高鋼級HFW石油套管的研制

楊在安，邵 毅，郝明剛

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

高鋼級HFW石油套管的研制

楊在安，邵 毅，郝明剛

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

介紹了HFW焊管機(jī)組的生產(chǎn)能力以及高鋼級HFW石油套管的開發(fā)研制情況。經(jīng)過一系列檢測分析發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)質(zhì)熱處理工藝研制出的N80Q、L80-1、P110鋼級高強(qiáng)度HFW石油套管，其材料組織、強(qiáng)度、韌性等都發(fā)生了變化，力學(xué)性能達(dá)到了API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)（第9版）要求，可滿足用戶的技術(shù)要求。分析認(rèn)為：原料成分和調(diào)質(zhì)熱處理是實(shí)現(xiàn)高鋼級HFW石油套管生產(chǎn)的關(guān)鍵。

HFW；石油套管；高鋼級；N8OQ；L80-1；P110；原料成分；調(diào)質(zhì)處理

HFW（高頻電阻焊）鋼管與無縫鋼管相比，具有壁厚均勻、橢圓度小、抗擠毀性能好及成本低等優(yōu)勢。用于石油套管的焊管將在油田開采過程中占有越來越重要的地位。我國在低鋼級HFW套管制造方面已取得了巨大進(jìn)步，但最為廣泛應(yīng)用的N80及以上更高鋼級HFW套管的生產(chǎn)制造在國內(nèi)仍有待深入開發(fā)［1-10］。

為了進(jìn)一步開拓HFW石油套管市場，天津天管太鋼焊管有限公司（簡稱天管太鋼公司）在原材料和熱處理工藝上進(jìn)行了研究，通過試生產(chǎn)成功開發(fā)出N80Q、L80-1、P110鋼級的HFW高強(qiáng)度石油套管，其最終產(chǎn)品的力學(xué)性能、幾何尺寸等指標(biāo)均符合 API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)（第 9版）［11］的要求?，F(xiàn)將高鋼級HFW石油套管的研制情況作一介紹。

1 對原料的要求

為研制N80Q、L80-1、P110鋼級的HFW高強(qiáng)度石油套管，天管太鋼公司按照表1所示的成分方案采購原料，制成規(guī)格為Φ244.48 mm×11.05 mm的HFW鋼管。原料的力學(xué)性能見表2。

從表1～2可以看出：此鋼種為低合金高強(qiáng)度鋼，力學(xué)性能和工藝性能良好，鋼的碳含量低于0.30%，其可焊性和冷彎性能較好。此外，方案1和方案2中鋼的化學(xué)成分主要區(qū)別在于B元素的加入量，鋼中加入微量的B元素改善了鋼的淬透性能，減小了材料在淬火熱處理過程中出現(xiàn)裂紋等缺陷的幾率［12］。

表1 原料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 原料的力學(xué)性能

2 HFW鋼管生產(chǎn)工藝流程及裝備特點(diǎn)

天管太鋼公司擁有Φ660 mm和Φ355 mm兩條具有國際先進(jìn)水平的HFW鋼管生產(chǎn)線，具備完善的從原材料入廠到售后服務(wù)等生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制保證體系。天管太鋼公司HFW鋼管生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 天管太鋼公司HFW鋼管生產(chǎn)工藝流程

天管太鋼公司采用螺旋活套進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，消除了由卷對卷間歇式生產(chǎn)引起的焊接停頓，避免了重新起焊時因焊接電流、電壓不穩(wěn)定造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。

帶鋼的移動切斷功能滿足了換規(guī)格不殘留剩余帶鋼的要求。銑邊機(jī)負(fù)載能力大，銑邊邊部質(zhì)量好。板探設(shè)備滿足海底管線管的探傷要求。

