廢舊油管熱軋?jiān)僦圃旃に嚰夹g(shù)與應(yīng)用

吉效科，劉爽，賀建國(guó)，李茂，梁娜，方建國(guó)

（1.長(zhǎng)慶油田公司機(jī)械制造總廠，西安 710201；2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；3.長(zhǎng)慶油田公司第九采油廠,銀川 750006）

0 引言

每年油田因油井管桿偏磨、介質(zhì)腐蝕造成的油管報(bào)廢比例達(dá)到20%～30%，甚至更高，以某油田油管年周轉(zhuǎn)量8～10 萬t計(jì)算，報(bào)廢油管量達(dá)5000～6000 t/a。為了降低成本，各油田積極開展油管修復(fù)利用工作，將報(bào)廢油管通過篩選、矯直、清洗鉆通（通徑）、探傷、螺紋加工、更換接箍、試壓等工序進(jìn)行常規(guī)修復(fù)，修復(fù)率一般只有60%左右。常規(guī)修復(fù)的油管不能消除金屬疲勞，力學(xué)性能難以保證，一般使用壽命較短。

近年來，面對(duì)持續(xù)低油價(jià)和資源不斷劣質(zhì)化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，長(zhǎng)慶油田將開源節(jié)流降本增效作為落實(shí)低成本開發(fā)戰(zhàn)略、油田二次加快發(fā)展的重要抓手，通過引進(jìn)先進(jìn)的工藝與技術(shù)，大力開展廢舊設(shè)備的再制造、再利用，其中油管熱軋?jiān)僦圃旃に囍屏擞吞飶U舊油管的再生利用，較常規(guī)修復(fù)工藝大幅提升了廢舊油管的修復(fù)率，而且油管性能指標(biāo)達(dá)到甚至高于原型新品。有效解決了油田廢舊油管的再利用問題，每年通過修復(fù)和再制造用于產(chǎn)能建設(shè)的油管數(shù)量達(dá)25%～30%，節(jié)約了大量的油管采購(gòu)成本費(fèi)用。

1 基本原理與工藝流程

1.1 工作原理

首先對(duì)廢舊油管內(nèi)外壁進(jìn)行清洗去污、分選、矯直；預(yù)處理后的毛坯管通過斜切工藝進(jìn)行縮徑，芯桿頂頭恢復(fù)原規(guī)格；對(duì)熱軋機(jī)軋輥間距進(jìn)行調(diào)整，確定形變定徑的直徑尺寸，開啟軋制機(jī)組的調(diào)速電動(dòng)機(jī)；由輸送機(jī)組來輸送預(yù)處理好的毛坯管，使其旋轉(zhuǎn)穿行于中頻電源感應(yīng)加熱線圈之中，當(dāng)達(dá)到軋制要求溫度時(shí)，將毛坯管喂入軋制機(jī)組的軋輥咬合區(qū)，被軋輥咬入的同時(shí)與軋輥一起旋轉(zhuǎn)前進(jìn)軋制；軋制成型的油管進(jìn)行外壁磨光、車扣、上接箍、試壓、噴漆，制成成品[1]。

采用中頻電源感應(yīng)將油管加熱到金屬相變溫度，運(yùn)用多輥軋制工藝，使油管材料發(fā)生塑性變形，通過多輥擠壓使油管金屬發(fā)生流動(dòng)，改善金相結(jié)構(gòu)，使油管晶粒細(xì)化，消除金屬疲勞，提高油管塑性，降低變形抗力，提高油管力學(xué)性能，使各項(xiàng)性能達(dá)到成品油管的性能指標(biāo)要求。

1.2 工藝流程

油管熱軋?jiān)僦圃旃に嚵鞒虨椋河凸艹踹x→油管切頭→油管清洗除垢→初矯直→油管熱軋→油管定徑→油管矯直→無損探傷→螺紋加工→上接箍→水壓檢測(cè)→打標(biāo)→噴漆噴碼→打捆[2]。主要工序如下：

1）初選。對(duì)收集的舊油管進(jìn)行初步篩選，將裂縫穿孔、嚴(yán)重變形、內(nèi)孔堵塞的油管直接按報(bào)廢處理，得到初選后可熱軋利用的舊油管。油管管體不得有裂縫、穿孔，不得嚴(yán)重變形、無法矯直。

2）切頭。將初選后的可利用舊油管所帶的管箍切除。

3）除垢。舊油管用中頻加熱至270～600 ℃，將內(nèi)、外壁的水垢、油垢等污垢去除。油管內(nèi)壁高壓冷風(fēng)吹掃。除垢后的油管應(yīng)達(dá)到管外壁手摸無原油堆積。除垢過程全程目測(cè)，發(fā)現(xiàn)管體裂紋、穿孔的油管做報(bào)廢標(biāo)記。

