13Cr油管殘余應力研究

王 軍，李 超

（1.關天工程研究院，陜西 寶雞 721000；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著油氣勘探開發(fā)技術的迅速發(fā)展，深井、高溫井、 高壓井、 非常規(guī)井、 富含 CO2、 H2S 及Cl-等腐蝕介質的油氣井愈來愈多，常規(guī)的油套管材料已經(jīng)無法滿足大多數(shù)油田的使用要求[1-2]。近年來，13Cr 油管以其高強度、 低溫韌性及耐蝕性能良好的特點在油氣田開采過程中得到了廣泛的應用[3-4]。 殘余應力是影響油管性能的重要指標之一[5-7]。 當管體內的殘余應力超過材料屈服強度時會引起油管變形，超過抗拉強度時會導致油管開裂，而且殘余應力與油管所受外力疊加，不僅降低了油管的承載能力和疲勞性能，還加速了油管在H2S 等腐蝕介質中的失效速率[8-10]。

目前，13Cr 油管設計中很少考慮殘余應力的影響，還未有13Cr 油管殘余應力方面的研究報道。 殘余應力測量方法也主要采用環(huán)切法，其他方法研究較少[11-16]。 如李霄[17]對焊管殘余應力的研究方法、 研究成果進行了綜述，得出由成型及焊接過程造成的殘余應力降低了焊管的承壓能力，易造成焊管的耐腐蝕能力降低，使焊管產(chǎn)生疲勞破壞； 童星[18]從304 不銹鋼鋼管表面殘余應力測定、 消除殘余應力熱處理、 應力腐蝕試驗、 金相分析和力學性能測試幾個方面入手，確定了消除鋼管表面殘余拉應力的熱處理工藝，從而提高不銹鋼薄壁管抗應力腐蝕能力。 本研究采用環(huán)切法和盲孔法對13Cr 油管的殘余應力進行研究，旨在為油氣田生產(chǎn)中13Cr 油管的使用提供借鑒。

1 試驗材料及方法

試驗材料為13Cr 油管，其規(guī)格為Φ88.9 mm×6.45 mm 和 Φ114.3 mm×12.7 mm，測試位置及管段編號見表1。

表1 試驗用13Cr 油管測試位置及管段編號

先對試驗材料的拉伸性能進行測試，然后采用環(huán)切法和盲孔法測量殘余應力，具體方法如下：

（1） 拉伸性能測試

參照API SPEC 5CT—2018[19]的要求加工拉伸試樣，試樣標矩為50.8 mm。 采用拉力試驗機測試試樣的屈服強度Rp0.2、 抗拉強度Rm、 伸長率A和彈性模量 E，拉伸試驗方法參照 ASTM A370—19e1 進行[20]。

（2） 環(huán)切法測試

參照GB/T 20657—2011[21]進行殘余應力測試。環(huán)切法原理及試驗方法為： 管段有周向殘余應力存在時，沿軸向采用線切割切縫后管段會張開（負的殘余應力） 或閉合 （正的殘余應力），用周長尺測量管段切縫前后的周長，計算出平均外徑，并代入公式 （1） 計算殘余應力。

式中： E——彈性模量，N/m2；

tc——平均壁厚，mm；

Dbc、 Dac——切割前后試樣平均外徑，mm；

υ——泊松比。

（3） 盲孔法測試

盲孔法原理及試驗方法為： 假設油管某一區(qū)域存在殘余應力，在該區(qū)域表面粘貼應變花，并用盲孔法測試儀裝置在應變花中心鉆孔，引起鉆孔區(qū)域應力釋放，根據(jù)應變花測量的釋放應變計算殘余應力。 盲孔法測試方法參照GB/T 31310—2014[22]，采用方法 B 和 B 型應變花，并進行常數(shù)A、 B 標定，計算見公式 （2） ～公式 （7）。 經(jīng)標定后的常數(shù) A、 B 分別為-0.069 52 和-0.157 12。

管段有周向殘余應力存在時，沿軸向切縫后管段會張開或閉合，通過測量、 計算管段切縫前后平均外徑，并代入計算公式即可算出該殘余應力。 將13Cr 油管測量位置分為 4 部分，如圖1所示。 13Cr 油管按8 等分進行外徑和壁厚測量，外徑和壁厚測量過程如圖2 所示。 考慮到油管周向性能的差異，環(huán)切和鉆孔測試均位于A 線，鉆孔測試點為圖2 中的實心點。 環(huán)切采用軸向線切縫方式，鉆孔采用盲孔法，使用殘余應力測試儀檢測，鉆頭直徑為1.5 mm，鉆孔深度為2 mm。

圖1 油管測量位置示意圖

圖2 油管幾何尺寸測量過程示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

2.1.1 拉伸試驗

13Cr 油管拉伸試驗結果見表2。 由表2 可見，2#油管與1#油管相比，屈服強度高2.7%，伸長率高23.8%，彈性模量低3.5%； 1#油管與3#油管相比，屈服強度高 49 MPa，抗拉強度高25 MPa，伸長率低28%。

表2 13Cr 油管拉伸試驗結果

2.1.2 環(huán)切法測試

環(huán)切法殘余應力測量結果見表3 和圖3。 由表3 可見，1#油管1/4 和1/2 處的殘余應力約占材料屈服強度的23%，工廠端殘余應力較1/4 和1/2 處低 80 MPa 左右； 2#油管各處殘余應力基本一致，約占材料屈服強度的24%； 3#油管各處殘余應力基本一致，約占材料屈服強度的10%。 由圖3 可見，1#油管不同測試位置殘余應力差異很大，1/4 處較工廠端高71%，2#和3#油管各位置殘余應力相近。