成型機(jī)組是從德國SMS Meer公司引進(jìn)的連續(xù)成型生產(chǎn)機(jī)組，可確保帶鋼在成型過程中不產(chǎn)生邊緣拉伸、邊部劃傷和異常增厚現(xiàn)象，成型穩(wěn)定；另外，最新的排輥成型技術(shù)，如等剛性機(jī)架、自動設(shè)定、快速換輥、擠壓機(jī)架側(cè)輥壓力自動檢測、防止回彈機(jī)架等，更適合于加工高鋼級和徑厚比較大的產(chǎn)品。

EFD高頻焊機(jī)可以采用接觸焊、感應(yīng)焊雙功能焊接方式，保證了焊接的可靠性。EFD中頻熱處理是目前世界上最先進(jìn)的在線焊縫熱處理工藝之一，可以完成大壁厚鋼管焊縫的調(diào)質(zhì)熱處理；在線焊縫無損探傷，離線焊縫、管體、管端無損探傷等設(shè)備，確保了對鋼管質(zhì)量的監(jiān)控。

數(shù)控飛鋸技術(shù)，保證了鋼管定尺切割效率和尺寸精度。

精整加工線除了配有水壓試驗(yàn)、探傷、倒棱、測量工序外，還配備了UV漆（紫外光固化油漆）涂油機(jī)，防止鋼管在儲運(yùn)過程中銹蝕。精整加工線可以選擇不同工藝要求的多通道出料，而且是2條主生產(chǎn)線配備4條精整線同時在線處理鋼管，解決了連續(xù)高速生產(chǎn)的“瓶頸”問題，充分發(fā)揮了高水平焊管生產(chǎn)線的產(chǎn)能優(yōu)勢。

3 HFW鋼管整體熱處理

調(diào)質(zhì)熱處理是實(shí)現(xiàn)高鋼級石油套管焊接生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是淬火后高溫回火的熱處理方法，回火是在500～650℃下進(jìn)行。調(diào)質(zhì)熱處理可以使鋼的性能、材質(zhì)得到很大程度的優(yōu)化，其強(qiáng)度提高、韌塑性沒有大幅度降低，具有良好的綜合力學(xué)性能［13-14］。

為研制高鋼級HFW石油套管，采用全管體調(diào)質(zhì)熱處理工藝，通過對鋼管內(nèi)外表面進(jìn)行均勻高速噴水，保證鋼管內(nèi)外表面過冷而形成均勻的淬透層，同時高速噴淋水將鋼管表面的氧化皮沖凈，使鋼管表面光潔度較高。淬火后的鋼管進(jìn)入回火爐內(nèi)，通過高溫回火，鋼中的殘余奧氏體可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為力學(xué)性能較好的回火索氏體，使鋼管的綜合力學(xué)性能提高［12］。

天管太鋼公司HFW石油套管全管體調(diào)質(zhì)工藝流程如圖2所示，熱處理工藝方案見表3，熱處理爐溫轉(zhuǎn)變曲線如圖3所示。

圖2 天管太鋼公司HFW石油套管全管體調(diào)質(zhì)工藝流程

表3 天管太鋼公司HFW石油套管熱處理工藝方案

圖3 天管太鋼公司HFW石油套管熱處理爐溫轉(zhuǎn)變曲線

4 產(chǎn)品性能檢驗(yàn)評定結(jié)果

按照表3的調(diào)質(zhì)熱處理方案，對生產(chǎn)出的Φ244.48 mm×11.05 mm鋼管進(jìn)行取樣，將樣品送至國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明：該鋼管的幾何尺寸、化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)（第9版）要求。

4.1 調(diào)質(zhì)后的組織微觀分析

一般認(rèn)為，回火索氏體具有良好的強(qiáng)韌匹配性能，既能保證強(qiáng)度，又能滿足一定的韌性要求［12］。按表3的方案進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后，對Φ244.48 mm×11.05 mm鋼管進(jìn)行微觀分析，結(jié)果表明：鋼管焊縫組織均勻，晶粒度等級主要為8.5～11.0級且都大于8.0級，金相組織夾雜物等級主要為0級，總和最大不超過2.0級。Φ244.48 mm×11.05 mm鋼管調(diào)質(zhì)熱處理前后的組織［15］對比如圖4所示。

