淺析N80鋼級HFW套管的研制開發(fā)

薛自建，蘇金洋，王雪玲，楊富榮，王海東，花志斌

（1.華油一機(河北)油井管有限公司；2.河北華油一機抽油機有限公司，河北 青縣 062658）

1 前言

HFW（High-Frequency Electric Resistance Welding）套管，是指通過高頻電阻焊接工藝制造而成的直縫焊接套管。與無縫套管相比，HFW 套管的優(yōu)勢在于：（1）HFW管是用經(jīng)過TMCP方式軋制的鋼板焊接而成，鋼板的組織均勻。（2）抗擠壓及抗爆性能好，與同類API無縫套管相比，HFW套管抗擠壓強度高30%～40%，抗爆性能(內壓強)高50%左右。（3）直徑精確度高，HFW鋼管采用冷彎成型，通過0.6%減徑完成定徑，其工藝過程溫度基本恒定在室溫，因而外徑控制準確、波動范圍小，在加工過程中有利于杜絕黑皮扣；而無縫鋼管采用熱軋成型工藝，鋼管原材料成分、冷卻條件以及軋輥的冷卻狀態(tài)等對其外徑都有較大影響，因而外徑控制難以準確，且波動范圍較大。（4）直線度好，HFW鋼管屬于冷加工，且在減徑的狀態(tài)下帶有在線矯直，加上是無限倍尺，故直線度較好；無縫鋼管在塑性狀態(tài)下成型，加上單倍尺（連軋為3～4倍尺）管端直線度相對難以控制。（5）壁厚均勻度高，HFW鋼管采用熱軋帶卷為原材料，現(xiàn)代熱連軋厚度公差可以控制在0.05mm內，而無縫鋼管采用圓鋼穿孔方式生產(chǎn)，壁厚偏差較大，隨后的熱軋可以部分消除壁厚不均勻性，但目前最先進的機組只能控制在±5～10%t，例如，對應于8.94mm厚度的鋼管，無縫鋼管壁厚控制精度的極限是0.9mm。（6）價格低，HFW套管生產(chǎn)效率高，機械化、自動化程度高，生產(chǎn)能耗低；HFW套管成材率為93%～98%，而無縫套管的成材率85%～90%，HFW套管整個項目投資也比無縫套管項目低40%。根據(jù)目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國內外市場HFW石油專用管比同鋼級、同規(guī)格的無縫管價格便宜15%左右。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，70%的套損事故是由于套管擠毀變形造成的，造成套管擠毀的主要原因是套管的抗擠強度不足以抵抗復雜地質載荷作用。隨著塔里木油田山前地區(qū)、四川龍崗地區(qū)、新疆南緣地區(qū)等復雜地質構造區(qū)塊油氣資源的勘探開發(fā)，對套管的抗擠性能提出了更高要求，抗擠性能明顯優(yōu)于無縫套管的HFW套管的研究開發(fā)是解決這一問題的有效途徑。國內生產(chǎn)使用的HFW套管絕大部分僅限于H40、J55等低鋼級套管。較高鋼級和高鋼級HFW套管的生產(chǎn)和使用還存在一些技術上的難題，為了改善套管抗擠性能，減少套損事故的發(fā)生，同時降低石油鉆采成本，我們進行了N80鋼級HFW套管的研制開發(fā)。

2 研制過程

N80鋼級套管的力學性能指標：屈服強度為552～758MPa，抗拉強度≥689MPa。為達到N80鋼級套管的力學性能，需要對HFW套管的材料化學成分及HFW套管的熱處理工藝進行研究。

對于低鋼級如J55的HFW套管焊接與成型已經(jīng)不存在問題，目前國內能夠制造此類鋼管的廠家很多，質量也可以保證，所以加工企業(yè)也不存在技術上的難題。但對于較高鋼級的N80HFW套管來講，為了保證最終的強度、韌性、硬度等方面的要求，相應地要提高材質中碳的含量及添加適當?shù)奈⒘炕瘜W元素，當碳含量提高到0.3%以上時，采用常規(guī)的高頻感應方法就有一定的困難，因此，在確定材料的化學成分時，需要考慮材料的焊接性。我們在J55鋼級HFW套管材料的基礎上對化學成分進行了調整，確定了材料的化學成分。

由于材料的含碳量較低，需要通過熱處理的方法達到N80鋼級套管要求的力學性能。根據(jù)材料的化學成分，我們選擇了三種熱處理工藝進行了試驗：

工藝1：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度620℃，保溫30min。

工藝2：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度570℃,保溫30min。

工藝3：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度480℃,保溫：30min。

根據(jù)確定的三種工藝，制作了三段500mm長的樣管，在箱式爐中進行了熱處理。熱處理后的試樣力學性能見表1。

表1 箱式爐試樣試驗結果

根據(jù)試驗結果，工藝二達到了N80鋼級套管的力學性能，但強度偏低。經(jīng)與鋼廠及管廠技術專家溝通，我們對鋼材的化學成分進行了調整，在原有化學成分的基礎上添加了鋁元素，以達到細化晶粒提高強度的目的。同時，在工藝二的基礎上對熱處理工藝進行了調整，進行了整管熱處理試驗。試驗結果見表2。

表2 整管試驗結果對比

注：編號1為未熱處理管，2為內噴外淋熱處理工藝，3為外淋熱處理工藝。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，管子采用內噴外淋工藝的力學性能較好，而只采用外淋工藝的力學性能與未熱處理管力學性能基本一致，這從下面的金相圖圖1中也可證明。

圖1

在此研究基礎上，我們進行了小批量生產(chǎn)，熱處理后的材料力學性能均達到N80鋼級的要求。

3 結語

N80鋼級HFW套管的研制開發(fā)過程中形成了完整的材料化學成分配方和熱處理工藝方案，解決了高鋼級HFW套管制造過程中的技術難題。目前市場上已有的高鋼級套管大多數(shù)是由無縫管加工成的，由于高鋼級無縫管價格較高，使得高鋼級套管價格一直居高不下，N80鋼級HFW套管的研制成功可以生產(chǎn)出價格相對較低，性能達到要求的高鋼級套管，可有效降低石油勘探開發(fā)的成本，提高生產(chǎn)效率，提高管材利用率。