)值大量在14～19 HRC如表1。

表1 國(guó)內(nèi)工廠80ksi鋼級(jí)抗硫管HRC結(jié)果分布比例

從表1可以看出，針對(duì)80ksi或更低鋼級(jí)抗硫管這類(lèi)材質(zhì)的材料，只有A工廠有8.5%產(chǎn)品硬度值大于20 HRC，其余2個(gè)工廠都小于20 HRC，這樣采用洛氏硬度C標(biāo)尺（HRC）試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)是否有效就存在疑義。

建議生產(chǎn)廠對(duì)此類(lèi)材料采用布氏硬度或維氏硬度試驗(yàn)，盡快提交相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)條款做出修訂。此外，客戶在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，也需要與工廠就此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行溝通，不要一概要求使用洛氏硬度C標(biāo)尺（HRC）試驗(yàn)方法。

1.3 硫化氫應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)（SSC）及復(fù)驗(yàn)問(wèn)題

采購(gòu)方或監(jiān)理方經(jīng)常會(huì)與工廠在SSC試驗(yàn)問(wèn)題上有較大分歧。一方面，標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)C90、T95、C110鋼級(jí)的抗硫管有明確SSC試驗(yàn)要求，而工廠自主開(kāi)發(fā)非API鋼級(jí)抗硫管是否也按每爐批做抗硫試驗(yàn)？另一方面，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)C90、T95、C110鋼級(jí)試驗(yàn)批次有要求，但對(duì)試驗(yàn)數(shù)量、復(fù)驗(yàn)卻沒(méi)有明確，僅指明需要客戶和生產(chǎn)廠進(jìn)行溝通確定。

對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)鋼級(jí)是否做SSC試驗(yàn)問(wèn)題，筆者認(rèn)為抗硫試驗(yàn)是抗硫類(lèi)產(chǎn)品為質(zhì)量控制的目的所設(shè)定，以證明材料是否具有一定的抗硫化氫能力。不能因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)上沒(méi)明確就不做，80ksi、90ksi、95ksi、110ksi鋼級(jí)的抗硫油套管無(wú)論API還是非API產(chǎn)品都應(yīng)該每爐批（管體和接箍）對(duì)抗硫性能進(jìn)行試驗(yàn)，不能因?yàn)樵囼?yàn)周期720 h，而簡(jiǎn)化試驗(yàn)或者以成熟產(chǎn)品為由省略該項(xiàng)關(guān)鍵性試驗(yàn)［3］。

因標(biāo)準(zhǔn)中未明確試驗(yàn)批的數(shù)量，且SSC試驗(yàn)周期很長(zhǎng)，通常情況下，工廠選擇對(duì)抗硫管進(jìn)行每爐抽取一個(gè)試樣，根據(jù)ANSI-NACE TM0177—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。出現(xiàn)不合格時(shí)，由于5CT標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有復(fù)驗(yàn)具體要求，因此對(duì)不合格的處理缺少依據(jù)。例如重新試驗(yàn)抽取的試樣從那根管子上截??？若再次試驗(yàn)的2個(gè)試樣一個(gè)合格，另一個(gè)不合格時(shí)如何處理等，這些問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)中都未給出明確說(shuō)法。筆者查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在SY／T6857.1—2012《含H2S油氣田環(huán)境下碳鋼和低合金鋼油管和套管選用推薦做法》標(biāo)準(zhǔn)中有較為明確說(shuō)法［4］：

1） 每個(gè)樣品上應(yīng)至少取3個(gè)平行試樣作為1組進(jìn)行試驗(yàn)。

2） 試驗(yàn)頻率應(yīng)為每爐、每批或者每100根管子取1個(gè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，抽樣頻率取3者中最高者。

3） 若有1個(gè)或2個(gè)試樣不能通過(guò)，應(yīng)在征得用戶或者購(gòu)方同意的前提下，才能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

可以看出SY／T6857.1—2012標(biāo)準(zhǔn)中的取樣數(shù)量、批次大小、試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)方面都有明確說(shuō)明，該要求可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量控制的有效性，提升抗硫類(lèi)管材質(zhì)量的可靠性，建議采購(gòu)方制定技術(shù)協(xié)議時(shí)可參考采用。

