N80 鋼級直縫高頻焊石油套管的研制

0 前 言

石油套管是固定油氣井井壁用鋼管， 用于各油田的鉆采作業(yè)。 由于其所處的工作環(huán)境和條件惡劣， 要求套管不但要承受套管柱產(chǎn)生的拉力，還要承受地層蠕動等而產(chǎn)生的挫斷力、 射孔帶來的開裂力等

。 通常， 石油與天然氣開采用的套管需滿足API 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求， API SPEC 5CT

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， J55、 N80、 P110 等鋼級套管有無縫管和電焊管兩種類型， 與無縫管相比， 電焊管具有生產(chǎn)效率高、 尺寸精度好、 規(guī)格范圍寬、 母材缺陷少等優(yōu)勢而被廣泛推廣應(yīng)用

，因此， 國際上普遍采用高質(zhì)量的焊管 （API SPEC 5CT） 取代無縫鋼管

。 20 世紀(jì)80 年代初，美國、 加拿大等國就已將高頻直縫電阻焊（HFW） 套管應(yīng)用在3 000 m 深井中

。 在國內(nèi)，由于各生產(chǎn)廠家對HFW 鋼管技術(shù)的掌握程度不同、 思想認(rèn)識不同以及產(chǎn)品定位不同等種種原因

， HFW 套管發(fā)展緩慢， 目前主要以J55 鋼級為主， 并用作表層套管， 對于市場應(yīng)用廣泛、 更高級別的N80 鋼級表層套管和油層套管用量很少。 為了進(jìn)一步發(fā)揮HFW 套管技術(shù)與效益優(yōu)勢， 為油田用戶降本增效， 采用高頻焊+全管體熱處理工藝， 開發(fā)了性能優(yōu)良的N80 鋼級HFW 套管。

本研究針對試制的N80 鋼級HFW 套管開展了理化性能檢測和全尺寸實物性能試驗研究。

對于因物業(yè)服務(wù)企業(yè)擅自提高收費標(biāo)準(zhǔn)或者巧立名目亂收費而導(dǎo)致業(yè)主拖欠物業(yè)服務(wù)費的情形，筆者認(rèn)為物業(yè)服務(wù)企業(yè)擅自提高收費標(biāo)準(zhǔn)或者亂收費的行為違反了法律規(guī)定，超出收費標(biāo)準(zhǔn)的部分應(yīng)當(dāng)確定為無效，業(yè)主應(yīng)當(dāng)按照當(dāng)?shù)卣飪r部門規(guī)定的收費標(biāo)準(zhǔn)繳納物業(yè)服務(wù)費，對于多余的部分可以不繳納，同時政府價格監(jiān)督管理部門應(yīng)當(dāng)對物業(yè)服務(wù)企業(yè)的違法收費行為給予行政處罰。

1 試驗材料

API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)對Φ244.48 mm×11.05 mm N80 鋼級套管性能要求如下： 屈服強度為552～758 MPa， 抗拉強度＞689 MPa， 延伸率≥18%，管體橫向沖擊功≥14 J。 因此， 在化學(xué)成分設(shè)計時， 一方面要考慮套管管坯的成型焊接質(zhì)量， 另一方面也要考慮鋼管的淬透性， 確保管材熱處理后性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 C 和Mn 是鋼中最基本的強化元素， 可顯著提高鋼的淬透性， 但是當(dāng)兩者的含量均較高時， 會產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析帶， 造成焊縫韌性下降。 在鋼中添加少量的Nb、 V 和Ti，除了細(xì)化晶粒以外， 也能提高鋼的高溫回火性能和強度。 S、 P 是有害元素， 會降低管坯的塑性和韌性， 故應(yīng)盡可能降低其含量。 試驗套管的化學(xué)成分見表1。

2 HFW 套管試制工藝

（1） 卷板規(guī)格為1 530 mm×11.05 mm。 板坯最終軋制溫度設(shè)定為860 ℃， 卷取溫度設(shè)定為600 ℃。 卷板制備工藝流程為： 鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉→連鑄→加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→檢驗→包裝出廠。