4）初矯直。將鋼絲刷通入除垢后的油管中，經(jīng)過矯直機(jī)矯直，保證油管的直線度，并通過擠壓和鋼絲刷使內(nèi)壁附著的污垢與內(nèi)壁脫離，然后將管內(nèi)的污垢清理；可采用壓力矯直或旋轉(zhuǎn)斜輥矯直的方式進(jìn)行，通過塑性變形將彎曲油管變直。

5）熱軋。舊油管在中頻電源加熱的狀態(tài)下，通過兩級(jí)絲杠推送油管和多輥斜軋相結(jié)合的工藝，在擴(kuò)徑的同時(shí)進(jìn)行增壁，實(shí)現(xiàn)油管初步再制造。

6）定徑。利用軋制后油管的余溫，再輔以中頻電源加熱，通過熱軋機(jī)再次微軋，增加外表光潔度，同時(shí)使油管達(dá)到工藝要求的直徑，優(yōu)化油管外徑均勻度。油管溫度加熱至727～800 ℃后進(jìn)行油管全長(zhǎng)定徑。

7）終矯直。油管矯直后油管全長(zhǎng)直線度不超過0.2%，1.0 m范圍內(nèi)偏離距離不超過3.18 mm。

8）通徑。油管100%進(jìn)行全長(zhǎng)通徑，無卡阻為合格。

9）檢驗(yàn)。將矯直后的油管進(jìn)行車螺紋、打壓，最后檢驗(yàn)完畢后打包入庫。

1.3 性能指標(biāo)

熱軋油管質(zhì)量指標(biāo)符合表1的要求。

表1 熱軋修復(fù)油管質(zhì)量指標(biāo)[3-5]

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1）消除廢舊油管缺陷。熱軋?jiān)僦圃旃に噷U舊油管制造成成品油管，各項(xiàng)性能指標(biāo)不低于新品油管，徹底實(shí)現(xiàn)了廢舊油管的再制造、再利用。

2）恢復(fù)油管力學(xué)性能。消除了油管長(zhǎng)期使用因疲勞、偏磨和腐蝕造成的溝槽、劃痕、腐蝕坑現(xiàn)象，均壁效果明顯，油管在線調(diào)質(zhì)處理，提升油管的力學(xué)性能，恢復(fù)油管內(nèi)外壁光潔度和力學(xué)性能。

3）實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格熱軋?？蓪U舊油管進(jìn)行等徑等壁、等徑減壁、減徑減壁、減徑增壁等多種方式再制造，可將廢舊油管再制造為同規(guī)格或不種規(guī)格的油管。

4）降低油管采購(gòu)成本。使用油田廢舊油管作原料（毛坯），省去酸洗、磷化、皂化等多項(xiàng)處理工藝，節(jié)省了大量的資源、能源和成本，達(dá)成了生產(chǎn)過程無污染的目標(biāo)。

2 技術(shù)要求

2.1 工藝要求

需要有油管矯直生產(chǎn)線，凡存在目測(cè)可見的彎曲或不符合GB/T 19830 中直線度要求的廢舊油管應(yīng)進(jìn)行矯直作業(yè)。油管矯直可采用壓力矯直或旋轉(zhuǎn)斜輥矯直的方式。油管矯直后油管全長(zhǎng)直線度不超過0.2%，1.0 m范圍內(nèi)偏離距離不超過3.18 mm。油管的軋制溫度保持在850～900 ℃。

由于廢舊油管存在偏壁偏溝現(xiàn)象嚴(yán)重、疲勞性大、腐蝕點(diǎn)多、整體或局部受熱均勻度差等諸多問題，軋制時(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注溫度變化，以防過熱或過燒。過熱會(huì)使油管材料中奧氏體晶?？焖匍L(zhǎng)大，減弱了晶粒間的結(jié)合力，導(dǎo)致油管力學(xué)性能降低，甚至出現(xiàn)裂紋。過燒會(huì)使材料喪失強(qiáng)度和韌性，導(dǎo)致其在軋制時(shí)破裂成塊而成廢品。溫度過低，則會(huì)使毛坯油管塑性下降，變形抗力大，無法歸圓成型或產(chǎn)生破裂。為了保證加熱溫度符合軋制標(biāo)準(zhǔn)，需通過調(diào)節(jié)軋制機(jī)組電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使軋制速度與毛坯油管在中頻加熱感應(yīng)線圈內(nèi)的停留時(shí)間達(dá)到合理匹配。