1.4 套管擠毀試驗(yàn)頻次及復(fù)驗(yàn)問(wèn)題

套管的抗擠毀能力是多重因素所影響。在5CT中，理化等基本性能要求和對(duì)復(fù)驗(yàn)的問(wèn)題描述都很清楚，獨(dú)缺少對(duì)抗擠毀類(lèi)管材試驗(yàn)的要求，僅在API TR 5C3中對(duì)抗擠毀性能有相關(guān)推薦計(jì)算公式［5］，但對(duì)擠毀等試驗(yàn)的取樣、數(shù)量、甚至復(fù)驗(yàn)等方面都沒(méi)有任何要求。大多數(shù)情況下，采購(gòu)方訂購(gòu)的抗擠毀管材，制造廠通常會(huì)與其協(xié)商提供以前的擠毀試驗(yàn)報(bào)告證明或是在訂購(gòu)產(chǎn)品中選做一個(gè)試樣代表。由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)要求，隨之就帶來(lái)一系列問(wèn)題：原先試驗(yàn)的報(bào)告能否替代當(dāng)前套管質(zhì)量？選取的管材是否有代表性，合格是否就代表整批具備抗擠毀能力？不合格又如何再?gòu)?fù)驗(yàn)？根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量抽樣方法，筆者建議應(yīng)從每爐批中選取1根壁厚不均度最大的或外徑不圓度最大的套管試樣來(lái)做外壓擠毀試驗(yàn)，這樣試驗(yàn)才能具有代表性，證明整批管材的抗擠毀能力。若出現(xiàn)外壓擠毀試驗(yàn)不合格，則本批次產(chǎn)品不合格。另外，要求采購(gòu)方在簽訂的合同或訂貨協(xié)議中明確取樣方法、取樣數(shù)量、抗擠毀值、復(fù)驗(yàn)要求等。

1.5 接箍替代鋼級(jí)問(wèn)題

5CT中對(duì)接箍的一般要求是“接箍應(yīng)是無(wú)縫的，除9.2所列情況外，應(yīng)具有與管子相同的鋼級(jí)和類(lèi)型、相同或更高的PSL，并經(jīng)過(guò)與管子相同的熱處理?！睂?shí)際中，因接箍料壁厚大、用量少，專(zhuān)門(mén)為某產(chǎn)品對(duì)應(yīng)軋制，成本必然會(huì)增加。加之在合同或訂貨技術(shù)協(xié)議中未有明確要求的，一些工廠會(huì)采用替代鋼級(jí)接箍料。例如某廠用95SS或P110鋼級(jí)接箍替代80S鋼級(jí)接箍，對(duì)于此種鋼級(jí)替換方式是否可行，特別是會(huì)因不同材質(zhì)導(dǎo)致有硬度差異，上卸扣時(shí)導(dǎo)致粘扣現(xiàn)象，但這些情況尚無(wú)明確的研究及相應(yīng)指導(dǎo)依據(jù)。

建議在出現(xiàn)接箍鋼級(jí)替換時(shí)，工廠應(yīng)征得采購(gòu)方書(shū)面同意或者提供相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件、替代先例等，以證明用于替換的接箍性能符合技術(shù)協(xié)議和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)業(yè)主在簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)，對(duì)接箍鋼級(jí)是否可以替換做出明確規(guī)定。此外，如果許可替代，替代原則也應(yīng)該是同類(lèi)材質(zhì)為宜，如抗硫類(lèi)的高帶低，抗擠毀的高帶低，熱采的高帶低等，非同類(lèi)替代應(yīng)該禁止。

1.6 接箍承載面寬度及外螺紋鼻端厚度

5CT標(biāo)準(zhǔn)中9.5條款“接箍承載面的內(nèi)外棱邊應(yīng)為圓角或倒角，但不能過(guò)分減小承載面的寬度（尺寸b），以保證有足夠的厚度，能安全地支撐吊卡上管子的質(zhì)量。接箍的兩端面應(yīng)與軸線嚴(yán)格垂直”。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)每種規(guī)格的接箍承載面寬度b給出了具體數(shù)值要求，但根據(jù)9.5條款看并未明確是否是一定要大于b。此外，在API SPEC 5B中對(duì)外螺紋鼻端厚度也未做明確。如圖1中的接箍毛坯就因?yàn)楸诤癫痪诩庸ず髸?huì)產(chǎn)生b值小于規(guī)定值情況；圖2中加工完的套管外螺紋因壁厚不均，導(dǎo)致端部螺紋壁厚差異較大。這兩種情況下的螺紋在使用中都會(huì)因壁厚不均而降低螺紋的連接強(qiáng)度，特別是帶有密封面的特殊螺紋若出現(xiàn)壁厚不均將問(wèn)題更嚴(yán)重。因此，筆者認(rèn)為接箍承載面寬度b，標(biāo)準(zhǔn)中要求的值應(yīng)該是最小值，而外螺紋端部壁厚也必須在加工參數(shù)中明確最小控制要求。此外，生產(chǎn)工廠應(yīng)該對(duì)接箍b值和外螺紋端部壁厚明確控制指標(biāo)，并增加檢驗(yàn)比例，以防止圖1～2中情況出現(xiàn)。