（2） 管坯規(guī)格為Φ244.48 mm×11.05 mm。 焊接功率設(shè)定為400 kW， 焊速設(shè)定為15 m/min。 焊管坯制備工藝流程： 卷板拆卷→縱剪→鋼板邊緣加工→管成型→焊接→內(nèi)外毛刺清除→焊縫無損探傷→定徑→飛剪→靜水壓試驗→稱重、 測長、打標(biāo)記。

從表2 可知， 試制套管壁厚偏差和外徑偏差分別為-0.1%～1.1%和0.18%～0.82%， 優(yōu)于無縫套管且完全滿足API SPEC 5CT 要求（壁厚≥-12.5%t，外徑為-0.5% OD ～+1.0% OD）， 高幾何尺寸精度和均勻壁厚可有效提升管體的抗外壓擠毀性能。

（4） 采用進(jìn)口數(shù)控專用螺紋機床加工API SPEC 5B

標(biāo)準(zhǔn)的偏梯螺紋。

3 試驗結(jié)果

3.1 幾何尺寸

分別在熱處理前后的試驗管上制取金相試樣， 經(jīng)研磨、 拋光后用4%的硝酸酒精侵蝕， 使用Olympus-PMG3 型顯微鏡觀察試樣的顯微組織形貌， 結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 （a） 可以看出，熱處理前焊縫區(qū)域金屬流線特征明顯， 這是由于在焊接過程中， 母材中的偏析帶和軋制線在高溫作用下并未完全熔化或溶解， 在管壁兩側(cè)壓力作用下形成的一種結(jié)晶組織； 圖3 （b） 表明， 熱處理前母材組織為鐵素體+珠光體且存在一定的偏析現(xiàn)象， 帶狀組織為2.5 級， 晶粒度為10 級，與熱處理前母材組織相比， 焊縫中心珠光體含量降低， 鐵素體含量增多， 這與碳元素?zé)龘p或富碳液相 （含C、 Mn 等） 被擠出有關(guān)； 圖3 （c） 和圖3 （d） 表明， 全管經(jīng)熱處理后， 焊縫、 熱影響區(qū)和母材的組織相似， 組織中的鐵素體基體中彌散分布著大量細(xì)小的碳化物顆粒， 組織類型為回火索氏體+少量鐵素體， 回火索氏體是馬氏體高溫回火的產(chǎn)物， 具有細(xì)密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

在試制套管上取樣并加工拉伸試樣， 試樣尺寸為50.8 mm×31.8 mm。 按照ASTM A370

標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行拉伸試驗； 同時根據(jù)ASTM E23

標(biāo)準(zhǔn)要求在0 ℃條件下進(jìn)行沖擊試驗， 沖擊試樣尺寸為7.5 mm×10 mm×55 mm， 試驗結(jié)果見表3。 由表3 可知， 經(jīng)過全管熱處理后的HFW 套管的母材橫向和焊縫中心的的沖擊功值大幅超出標(biāo)準(zhǔn)要求且接近一致， 基本實現(xiàn)了母材和焊縫的“等韌性” 匹配， 同時所試制套管的屈服強度、 抗拉強度和延伸率也達(dá)到了API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)要求的中上線水平。

（5）單體濃度在m(AMPS)∶m(AA)∶m(AM)為6∶4∶2，水浴溫度65℃，引發(fā)劑加量0.2%，pH值為6條件下合成緩凝劑，并配置水泥漿（配方A）進(jìn)行性能評價，實驗數(shù)據(jù)顯示最佳的合成單體濃度為30%（表5）。

（3） 采用步進(jìn)連續(xù)式加熱爐將管坯加熱到A

以上并保溫一定時間， 經(jīng)高壓水除鱗、 輥道運輸， 再由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運送至淬火裝置， 并采用外淋+內(nèi)噴冷卻方式進(jìn)行快速冷卻； 在回火爐中進(jìn)行全管高溫回火和熱旋轉(zhuǎn)矯直處理， 熱矯直溫度≥400 ℃。

