國產(chǎn)55鋼級SEW膨脹管實(shí)物試驗(yàn)研究*

韋 奉，李遠(yuǎn)征，何石磊，張 峰

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

國產(chǎn)55鋼級SEW膨脹管實(shí)物試驗(yàn)研究*

韋 奉1,2，李遠(yuǎn)征1,2，何石磊1,2，張 峰1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

為了評估國產(chǎn)55鋼級SEW膨脹管的綜合力學(xué)性能，采用液壓式膨脹方法對國產(chǎn)55鋼級SEW膨脹管（牌號為BX55）進(jìn)行了實(shí)物膨脹試驗(yàn)，并對膨脹后鋼管的尺寸、力學(xué)性能、抗內(nèi)壓至失效、抗外壓擠毀性能進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，BX55液壓膨脹11.5%的啟動壓力為24 MPa，行進(jìn)壓力為22～25 MPa，膨脹過程的壓力平穩(wěn)；膨脹后管材的屈服強(qiáng)度為499 MPa，抗拉強(qiáng)度為562 MPa，伸長率29%，母材橫向和焊縫中心半尺寸試樣0℃夏比沖擊功分別為66 J和48 J，抗內(nèi)壓至失效壓力超出API SPEC 5CT要求值87%，抗外壓擠毀強(qiáng)度高于API RP 5C3標(biāo)準(zhǔn)要求值9%。試驗(yàn)結(jié)果表明，國產(chǎn)55鋼級SEW膨脹管的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

膨脹管；熱張力減徑電阻焊；膨脹性能；力學(xué)性能

實(shí)體膨脹管主要用于套損井修復(fù)、油田堵水及層系封堵、老油田二次開發(fā)的加深/側(cè)鉆、鉆遇垮塌和漏失等復(fù)雜情況時的應(yīng)急套管及尾管懸掛等。隨著復(fù)雜地層井、大斜度井、成熟井、貧化井及深井、高溫高壓井的日益普遍，其應(yīng)用方式已從先前的應(yīng)急手段轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)的、有計劃性選擇的解決方案[1-3]。實(shí)體膨脹管可以采用無縫鋼管或HFW鋼管，為了確保膨脹過程全管體均勻塑性變形，一般優(yōu)先考慮HFW鋼管，尤其是經(jīng)過無縫化處理的HFW鋼管[4-6]。

本研究針對寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡稱寶雞鋼管）研制開發(fā)的55鋼級無縫化HFW鋼管，即SEW（熱張力減徑電阻焊）膨脹管（牌號為BX55），開展了實(shí)物膨脹試驗(yàn)，并對其膨脹性能及膨脹后的尺寸、力學(xué)性能、抗內(nèi)壓至失效、抗外壓擠毀性能等進(jìn)行了檢測分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料是寶雞鋼管自主研制的規(guī)格為Φ139.7 mm×8.15 mm的BX55鋼級膨脹管，該管材采用高純凈低碳低合金鋼熱軋卷板為原料，通過精密成型焊接制成Φ193.7 mm×7.80 mm母管，再將母管經(jīng)中頻感應(yīng)爐快速加熱到管材的奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度Ac3以上30～60℃，然后經(jīng)過熱張力減徑到所需規(guī)格的管坯，隨即對仍在高溫的熱張減管坯進(jìn)行全管體在線控制冷卻處理，得到所需的組織和性能。BX55膨脹管的化學(xué)成分見表1。

表1 BX55膨脹管的化學(xué)成分 %

實(shí)物膨脹試驗(yàn)的脹錐直徑為136.4 mm，錐角為15°，模擬補(bǔ)貼套管規(guī)格為Φ177.8 mm×12.65 mm，膨脹率（內(nèi)徑擴(kuò)大率）預(yù)計為10.5%。首先，對Φ139.7 mm×8.15 mm的BX55膨脹管內(nèi)壁進(jìn)行噴砂、除銹及均勻噴涂潤滑脂處理，然后進(jìn)行端部預(yù)膨脹、膨脹錐總成安裝及端部封堵，隨后用高壓柱塞泵進(jìn)行液壓（介質(zhì)為清水）膨脹，膨脹速率約為0.8 m/min，膨脹試驗(yàn)后實(shí)物如圖1所示。