圖1 接箍壁厚不均勻

圖2 外螺紋鼻端壁厚不均勻

1.7 偏梯形螺紋套管黑皮扣問(wèn)題

在油田現(xiàn)場(chǎng)可以看到一些偏梯形螺紋套管出現(xiàn)螺紋形貌不對(duì)稱(chēng)，斷扣、黑皮現(xiàn)象嚴(yán)重的情況（如圖3～4），但根據(jù)API 5B中對(duì)偏梯形螺紋的要求測(cè)量又合格（API5B中“在Lc長(zhǎng)度范圍內(nèi)允許有兩牙黑頂螺紋，但黑頂螺紋的長(zhǎng)度不能超過(guò)管子圓周長(zhǎng)的25%，在Lc長(zhǎng)度的其他螺紋均應(yīng)是全頂螺紋［6］”）。此外API5B對(duì)L4只給出了確定數(shù)值，作為螺紋連接設(shè)計(jì)的依據(jù)，沒(méi)有規(guī)定公差，不作為產(chǎn)品接收和拒收的依據(jù)。也有人對(duì)此提出了不同看法，認(rèn)為L(zhǎng)4影響泄漏通道長(zhǎng)度和連接強(qiáng)度，應(yīng)該有公差要求［7］。在實(shí)際加工中影響偏梯形螺紋接頭全頂螺紋長(zhǎng)度的因素有管端最小外徑、管端橢圓度、管端直度。如果要加工出合格的偏梯形螺紋，最小外徑就要至少大于大端直徑D4，管端橢圓度要求公差更小，管端直度也需要控制要求更嚴(yán)格（標(biāo)準(zhǔn)要求1.5 m內(nèi)最大為3.18 mm）。建議在制造偏梯形螺紋套管時(shí)應(yīng)綜合考慮API 5CT和API 5B的各項(xiàng)要求，而不僅僅是螺紋Lc內(nèi)合格，為提高螺紋加工合格率應(yīng)制定更為嚴(yán)格的管子幾何尺寸控制措施，以減少前文中所述現(xiàn)象的出現(xiàn)，達(dá)到提高螺紋質(zhì)量目的。

圖3 套管偏梯形螺紋斷扣現(xiàn)象

圖4 套管偏梯形螺紋黑皮現(xiàn)象

2 結(jié)論

1） 工廠自身質(zhì)量意識(shí)的提高，采購(gòu)方明確的訂貨技術(shù)要求，相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)油管、套管標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步完善，將整體提升國(guó)內(nèi)油管、套管的質(zhì)量水平，降低用戶的使用風(fēng)險(xiǎn)。

2） 對(duì)于采購(gòu)方和制造方都應(yīng)該在產(chǎn)品訂貨制造前做好相應(yīng)溝通，明確相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求，才能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有更加準(zhǔn)確的把握，不會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量信息的不對(duì)稱(chēng)。

3） 制造企業(yè)、監(jiān)督部門(mén)應(yīng)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中存在疑問(wèn)的產(chǎn)品技術(shù)要求，驗(yàn)證、收集相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)有效分析和證明，得出合理的油管、套管產(chǎn)品控制方法。

4） 相關(guān)工廠、標(biāo)準(zhǔn)研究者應(yīng)研究或通過(guò)驗(yàn)證的大量數(shù)據(jù)，向API標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)提出標(biāo)準(zhǔn)修訂要求。通過(guò)專(zhuān)業(yè)化協(xié)會(huì)組織廣泛征集意見(jiàn)，將標(biāo)準(zhǔn)中含糊或未明確的技術(shù)條款得到有效確認(rèn)，讓產(chǎn)品制造質(zhì)量控制有據(jù)可依，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

［1］ API SPEC 5CT，Specification for Casing and Tubing［S］.9th ed.2011.

［2］ GB／T230.3—2012，金屬洛氏硬度試驗(yàn).第3部分：標(biāo)準(zhǔn)硬度塊（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺）的標(biāo)定［S］.

［3］ 李昱坤，易曉明，李京川，等.國(guó)內(nèi)非API油套管質(zhì)量現(xiàn)狀淺談［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2012，28（6）：13-15.

［4］ SY／T6857.1—2012，含H2S油氣田環(huán)境下碳鋼和低合金鋼油管和套管選用推薦做法［S］.2012：12-13.

［5］ API TR 5C3，石油和天然氣工業(yè)套管、油管、鉆桿和作為套管或油管使用的管線管的性能公式及計(jì)算［S］.2008：22-27.

［6］ API SPEC 5B，Specification for Threading，Gauging and Thread Inspection of Casing，Tubing，and Line Pipe Threads［S］.15th ed.2008.

［7］ 呂拴錄，姬丙寅，楊成新，等.?244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長(zhǎng)度公差分析及控制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：63-66.

Discussion of the Tubing and Casing Standard Part of the Technical Terms

LI Yu-kun，YAN Kai，WEI Dong，TIAN Xin-xin，HAN Hua-gang，HAN Xin-li
（CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China）

There are seven terms which are indefinite and still in doubt in tubing and casing standard.The terms which include the definition of the lot，hardness test，sulfide stress cracking test（SSC），collapsing test，couplings alternative grade，width of coupling bearing face and black crest of buttress threads are analyzed.Some appropriate proposals are developed for purchaser to place order and manufacturer to control quality of tubing and casing.

API SPEC 5CT；tubing；casing；test method

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.002

1001-3482（2014）12-0005-04

2014-05-09

李昱坤（1979-），男，陜西漢中人，工程師，主要從事石油專(zhuān)用管材質(zhì)量監(jiān)督和技術(shù)服務(wù)工作，E-mail：liykcn＠163.com。