2.2 螺紋加工

除特殊要求外，油管應(yīng)使用合理的轉(zhuǎn)矩完成接箍與管體的擰接，上緊轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合表2的規(guī)定。擰接前，螺紋表面都應(yīng)清潔，無水分和有害液體，在接箍或油管螺紋的整個(gè)嚙合表面均勻涂抹油管螺紋專用潤(rùn)滑脂。再制造的油管的公螺紋端和接箍端均應(yīng)戴上護(hù)絲。

表2 油管的上緊轉(zhuǎn)矩值參照表N·m

2.3 油管檢測(cè)

油管應(yīng)100%進(jìn)行全長(zhǎng)通徑檢測(cè)，無卡阻為合格。油管通徑規(guī)尺寸如表3所示。對(duì)矯直后的油管進(jìn)行壁厚檢測(cè)，壁厚檢測(cè)的儀器包括：壁厚千分尺，聲脈沖-回波探測(cè)儀和γ射線儀。檢測(cè)儀器的誤差不大于2%。

表3 油管通徑規(guī)尺寸

壁厚檢測(cè)應(yīng)在油管中央和距兩端1.5 m處共計(jì)3個(gè)檢測(cè)位置處進(jìn)行，為確保符合壁厚分級(jí)要求，宜采用電磁、渦流或超聲檢驗(yàn)的方法在縱向上進(jìn)行全長(zhǎng)壁厚檢測(cè)。油管螺紋加工、測(cè)量機(jī)螺紋檢驗(yàn)都應(yīng)符合GB/T 9253.2-1999 的要求。油管接箍的幾何尺寸應(yīng)符合SY/T 6194-2003。

2.4 試壓

修復(fù)后的油管應(yīng)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)要求應(yīng)符合表4的要求。試驗(yàn)壓力保持時(shí)間不應(yīng)少于15 s，壓降不應(yīng)超過1%。若試壓時(shí)出現(xiàn)管體滲漏，則做報(bào)廢處理。

表4 油管靜水壓試驗(yàn)推薦壓力表

2.5 防腐

熱軋后的油管應(yīng)做外涂層，宜采取措施使涂層光滑、致密、不脫落。涂層的等級(jí)應(yīng)具有保護(hù)油管至少3個(gè)月的能力。

3 性能評(píng)價(jià)

根據(jù)油管的使用工況特征，除要承受內(nèi)外壓力外，需要對(duì)管柱進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，主要包括拉伸強(qiáng)度、化學(xué)成分、金相組織、抗沖擊性能、表面硬度等。

3.1 拉伸性能

油管在井下應(yīng)用時(shí)必須要有足夠的抗拉強(qiáng)度，以確保井下工作的可靠性。使用UTM5305材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)油管進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 材料試驗(yàn)機(jī)示意圖

1）取樣品中段，沿軸向標(biāo)記A、B兩點(diǎn)，間距為500 mm。

2）將被檢測(cè)樣品一端固定在試驗(yàn)機(jī)的固定端，另一端連接到試驗(yàn)機(jī)的可動(dòng)端。

3）以10 mm/min的速率對(duì)油管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

4）記錄拉伸過程中對(duì)應(yīng)拉力下A、B兩點(diǎn)的間距，并計(jì)算伸長(zhǎng)率。

測(cè)試結(jié)果表明：該熱軋?jiān)僦圃煊凸茉诶?10 kN時(shí)，加載下的總伸長(zhǎng)率為0.5%，屈服強(qiáng)度為457 MPa，抗拉強(qiáng)度為699 MPa，伸長(zhǎng)率為30%，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求[3]，如表5所示。

表5 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 沖擊性能試驗(yàn)

沖擊性能試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)油管材料的抗沖擊能力或判斷油管材料的脆性和韌性程度。使用PIT302D沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。如圖2所示，支座兩支撐面需保持平行，兩面相差不應(yīng)超過0.05 mm。支座需使擺錘軸線與試樣軸線的平行度在3/1000之內(nèi)。砧座兩支撐面也需保持平行，且兩面相差不應(yīng)超過0.05 mm。支座兩支撐面與砧座兩支撐面所在的平面之間的夾角應(yīng)為90°±0.1°。砧座曲率半徑為1 mm。曲率圓弧應(yīng)與支撐面平面相切。砧座之間跨距為（40+0.2）mm。試驗(yàn)開始前，需仔細(xì)檢查砧座上是否沾有鐵屑，如沾有鐵屑，應(yīng)及時(shí)清理干凈。否則會(huì)使沖擊試樣不能準(zhǔn)確地對(duì)中；沖擊試樣不能緊靠砧座。