圖1 BX55實(shí)物膨脹試驗(yàn)現(xiàn)場照片

沿試驗(yàn)管的母材縱向取拉伸試樣，尺寸（減窄區(qū)寬度×標(biāo)距）為25.4 mm×50.8 mm，在ZIWCK 1200E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB/T 228[7]進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)采用半尺寸試樣，即55.0 mm×10.0 mm×5.0 mm， 在 PSW750 ZWICK/ROELL沖擊試驗(yàn)機(jī)上測試吸收能。依據(jù)API RP 5C5[8]規(guī)定的試驗(yàn)方法，對試驗(yàn)管進(jìn)行了抗內(nèi)壓至失效及抗外壓擠毀試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 尺寸變化

BX55試驗(yàn)管膨脹前后尺寸的測量結(jié)果（均值）見表2。

表2 BX55膨脹管膨脹前后的尺寸變化（均值）

從表2可見，BX55膨脹管采用Φ136.4 mm膨脹錐進(jìn)行液壓膨脹后的壁厚減薄率和長度收縮率分別為6.7%和2.1%，其實(shí)際膨脹率11.7%，高于預(yù)期膨脹率，這與先前筆者開展的80鋼級SEW膨脹管同類試驗(yàn)的膨脹率變化趨勢一致，可能是由于整個液壓膨脹過程中管內(nèi)一直存在壓力，導(dǎo)致其塑性變形程度較高引起的[9]。

2.2 膨脹壓力

衡量套管可均勻膨脹變形難易程度時，較為直觀的指標(biāo)是膨脹壓力的大小及其波動程度。試驗(yàn)管膨脹過程的壓力測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，BX55液壓膨脹11.5%的啟動壓力約為24 MPa，行進(jìn)壓力為22～25 MPa，整個膨脹過程的壓力平穩(wěn)，表明國產(chǎn)BX55膨脹管具有良好的可均勻膨脹變形性能。

圖2 BX55膨脹管液壓膨脹過程的壓力曲線

2.3 力學(xué)性能

為了滿足膨脹施工工藝及后續(xù)工程應(yīng)用要求，膨脹管除了要具備良好的可均勻塑性變形能力外，還必須確保膨脹后的力學(xué)性能達(dá)到相應(yīng)鋼級套管的API SPEC 5CT[10]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)管膨脹前后的力學(xué)性能測試結(jié)果見表3，0℃半尺寸夏比沖擊吸收功測試結(jié)果見表4。

表3 BX55膨脹管膨脹前后的力學(xué)性能

表4 BX55膨脹管膨脹前后的橫向夏比沖擊功

由表3和表4可見，BX55膨脹管發(fā)生塑性變形膨脹11.5%后，由于材料冷作硬化作用的影響，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提升了22%和4.5%，處于API SPEC 5CT中J55鋼級要求的中上限水平；伸長率由39%下降為29%，高于API SPEC 5CT規(guī)定值18%，表明管材仍具有良好的塑性，可確保服役過程中仍能承受較大的塑性變形而不發(fā)生脆裂。此外，試驗(yàn)管母材橫向和焊縫中心半尺寸試樣的0℃夏比沖擊功雖然分別下降了28%和27%，但均≥48 J。綜上所述，國產(chǎn)BX55膨脹管膨脹后的力學(xué)性能滿足API SPEC 5CT的要求，仍具有優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性及韌性匹配。

2.4 抗內(nèi)壓至失效

依據(jù)API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)，利用水壓爆破試驗(yàn)系統(tǒng)在室溫條件下對膨脹前后的BX55試驗(yàn)管進(jìn)行靜水壓及內(nèi)壓爆破試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

從表5可見，膨脹后管材的內(nèi)壓爆破壓力超出API SPEC 5CT要求值（33.0 MPa）的87%。相比膨脹前的管材，其內(nèi)壓爆破壓力下降了13%，這是由于受到了膨脹后管材外徑增大、壁厚減薄、屈服強(qiáng)度增加等多種因素綜合影響的結(jié)果。

表5 BX55膨脹管膨脹前后的靜水壓及內(nèi)壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

2.5 抗外擠強(qiáng)度

根據(jù)API RP 5C5標(biāo)準(zhǔn)，對膨脹前后的BX55試驗(yàn)管進(jìn)行全尺寸外壓擠毀試驗(yàn)，結(jié)果見表6，外壓擠毀形貌如圖3所示。

