油氣鉆采用耐蝕合金無縫管材標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展分析*

熊慶人，張永紅，劉文紅，李炎華，許曉鋒，韓新利

（中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西 西安 710077）

耐蝕合金管材主要用于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境油氣田的勘探開發(fā)。目前，國內(nèi)外大部分油田已進入開發(fā)后期，隨著油氣勘探的深入，油氣勘探的環(huán)境日益嚴(yán)峻，對耐蝕合金管材的需求不斷增大［1-4］。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第67 技術(shù)委員會套管、油管和鉆桿分技術(shù)委員會（ISO/TC 67/SC5）在2000年時首次制定并發(fā)布了耐蝕合金無縫管材標(biāo)準(zhǔn)ISO 13680：2000（第1 版）。該版標(biāo)準(zhǔn)名稱為“Petroleum and natural gas industries—Corrosion-resistant alloy seamless tubes for use as casing，tubing and coupling stock—Technical delivery conditions”，即“石油和天然氣工業(yè) 套管、油管和接箍毛坯用耐腐蝕合金無縫管交貨技術(shù)條件”，用以規(guī)定用作套管、油管和接箍毛坯的耐蝕合金無縫管的交貨技術(shù)要求。2000年以后，先后對該標(biāo)準(zhǔn)進行了三次修訂，即ISO 13680：2008（第2 版）、ISO 13680：2010（第3 版）、ISO 13680：2020（第4 版）?，F(xiàn)行的ISO 13680：2020（第4 版）于2020年5 月正式發(fā)布，名稱變更為“Petroleum and natural gas industries—Corrosionresistant alloy seamless tubes for use as casing，tubing，coupling stock and accessory material—Technical delivery conditions”，即“石油天然氣工業(yè) 套管、油管、接箍毛坯及附件材料用耐蝕合金無縫管交貨技術(shù)條件”。

過去20 多年來，伴隨著冶煉和制造技術(shù)的不斷進步，以及復(fù)雜工況油氣田工程建設(shè)需求的不斷增加、要求的不斷提高，該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及技術(shù)內(nèi)容得到不斷豐富和完善。本文對該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求的發(fā)展變化情況進行了分析、探討，以期為耐蝕合金管材的生產(chǎn)者、油田用戶、研發(fā)人員等提供參考借鑒。由于第2 版到第3 版的時間間隔較短、變化較小，在下述討論中未列出。

1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的變化

對比該標(biāo)準(zhǔn)前后四個版本的結(jié)構(gòu)情況［5-6］，可以看出，第3 版相比于第1 版結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化；第1 版包含了15 章正文，無附錄；第3 版，對相關(guān)章節(jié)進行了整合，同時增加了有關(guān)章節(jié)和附錄，共包括14 章正文及7 個附錄。

第4 版正文的總體框架基本沿用了第3 版，仍然分14 章表述。附錄由第3 版的7 個增加到9 個，刪除了1 個原有附錄，增加了3 個新的附錄。

2 主要技術(shù)內(nèi)容的發(fā)展變化

2.1 第3 版與第1 版比較

2.1.1 第3 版標(biāo)準(zhǔn)對第1 版的完善和豐富

（1） 沖擊試驗。

第1 版僅規(guī)定了不同組別產(chǎn)品的縱向、橫向最小吸收能要求值。第3 版對同一組別中不同鋼級、不同臨界壁厚的接箍毛坯或管子規(guī)定了不同的最小吸收能要求值，且對于同一鋼級，隨臨界壁厚的增大，沖擊韌性要求提高。表明沖擊韌性指標(biāo)日益成為耐蝕合金管材的重要力學(xué)性能指標(biāo)。

（2） 無損檢測。

第1 版規(guī)定了無損檢測的要求及試驗方法，內(nèi)容僅涉及要求、總則、產(chǎn)品、短節(jié)、平端、加厚端、參考標(biāo)樣等，且要求非?；\統(tǒng)。

第3 版除了補充完善了已有的無損檢測的要求外，還將相關(guān)要求擴展到無損檢測人員，無損檢測系統(tǒng)能力記錄，第1、2、3、4 組產(chǎn)品的無損檢測，噴標(biāo)處的評定，要求進一步評定的管子和接箍毛坯，含缺陷管子及接箍毛坯的處置等方面。

（3） 缺陷。

第1 版標(biāo)準(zhǔn)僅對管子中的缺陷及其處置進行了規(guī)定。

第3 版標(biāo)準(zhǔn)將第1 版中外觀檢查的有關(guān)內(nèi)容分別歸入表面狀態(tài)、缺陷、管端、外觀檢查及含缺陷管子的處置等相關(guān)條款中。對管子、接箍毛坯的缺陷分別提出了更嚴(yán)格的要求，同時明確了含缺陷管子、接箍毛坯的處置方法及對受影響區(qū)域進行重新檢測時所采用的方法。