圖2 沖擊試驗(yàn)機(jī)示意圖

測(cè)試結(jié)果表明：該熱軋?jiān)僦圃煊凸茉诠荏w縱向沖擊吸收熱量為26 J，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，如表6所示。

表6 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 表面硬度測(cè)試

依據(jù)布氏硬度計(jì)（GB/T 231.1—2002），采用BH3000的布氏硬度計(jì)，進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出，熱軋油管表面硬度平均為200 HB，符合標(biāo)準(zhǔn)要求值。

表7 布氏硬度測(cè)試結(jié)果

3.4 化學(xué)成分分析

采用ARL4460直讀光譜儀進(jìn)行油管材料化學(xué)成分分析，測(cè)試結(jié)果如表8所示。

表8 化學(xué)成分分析結(jié)果%

從表8可以看出，熱軋油管化學(xué)成分主要為：C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.15%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.011%。

3.5 金相組織分析

使用MeF3A金相顯微鏡對(duì)熱軋油管管體進(jìn)行金相組織分析，分析結(jié)果如表9所示。

表9 金相組織分析結(jié)果

從表9可以看出，熱軋油管管體主要由珠光體和鐵素體組成。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果評(píng)價(jià)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

再制造后的油管從2015年至今在長(zhǎng)慶油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用220 萬m。應(yīng)用期間各采油廠對(duì)油管熱軋前后進(jìn)行外觀檢查，并委托國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、勝利石油管理局質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所等專業(yè)檢測(cè)進(jìn)行第三方檢測(cè)。圖3所示為油管熱軋前后內(nèi)壁圖，圖4所示為油管熱軋前后外觀圖。

圖3 油管熱軋前后內(nèi)壁圖

圖4 油管熱軋前后外觀圖

由圖3、圖4可以看出，通過熱軋?jiān)僦圃旃に嚰夹g(shù)，消除了廢舊油管存在的腐蝕點(diǎn)、疲勞性、偏磨偏壁偏溝等問題，均壁效果明顯，恢復(fù)了油管內(nèi)外壁的光潔度。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

新油管價(jià)格為61.5 元/m，廢舊油管熱軋?jiān)僦圃旌蟮馁M(fèi)用為39.5 元/m（含接箍、油管運(yùn)輸?shù)跹b費(fèi)、稅金），每米減少22元直接投入。以2017年長(zhǎng)慶油田第四采油廠熱軋油管24.64 萬m計(jì)算，當(dāng)年可為該采油廠節(jié)省投資542.08 萬元。

按照整個(gè)油田公司每年熱軋?jiān)僦圃煊凸?50 萬m計(jì)算，使用油管熱軋工藝技術(shù)每年可為油田公司節(jié)約3300萬元以上，而且廢舊油管實(shí)現(xiàn)多次熱軋?jiān)偕h(huán)利用，大大減少了作業(yè)費(fèi)用。

5 結(jié)論

1）油管熱軋主要工序包括初選、切頭、除垢、分選、初矯直、熱軋、定徑、終矯直、通徑、壁厚檢測(cè)、螺紋加工、試壓、檢驗(yàn)等。

2）對(duì)熱軋后的油管進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，拉伸強(qiáng)度、化學(xué)成分、金相組織、抗沖擊性能、表面硬度等各項(xiàng)性能指標(biāo)符合相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，整體性能不低于新品油管。

3）熱軋?jiān)僦圃旃に噷U舊油管制造成成品油管，各項(xiàng)性能指標(biāo)不低于新品油管，徹底實(shí)現(xiàn)了廢舊油管的再制造、再利用。

4）運(yùn)用熱軋修復(fù)技術(shù)，消除了油管長(zhǎng)期使用因疲勞、偏磨和腐蝕造成的溝槽、劃痕、腐蝕坑現(xiàn)象，均壁效果明顯，油管在線調(diào)質(zhì)處理，提升油管的力學(xué)性能，恢復(fù)油管內(nèi)外壁光潔度和力學(xué)性能。

5）可將廢舊油管進(jìn)行等徑等壁、等徑減壁、減徑減壁、減徑增壁等多種方式再制造復(fù)新，可以將舊油管修復(fù)再生為同規(guī)格和各種規(guī)格的油管。

6）使用油田廢舊油管作原料（毛坯），省去酸洗、磷化、皂化等多項(xiàng)處理工藝，節(jié)省了大量的資源、能源和成本，達(dá)成了生產(chǎn)過程無污染的目標(biāo)。

7）長(zhǎng)慶油田將繼續(xù)加大廢舊油管熱軋?jiān)僦圃旃に囃茝V力度，將熱軋?jiān)僦圃旃に嚺c常規(guī)修復(fù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)油管修復(fù)與再制造修復(fù)率達(dá)到90%以上。