從表6中可見，膨脹后Φ153.0 mm×7.60 mm試驗(yàn)管的抗外壓擠毀強(qiáng)度高出API TR 5C3[10]要求值（25.6 MPa）9%，比膨脹前的管材下降了31%，這同樣是由于受到了管材外徑增大、壁厚減薄等多種因素共同影響的結(jié)果。

表6 BX55膨脹管膨脹前后的外壓失效試驗(yàn)結(jié)果

圖3 Φ153.0 mm×7.60 mm膨脹管外壓失效形貌

3 結(jié) 論

（1）采用Φ136.4 mm膨脹錐，BX55液壓式膨脹管膨脹11.5%的啟動壓力為24 MPa，行進(jìn)壓力為22～25 MPa，整個膨脹過程的壓力平穩(wěn)；膨脹后的管材平均壁厚減薄率和長度收縮率分別為6.7%和2.1%。

（2）BX55膨脹管膨脹11.5%后，管材屈服強(qiáng)度為499 MPa，抗拉強(qiáng)度為562 MPa，伸長率為29%，母材橫向和焊縫中心半尺寸試樣的0℃夏比沖擊功分別為66 J和48 J，抗內(nèi)壓至失效壓力超出API SPEC 5CT要求值87%，抗外壓擠毀強(qiáng)度高于API RP 5C3[11]要求值9%，表明國產(chǎn)BX55膨脹管膨脹后仍具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

[1]曹川，任榮權(quán)，王宏偉，等.國外膨脹管技術(shù)應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油機(jī)械，2013，41（5）：29-32.

[2]COHEN M.New offerings fill in the gaps of expandables technology[J].World Oil，2009，230（7）：23-29.

[3]TERRELL H.Expandable technology gains ground as a planned in option[J].World Oil，2011，232（7）:78-82.

[4]張建兵，毛連海，施太和，等.膨脹管膨脹過程中不均勻變形的試驗(yàn)研究[J].石油鉆采工藝，2004，26（2）：9-12.

[5]肖國章，高霞，張建兵.ERW套管用作膨脹管簡析[J].焊管，2009，32（6）：40-45.

[6]袁靜，李春福.HFW管在可膨脹管領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J].焊管，2012，35（10）：56-59.

[7]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 228.1—2010，金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[8]American Petroleum Institute.API RP 5C5，Recommended practice on procedures for testing casing and tubing connections[S].Washington:API Publications，2003.

[9]韋奉，畢宗岳，李遠(yuǎn)征，等.國產(chǎn)80鋼級SEW膨脹管實(shí)物試驗(yàn)研究[J].鋼管，2014，43（3）：34-38.

[10]API標(biāo)準(zhǔn)翻譯出版委員會.API SPEC 5CT Ninth Edition.套管和油管規(guī)范[S].北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2012.

[11]American Petroleum Institute.API TR 5C3，Technical report on equations and calculations for casing，tubing，and line pipe used as casing or tubing;and performance properties tables for casing and tubing[S].Washington:API Publications，2008.

Experiment Research of Domestic 55 Steel Grade SEW Expansion Pipe

WEI Feng1，2,LI Yuanzheng1，2,HE Shilei1，2,Zhang Feng1，2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to assess the comprehensive mechanical properties of domestic 55 steel grade SEW expansion pipe,the expansion test for domestic 55 grade SEW expansion pipe(No.BX55)was conducted by adopting hydraulic expansion method.Meanwhile,the steel pipe size,mechanical properties,internal pressure up to failure and external collapse-resistant strength after expansion pipe were investigated.The results indicated that the starting pressure of BX55(expansion ration up to 11.5%)is 24 MPa,the marching pressure is 22～25 MPa,and the pressure in expansion process is stable.After expansion,the yield strength is 499 MPa,the tensile strength is 562 MPa,the elongation is 29%,and the impact values（1/2-size,0℃）of base mental and weld are 66 J and 48 J,respectively.The internal pressure exceeds 87%of API SPEC 5 CT requirement value,and the collapse pressure is 9%above the requirement of API RP 5C3.The test results showed that the comprehensive mechanical properties of domestic 55 steel grade SEW expansion pipe is good.

expansion pipe;hot stretch-reducing electric welding;expansion performance;mechanical properties

TG115.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.005

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目“高性能SEW膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目號：2015KTCL01-15）。

韋 奉（1977—），男，碩士，工程師，主要從事油氣管材及制造工藝技術(shù)研究。

2015-06-10

黃蔚莉