3.2 拉伸與沖擊性能

2.4 艾滋病干預(yù)檢測服務(wù)利用 三種職業(yè)流動人口獲得免費安全套和宣傳材料的比例差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。三種職業(yè)流動人口僅有25人最近一年接受過HIV檢測，知道檢測結(jié)果和曾接受檢測前咨詢服務(wù)的比例均為76%（19人），其中，建筑工人接受檢測前咨詢的比例最高；企業(yè)工人知曉檢測機構(gòu)、最近一年接受過HIV檢測的比例均高于其他兩種職業(yè)，見表2。

3.3 壓扁試驗

Φ244.48 mm×11.05 mm N80 鋼級直縫高頻焊套管擠毀試驗后形貌如圖4 所示， 實際抗擠毀強度最大值43.5 MPa， 最小值40.1 MPa， 平均值41.8 MPa， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出API TR 5C3

的標(biāo)準(zhǔn)要求， 充分表明HFW 焊接套管具有優(yōu)異的抗擠毀性能。

3.4 顯微組織分析

采用外徑千分尺、 壁厚測厚儀及普通長度量具等對N80 鋼級直縫高頻電阻焊套管的幾何尺寸進(jìn)行測量， 檢測位置如圖1 所示， 檢驗數(shù)據(jù)見表2。

礦區(qū)內(nèi)圈出Ⅰ號、Ⅱ號鉛鋅礦體，賦存于硅化強烈的阿克沙克組灰?guī)r中，礦體呈透鏡狀，其長軸方向與圍巖走向平行，產(chǎn)狀與圍巖基本一致(圖5)，局部有穿層現(xiàn)象，同時在鉛鋅礦體中亦可見灰?guī)r的殘留體。

3.5 抗擠毀性能

壓扁試樣管環(huán)長度為100 mm， 分別在焊縫0°和90°位置進(jìn)行試驗， 結(jié)果見表4， 壓扁后試樣宏觀形貌如圖2 所示。 可以看出， 在焊縫0°和90°位置將試樣壓至平行間距157.7 mm 時，焊縫及其他位置均無裂紋； 壓至管壁貼合時， 母材沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象， 焊縫無裂紋， 這表明材料焊接性良好， 焊縫性能優(yōu)良。

3)泛雅平臺很有效地解決了一刀切教學(xué)模式下，無法掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，通過平臺的作業(yè)完成情況以及課程瀏覽情況，結(jié)合每單元結(jié)束后的測試，能夠充分了解學(xué)生對課程的掌握度。但是學(xué)生們無法掌握自己相對于其他同學(xué)的學(xué)習(xí)情況，平臺可以發(fā)布課程完成度榜單以及教師給學(xué)生評價系統(tǒng)以激勵學(xué)生努力學(xué)習(xí)，提高效率。

3.6 接頭實物性能

試制的Φ244.48 mm×11.05 mm N80 BC 螺紋直縫高頻焊套管在室溫下進(jìn)行極限載荷試驗， 試驗結(jié)果見表5。 由表5 可以看出， 試制的直縫高頻焊套管抗滑脫性能、 抗內(nèi)壓至失效強度均超出標(biāo)準(zhǔn)要求13%以上， 確保了工程所需的性能要求。

4 結(jié) 論

（1） 采用高頻焊+全管體調(diào)質(zhì)熱處理工藝制造的N80 鋼級套管的幾何尺寸、 理化性能和全尺寸實物性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 經(jīng)全管調(diào)質(zhì)處理后， HFW 套管的焊縫、熱影響區(qū)和母材組織性能差異較小， 組織為回火索氏體＋少量鐵素體， 基本實現(xiàn)了焊縫與母材“等韌性” 匹配。

（3） HFW 焊接套管尺寸精度高， 性能均勻，且具有良好的抗擠毀性能。

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