徐 軻 楊力能 衛(wèi) 棟 田新新 豐振軍

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 （陜西 西安 710065）

油井管的質(zhì)量缺陷及其預(yù)防

徐 軻 楊力能 衛(wèi) 棟 田新新 豐振軍

西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 （陜西 西安 710065）

介紹了油井管的質(zhì)量要求，指出了油井管在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量缺陷，主要有管體本身的缺陷（理化性能不符合要求、無損探傷不符合要求、幾何尺寸超差和通徑不合格）、表面缺陷（裂紋、內(nèi)折、外麻坑和表面擦傷等）和螺紋缺陷（黑皮扣、顫紋、亂扣和螺紋參數(shù)超標(biāo)等），分析了質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因，并提出了缺陷的預(yù)防及處理措施。

油井管 質(zhì)量要求 質(zhì)量缺陷 預(yù)防措施

油井管簡稱OCTG（Oil Country Tubular Goods）,在石油工業(yè)中有著舉足輕重的位置，油井管在石油工業(yè)中不但用量大，更重要的是其安全可靠性和使用壽命決定了油井、油田的壽命。我國每年僅鉆柱斷裂掉井事故達(dá)1 000起左右，據(jù)鉆進(jìn)承包商協(xié)會(huì)（IADC）統(tǒng)計(jì)，每起鉆柱斷裂掉井事故平均直接損失10.6萬美元[1]。為了避免由質(zhì)量缺陷帶來的巨大損失，并能準(zhǔn)確識(shí)別這些質(zhì)量缺陷，本文重點(diǎn)對(duì)油井管生產(chǎn)中的質(zhì)量要求和質(zhì)量缺陷做以介紹，指出了預(yù)防措施。

1 油井管的質(zhì)量要求

油井管的服役條件惡劣，常在高溫、高壓、腐蝕環(huán)境下使用，為了適應(yīng)各種惡劣的地質(zhì)工況環(huán)境，這就對(duì)油井管的連接強(qiáng)度和密封性能提出了很高的要求。目前，我國采用的油井管標(biāo)準(zhǔn)除了最基本的API標(biāo)準(zhǔn)外，還有非API標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)補(bǔ)充協(xié)議。API油井管是嚴(yán)格按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的一類油井管產(chǎn)品，其技術(shù)成熟、通用性強(qiáng)。非API油井管是生產(chǎn)廠根據(jù)用戶需求，或?yàn)榱藵M足某些特殊使用性能要求，不按照或不完全按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、檢驗(yàn)的一類油井管，屬于各生產(chǎn)廠家的專利產(chǎn)品。但是，不論是API還是非API油井管，其質(zhì)量要求主要包括理化性能的質(zhì)量要求、無損探傷的質(zhì)量要求和螺紋的質(zhì)量要求。

1.1 理化性能要求

API Spec 5CT[2]《套管和油管規(guī)范》明確規(guī)定了油井管鋼（接箍和管體）的化學(xué)成分、拉伸性能、硬度和夏比V型沖擊等要求。但需要注意的是對(duì)第二組鋼級(jí)（C、L、M、T鋼級(jí)的所有產(chǎn)品，即限定屈服強(qiáng)度的油管和套管）都規(guī)定了硬度的最高值，還對(duì)C90、T95、Q125的硬度變化差值也做了特別規(guī)定。另外，對(duì)C90、T95的淬透性（馬氏體最小百分比）、晶粒度和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)（SSC）等也做了要求；對(duì)9Cr、13Cr油套管，規(guī)定最終熱處理后管體表面應(yīng)無氧化皮；對(duì)夏比V型缺口沖擊的取樣的方向、試樣的尺寸及吸收能遞減系數(shù)也做了要求。API Spec 5DP[3]《鉆桿規(guī)范》要求鉆桿（管體、接頭、焊區(qū)）需要進(jìn)行化學(xué)成分分析、沖擊、拉伸、硬度、橫向側(cè)彎試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等。所以在取樣時(shí)應(yīng)該注意所規(guī)定的取樣方向和位置，還必須考慮到試樣的加工精度，否則會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。

1.2 無損檢測(cè)的質(zhì)量要求

API Spec 5CT規(guī)定所有要求做無損檢驗(yàn)的管子、接箍毛坯和附件應(yīng)進(jìn)行全長（一端到另一端）缺陷檢驗(yàn)。API Spec 5DP規(guī)定每個(gè)鉆桿管體都應(yīng)沿全長進(jìn)行檢驗(yàn)，以探測(cè)在外面表和內(nèi)表面上的缺欠（縱向和橫向）。當(dāng)自動(dòng)設(shè)備不能檢驗(yàn)管子端部盲區(qū)時(shí)，應(yīng)使用磁粉檢驗(yàn)做輔助檢測(cè)，除壁厚檢測(cè)外，所要求的無損檢測(cè)應(yīng)在最終熱處理和所有旋轉(zhuǎn)矯直作業(yè)后進(jìn)行。