表3 環(huán)切法殘余應力測試結果

圖3 不同位置環(huán)切法殘余應力測試結果

2.1.3 盲孔法測試

盲孔法殘余應力測試結果見表4 和圖4。 由表4 可以看出，13Cr 油管不同部位軸向殘余應力以拉應力為主，周向殘余應力均為拉應力。1#油管工廠端軸向拉應力較1/4 處高19 MPa，較1/2 處高53 MPa； 2#油管1/4 處軸向拉應力約占材料屈服強度25%，較工廠端高102 MPa，較1/2 處高 120 MPa； 3#油管 1/2 處軸向殘余應力為壓應力，工廠端和1/4 處為拉應力，且應力值大小低于 70 MPa。 圖4 （a） 中 3 根 13Cr 油管不同位置軸向殘余應力差異均較大，2#油管最大、3#油管最??； 圖4 （b） 中 1#油管不同位置周向殘余應力差異較大，2#和3#油管不同位置殘余應力差異較小，試驗結果與環(huán)切法一致。

表4 盲孔法殘余應力測量結果

圖4 不同位置盲孔法殘余應力測試結果

2.1.4 環(huán)切法與盲孔法測試結果對比

環(huán)切法與盲孔法周向平均殘余應力對比結果如圖5 所示。 由圖5 可以看出，環(huán)切法和盲孔法檢測的周向殘余應力變化規(guī)律基本一致。

圖5 環(huán)切法與盲孔法周向殘余應力對比

2.2 分析討論

2.2.1 環(huán)切法殘余應力測試結果分析

（1） 不同規(guī)格 13Cr 油管

1#油管殘余應力平均值較3#油管高90 MPa（107%），最大值高出 116 MPa （132%）。 環(huán)切法測得1#和3#油管周向平均拉應力分別占材料屈服強度的20%和10%，因此Φ88.9 mm×6.45 mm油管殘余應力比 Φ114.3 mm×12.7 mm 的高，對13Cr 油管性能影響更大。 3#油管殘余應力較低的原因是厚壁管采用的熱處理工藝、 矯直工藝等與薄壁管不同，一般厚壁管所需回火溫度和矯直溫度更高、 回火保溫時間更長。 3#油管強度較低，也是其殘余應力較低的原因之一。

（2） 新舊 13Cr 油管

由以上分析可知，13Cr 油管儲存過程中殘余應力逐步釋放，3 年后平均殘余應力降低約19%，且端部殘余應力釋放更快，降低約45%。在回火熱處理之前，由于軋制、 定減徑和淬火過程產(chǎn)生的殘余應力可通過回火加以減輕或消除，而矯直工序是鋼管產(chǎn)生殘余應力的主要來源。 油管在矯直過程中受到環(huán)向壓縮作用，因此殘留的應力為拉應力，這也是環(huán)切后殘余應力為拉應力的主要原因。 油管在內壓作用下，與周向殘余應力疊加，不僅降低了油管承載能力，而且當有H2S 等腐蝕介質時，發(fā)生應力腐蝕開裂的傾向顯著增大。

2.2.2 盲孔法殘余應力測試結果分析

（1） 不同規(guī)格 13Cr 油管

1#油管軸向最大拉應力、 周向最大拉應力和平均殘余應力分別較3#油管高出 38 MPa、68 MPa、 41MPa，說明 Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr油管殘余應力較Φ114.3 mm×12.7 mm 油管高，對性能影響更大。

（2） 新舊 13Cr 油管

2#油管軸向最大拉應力、 平均殘余應力和周向最大拉應力分別較 1#油管高出 111 MPa、61MPa 和 73MPa，說明儲存過后 13Cr 油管的殘余應力降低，與環(huán)切法測試結果相同。

本次盲孔法測得的周向殘余應力與環(huán)切法差值在23%以內，表明盲孔法測得的殘余應力具有較高的可靠性，因此推斷盲孔法測得的軸向殘余應力較為準確。 盲孔法測得1#油管最大軸向拉伸應力為105 MPa，是材料屈服強度的12%，即13Cr 油管實際承載能力降低了約12%； 2#油管最大軸向拉伸應力為216 MPa，是材料屈服強度24%，即 13Cr 油管實際承載能力降低了約24%； 3#油管最大軸向拉伸應力為 67 MPa，占材料屈服強度8%，油管實際承載能力降低了約8%。 13Cr 油管柱承受的拉應力與軸向殘余拉應力疊加，與前述類似，不僅使13Cr 油管軸向承載力下降，而且還增大了13Cr 油管的應力腐蝕開裂傾向。

綜上所述，環(huán)切法可以宏觀反映油管環(huán)向殘余應力，影響因素少，數(shù)據(jù)準確，但卻無法反映軸向殘余應力大小，盲孔法彌補了環(huán)切法這一缺點，但因盲孔法影響因素多，實際操作復雜，結果再現(xiàn)性較差，因此建議作為殘余應力輔助測試手段。

3 結 論

（1） 新生產(chǎn)的 Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr 油管周向平均殘余應力超過200 MPa，軸向平均殘余應力超過140 MPa，一方面降低了油管的承載能力，另一方面增大了應力腐蝕開裂傾向。

（2） Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr 油管殘余應力較 Φ114.3 mm×12.7 mm 高出 105%以上，隨著儲存時間的推移，平均殘余應力降低，端部殘余應力釋放更快。

（3） 盲孔法與環(huán)切法殘余應力測試結果具有較好的相關性，可用于油管軸向殘余應力的測試。