2.1.2 第3 版標(biāo)準(zhǔn)較第1 版增加的技術(shù)要求

（1） 對耐蝕合金無縫管產(chǎn)品規(guī)范等級進行了劃分。

（2） 增加了壓扁試驗的要求。

（3） 增加了純凈度要求。

2.2 第4 版與第3 版比較

2.2.1 第4 版標(biāo)準(zhǔn)對第3 版的完善和豐富

（1） 無損檢測。

增加了對第2、3、4 組的內(nèi)外表面斜刻槽檢驗、加厚端的無損檢測方法、檢驗設(shè)備檢測的覆蓋率、對超過12 個月未從事該項無損檢測工作的檢測人員重新評定等要求。

（2） 硬度試驗。

補充完善了對硬度試樣及試驗方法的要求。

（3） 顯微組織要求及檢驗。

第3 版要求第2、3、4 組的顯微組織中晶界處應(yīng)無連續(xù)的析出相；金屬間化合物相、氮化物和碳化物總含量應(yīng)不超過1.0%。第2 組的σ 相不得超過0.5%。第3 版僅給出了顯微組織、鐵素體體積分?jǐn)?shù)的檢驗方法，同時規(guī)定檢驗時至少應(yīng)觀察30個視場、最小放大倍數(shù)為400×。

第4 版強調(diào)第2、3、4 組的顯微組織中應(yīng)無金屬間析出相，但離散/獨立的析出相允許存在，第2組每個析出相的最大尺寸應(yīng)不超過10 μm。第4 版分別規(guī)定了顯微組織、鐵素體含量、晶粒度評定的試驗方法，同時規(guī)定第2、3、4 組顯微組織檢驗時最大放大倍數(shù)至少應(yīng)為500×，應(yīng)提供析出相最密集處的典型顯微組織照片，取消了對視場數(shù)量的要求。

（4） 化學(xué)成分和/或強度級別的更新過程。

第3 版僅規(guī)定在兩種情況下標(biāo)準(zhǔn)使用者應(yīng)向有關(guān)部門報告。

第4 版在附錄中明確規(guī)定：新合金和/或強度級別的加入應(yīng)向ISO/TC 67/SC5 提出申請，且僅考慮ISO 15156-3 ∶2022《石油和天然氣工業(yè)——用于石油和天然氣生產(chǎn)中含H2S 的環(huán)境中使用的材料第3 部分：耐開裂CRA（耐腐蝕合金）和其他合金》中已包含的合金或強度級別。新合金/強度級別應(yīng)用或現(xiàn)有合金/強度級別變更時應(yīng)進行制造工藝評定試驗。

（5） 標(biāo)記。

增加了“購方和制造商協(xié)商的附加標(biāo)記”“接箍、短節(jié)及附件螺紋加工后的標(biāo)記信息”等標(biāo)記要求。規(guī)定了接箍、短節(jié)及附件螺紋加工后的模版漆印和/或字模壓印標(biāo)記要求。

2.2.2 第4 版標(biāo)準(zhǔn)較第3 版增加的技術(shù)要求

（1） 將標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍擴大到附件材料用耐蝕合金無縫管，相應(yīng)地變更了標(biāo)準(zhǔn)名稱，適用的產(chǎn)品組新增了第5 組。

（2） 增加了附件材料的相關(guān)要求。

（3） 增加了第2 組低溫夏比沖擊試驗要求。

（4） 增加了制造工藝評定試驗要求。

（5） 增加了第2 組的點蝕性能要求。

（6） 增加了硬度試驗機的定期檢查及硬度試驗機和壓頭的校驗要求。

（7） 增加了材料可靠性鑒定要求。

（8） 規(guī)定了提供適用于制造該標(biāo)準(zhǔn)界定的接箍料和管狀附件的棒料的要求。

（9） 提供了第2、3、4 組合格與不合格的顯微組織的典型圖例。

3 分 析

耐蝕合金管材產(chǎn)生于20 世紀(jì)80年代初［7］，耐蝕合金無縫管材標(biāo)準(zhǔn)ISO 13680 首次制定和發(fā)布是在2000年，隨后進行了3 次修訂。除了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的變化外，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的變化概括起來主要包括以下兩個方面：

（1） 對原有技術(shù)條款不斷補充完善，如沖擊韌性、顯微組織、無損檢測、缺陷的處置、標(biāo)記等。

以無損檢測相關(guān)要求為例，闡述如下：無損檢測技術(shù)是隨著某一物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，隨后進行深入研究再實現(xiàn)實際應(yīng)用的。1943年出現(xiàn)了商品化脈沖回波式超聲波探傷儀，1947年第一套漏磁檢測系統(tǒng)研制成功，20 世紀(jì)50年代渦流檢測技術(shù)開始正式進入階段［8］。隨后各種無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展，檢測能力不斷提高，不斷向著自動化、數(shù)字化、一體化、智能化發(fā)展，同時不斷開發(fā)出適用于新領(lǐng)域的無損檢測技術(shù)和檢測設(shè)備［9-10］。