1.3 螺紋的質(zhì)量要求

螺紋和螺紋連接是套管柱質(zhì)量和強(qiáng)度的核心部分[4]。螺紋的基本連接類型可分API螺紋（長圓螺紋、短圓螺紋、偏梯形螺紋、直連型螺紋）和非API螺紋（特殊扣）。螺紋連接部分是套管柱中最薄弱的環(huán)節(jié)，據(jù)調(diào)查，油套管失效事故約64%發(fā)生在螺紋連接部位[5]，而油井管的連接一般采用螺紋連接方式。由于油井管使用的特殊性，要求油井管螺紋具備良好的密封性能和足夠的連接強(qiáng)度。一般來講，圓螺紋的連接強(qiáng)度為60%-80%[6]，隨著所用鋼級(jí)的提高，圓螺紋的連接強(qiáng)度還會(huì)下降。圓螺紋的連接強(qiáng)度較低，但較圓螺紋套管而言，偏梯螺紋和直連型螺紋的連接強(qiáng)度比圓螺紋要好。

API Std 5B[7]《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》指出：所謂緊密連接，是指連接處涂上高級(jí)螺紋脂作適當(dāng)機(jī)緊后，在環(huán)境溫度及規(guī)定的水壓試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)不泄漏。油井管的內(nèi)外螺紋應(yīng)進(jìn)行鍍銅或者磷化處理，以便減少磨損并提高接頭的抗泄漏性能。一般認(rèn)為，特殊螺紋的密封性能最好，圓螺紋次之，偏梯形螺紋相對(duì)較差。在生產(chǎn)過程中，判定油套管螺紋是否連接緊密，并滿足使用要求的辦法，目前還只能是進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。

2 缺陷原因分析及預(yù)防措施

2.1 管體本身缺陷

2.1.1 理化性能不符合要求

油井管的理化性能是判斷其質(zhì)量是否合格的重要依據(jù)，任何一項(xiàng)理化性能指標(biāo)出現(xiàn)問題，都可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全性帶來致命的威脅，因此在質(zhì)量控制過程中應(yīng)該格外重視。鋼的化學(xué)成分是影響油井管性能最主要的因素之一，也是制定軋管工藝參數(shù)和鋼管熱處理工藝參數(shù)的主要依據(jù)；鋼的理化性能主要取決于鋼的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、鋼的純凈度以及鋼的熱處理方式等。影響試驗(yàn)結(jié)果的因素，歸根結(jié)底主要有4點(diǎn)，即人的因素、試驗(yàn)設(shè)備因素、材料因素、取樣方式和試驗(yàn)方法。所以為了滿足油井管的質(zhì)量要求，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行工藝文件，采用科學(xué)的鋼種設(shè)計(jì)、提高冶煉水平、減少鋼種有害元素及非金屬夾雜物的含量，控制軋管和熱處理工序質(zhì)量，提高鋼管的綜合力學(xué)性能。

2.1.2 無損探傷不符合要求

油井管的無損檢測(cè)技術(shù)是保障產(chǎn)品出廠質(zhì)量的重要檢測(cè)手段之一，必須對(duì)鋼管進(jìn)行100%探傷。在探傷過程中應(yīng)該注意探頭的選擇、標(biāo)樣人工缺陷的尺寸、探傷方向、探傷速度、探傷靈敏度的設(shè)置和偽缺陷的辨別等問題。在機(jī)探時(shí)，對(duì)有疑議的管子應(yīng)該用手動(dòng)探傷方法進(jìn)行確認(rèn)，防止漏檢、誤判；有缺陷的管子要嚴(yán)格隔離，避免流入到下道工序；對(duì)于可修磨的缺欠，在修磨后還應(yīng)該進(jìn)行復(fù)探，復(fù)探合格且滿足壁厚要求后方可放行。