圖4 Φ244.48 mm×11.05 mm鋼管調(diào)質(zhì)熱處理前后的組織

4.2 力學(xué)性能

API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)（第9版）對N80Q、P110、L80-1鋼級HFW套管的力學(xué)性能要求見表4［11］。對Φ244.48 mm×11.05 mm鋼管的拉伸、沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表5～6，表中的系列1～6分別代表6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表5～6可以看出：含B元素的鋼管力學(xué)性能好于不含B元素的鋼管。但是從超聲波探傷合格率上可以看出含B元素的鋼管的合格率較高，見表7。因此，在鋼中加入微量的B元素改善了鋼的淬透性能，減小了材料在淬火熱處理過程中出現(xiàn)裂紋等缺陷的幾率，提高了鋼管合格率。另外，通過表2的原料力學(xué)性能與表5～6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，鋼管調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能顯著提高，完全符合API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)（第9版）要求。

表4 API標(biāo)準(zhǔn)（第9版）對N80Q、P110、L80-1鋼級HFW石油套管的力學(xué)性能要求

表5 N80Q、P110、L80-1鋼級含B與不含B元素鋼管焊縫的沖擊功試驗(yàn)值J

表6 N80Q、P110、L80-1鋼級含B與不含B元素鋼管焊縫的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值MPa

表7 N80Q、P110、L80-1鋼級含B與不含B元素鋼管焊縫的超聲波檢驗(yàn)結(jié)果

4.3 幾何尺寸

N80Q、P110、L80-1鋼級Φ244.48 mm×11.05 mm規(guī)格HFW石油套管在成型后采用了定徑工藝，使其外徑、橢圓度等尺寸精度得到很大提高，其外徑偏差一般不超過±0.5%D，壁厚偏差 ∧0.20 mm。Φ244.48 mm×11.05 mm規(guī)格HFW石油套管外徑和壁厚分布如圖5所示。

5 結(jié) 論

（1）原料成分和調(diào)質(zhì)熱處理是生產(chǎn)高鋼級HFW石油套管生產(chǎn)的關(guān)鍵，天管太鋼公司已經(jīng)具備批量生產(chǎn)高鋼級HFW石油套管的能力。

（2）隨著純凈鋼、連鑄板坯及低碳微合金化鋼板控軋技術(shù)的發(fā)展，超純凈鋼的出現(xiàn)為HFW石油套管的發(fā)展提供了原材料方面的有力支持；加上整體熱處理技術(shù)引入HFW石油套管生產(chǎn)，以及自動化控制技術(shù)和多探頭無損探傷檢測技術(shù)的引入，HFW石油套管的質(zhì)量水平不斷提高，產(chǎn)品向高鋼級、多元化方向發(fā)展，其性能已等同甚至超過無縫鋼管。

圖5 Φ244.48 mm×11.05 mm規(guī)格HFW石油套管外徑和壁厚分布

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R&D of High Grade HFW Oil Casing

YANG Zaian，SHAO Yi，HAO Minggang
（Tianjin TPCO&TISCO Welding Pipe Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Introduced here are the production capacity of the HFW pipe welding mill and the R&D situation of high grade HFW oil casing.For N8OQ，L80-1 and P110 high strength HFW oil casings developed by quenching and tempering process，a series of tests and analysis found out that their material structure，strength and toughness ect.have all changed after quenching and tempering，and their mechanical properties meet the requirements of API Spec 5CT （9th edition） and satisfy the technical requirements of customers.The analysis indicates that material composition and quenching and tempering are the key factors for realizing the production of the high grade HFW oil casing.

HFW；oil casing；high grade；N8OQ；L80-1；P110；material composition；quenching and tempering

TG335.75；TE931+.2

B

1001-2311（2014）03-0044-05

楊在安（1958-），男，高級工程師，總經(jīng)理，主要從事鋼管企業(yè)的管理工作。

2013-07-11；修定日期：2014-02-27）