在ISO 13680 第1 版標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布時，該標(biāo)準(zhǔn)對無損檢測的要求和檢測方法的規(guī)定比較簡單、籠統(tǒng)。第3 版時其無損檢測的內(nèi)容大為豐富、全面，要求亦更加嚴(yán)格，無損檢測在產(chǎn)品檢驗中的作用越來越重要。第4 版在第3 版的基礎(chǔ)上又增加了斜刻槽、加厚端的無損檢測方法、檢測覆蓋率、檢測人員等方面的要求。該標(biāo)準(zhǔn)在無損檢測方面要求的發(fā)展變化與無損檢測技術(shù)的發(fā)展密不可分，也從側(cè)面反映了無損檢測技術(shù)的進步。無損檢測方面是這樣，該標(biāo)準(zhǔn)的其他方面也是這樣。

（2） 不斷融入新的技術(shù)要求。

如第3 版較第1 版增加了產(chǎn)品規(guī)范等級、壓扁試驗、純凈度等要求；第4 版較第3 版新增的技術(shù)內(nèi)容更加豐富：增加了附件材料用耐蝕合金無縫管的要求，增加了第5 組產(chǎn)品，還增加了第2 組的低溫夏比沖擊試驗、第2 組的點蝕試驗、硬度試驗機的定期檢查及試驗機和壓頭的校驗、制造工藝評定試驗、材料可靠性鑒定、用棒料加工的接箍料和附件材料等要求。

這主要是由于隨著油氣勘探、開發(fā)不斷向深層、深水、低滲透超低滲透儲層、非常規(guī)等領(lǐng)域延伸，勘探、開發(fā)的難度不斷加大，對相應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求亦不斷提高。為了適應(yīng)這種變化，管材制造商和相關(guān)研究機構(gòu)不斷進行研發(fā)，對生產(chǎn)設(shè)備、工藝進行更新，或開發(fā)新的產(chǎn)品，以滿足越來越嚴(yán)格的技術(shù)要求。

以第4 版增加的附件材料用耐蝕合金無縫管以及第5 組產(chǎn)品為例，闡述如下：

附件材料是指油氣井全生命服役周期內(nèi)（勘探、開發(fā)、生產(chǎn)）與油井管柱相連接的組件，包括鉆井，固井及完井過程中的各種設(shè)備及工具。第4 版將標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍擴展到了附件材料。其中有些類型的附件需要使用棒料做原材料進行加工獲得最終成品，第4 版標(biāo)準(zhǔn)給出了第5 組產(chǎn)品——具有奧氏體組織的時效硬化鎳基合金棒料的技術(shù)要求。

第5 組產(chǎn)品主要是指具有奧氏體組織的時效硬化鎳基合金棒料，第4 版標(biāo)準(zhǔn)專門針對井下附件用鎳基合金棒料的材料性能提出了要求，滿足了工程需求，也填補了這方面的空白。這組產(chǎn)品與第4 組均為具有奧氏體組織的鎳基合金，但第5 組產(chǎn)品的材料牌號適用于附件加工。第5 組的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求主要引用了API STD 6ACRA—2018《用于石油和天然氣鉆探和生產(chǎn)設(shè)備的時效硬化鎳基合金》的要求。

這組產(chǎn)品通常適用于高溫高壓或高含硫井，以滿足這類高溫高壓高腐蝕井的工況要求。如中石油西南油氣田的含硫井或塔里木油田的高溫高壓井一般采用這類合金作為井口及井下附件［11］。

可見，ISO 13680 標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過4 個版本的發(fā)展，內(nèi)容得到不斷豐富和完善。究其原因在于油氣田勘探開發(fā)的工程需求對產(chǎn)品和技術(shù)不斷提出了更高的要求，這就需要相關(guān)的行業(yè)不斷進行科技創(chuàng)新，用創(chuàng)新的、適用的技術(shù)改造和提升產(chǎn)品及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以滿足這種需求。在這個過程中，管材的制造技術(shù)不斷提高，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，新技術(shù)不斷得到推廣應(yīng)用。而標(biāo)準(zhǔn)就是為了在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序，經(jīng)協(xié)商一致制定并由公認(rèn)機構(gòu)批準(zhǔn)，共同使用和重復(fù)使用的一種規(guī)范性文件。當(dāng)新產(chǎn)品出現(xiàn)并逐漸成熟時，往往伴隨著相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生，并隨著技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)不斷融入新的技術(shù)要求，在這個過程中標(biāo)準(zhǔn)得到不斷的完善。

4 結(jié)語

油氣鉆采用耐蝕合金無縫管材標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，從簡單到逐步完善的過程。在這個過程中，科學(xué)技術(shù)的不斷進步發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，無論是標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的產(chǎn)品范圍的變化、還是標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求的變化，都充分體現(xiàn)了科技創(chuàng)新的重要性。科技進步是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的基礎(chǔ)，也是推動標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的不竭動力。