2.1.3 幾何尺寸超差

鋼管的幾何尺寸超差，主要是指經(jīng)過定（減）徑后的鋼管，其外徑、壁厚或者橢圓度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的尺寸和偏差要求（橢圓度超差見圖1）。鋼管的外徑精度是一個(gè)十分重要的指標(biāo)。造成外徑及橢圓度超差的主要原因有：①軋輥的輥縫過大（過?。┗蛘呖仔湾e(cuò)位。當(dāng)軋輥的輥縫過大（過?。┗蛘呖仔湾e(cuò)位時(shí)會(huì)改變孔型的尺寸和形狀，就有可能導(dǎo)致鋼管外徑超差或外形呈橢圓形。②軋輥的加工精度差或磨損嚴(yán)重。當(dāng)軋管出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損之后，鋼管的外徑會(huì)隨著孔型直徑的變大而變大，如果孔型的磨損是不均勻的，那么鋼管就會(huì)出現(xiàn)外形不圓的現(xiàn)象。③荒管溫度過高或過低等。荒管加熱溫度的高低會(huì)使金屬的變形抗力發(fā)生變化，鋼管的加熱溫度越高，金屬受膨脹后，鋼管的熱外徑就越大。

圖1 橢圓度超差

為了提高鋼管的外徑精度，減小橢圓度，應(yīng)該保證軋輥的精度和孔型的加工精度，使孔型尺寸和形狀符合工藝要求；嚴(yán)格按照工藝要求控制荒管的加熱溫度，提高鋼管沿軸向的溫度均勻性等。

2.1.4 通徑不合格

為了固井和下次鉆井的順利進(jìn)行，API Spec 5CT[2]規(guī)定對(duì)每根成品或半成品管都應(yīng)進(jìn)行全長通徑檢驗(yàn)。API Spec 5DP[3]規(guī)定對(duì)每根鉆桿進(jìn)行貫穿鉆桿接頭和加厚區(qū)的端部通徑檢驗(yàn)。鋼管的彎曲度超標(biāo)或鋼管內(nèi)表面存在嚴(yán)重的凸包，可造成通徑不合格；當(dāng)鋼管的外徑為負(fù)偏差，壁厚成正偏差時(shí)，此時(shí)鋼管的內(nèi)徑可能偏小，也是造成鋼管通徑不合格的重要原因。因此嚴(yán)格控制鋼管軋制過程中的精度和外觀質(zhì)量，可避免鋼管通徑不合格的現(xiàn)象。

2.2 表面缺陷

2.2.1 裂紋

在軋制過程中，當(dāng)變形量太大、孔型調(diào)整不當(dāng)或軋制工具表面磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使金屬變形不均勻，產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力和附加變形，特別是當(dāng)孔型頂部的金屬對(duì)孔型側(cè)壁處的金屬產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力超過金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，鋼管表面就會(huì)形成裂紋 （見圖2）。減少荒管壁厚不均及減小金屬不均勻變形，有利于減少荒管的表面裂紋[8]。

圖2 裂紋

2.2.2 矯凹

矯凹就是在鋼管外表面呈現(xiàn)出的螺旋凹入形狀（見圖3）。造成矯凹的主要原因是矯直機(jī)輥的角度調(diào)整不當(dāng)、壓入量較大和矯直輥的磨損嚴(yán)重等。設(shè)置合適的矯直輥角度和壓入量以及定期對(duì)矯直輥進(jìn)行維護(hù)，可有效避免矯凹的產(chǎn)生。

圖3 矯凹

2.2.3 內(nèi)折

內(nèi)折是指在鋼管的內(nèi)表面成片狀、直線狀或螺旋狀的折疊（見圖4）。內(nèi)折是斜軋穿孔中最容易發(fā)生的質(zhì)量缺陷，它與管坯的穿孔性能、穿孔機(jī)的孔型及穿孔工藝參數(shù)的調(diào)整和穿孔頂頭的質(zhì)量有十分密切的關(guān)系。采用連鑄坯軋制產(chǎn)生的內(nèi)折與中心疏松、芯部縮孔以及柱狀晶在鑄坯內(nèi)呈現(xiàn)的程度有關(guān)，相當(dāng)部分直線型內(nèi)折是由于磨損的芯棒造成的，由于芯棒表面嚴(yán)重磨損形成凹槽，在軋制時(shí)使鋼管內(nèi)表面形成縱向凸棱，再繼續(xù)軋制時(shí)凸棱被碾壓而形成線性折疊，線性內(nèi)折一般折疊部分較窄，容易修磨掉[9]。嚴(yán)格控制連鑄管坯的質(zhì)量，注意穿孔、軋制工具的使用可以有效預(yù)防內(nèi)折的產(chǎn)生。

圖4 內(nèi)折

2.2.4 外麻坑

外麻坑是指在鋼管表面某一區(qū)域呈片狀分布的麻點(diǎn)（見圖5）。產(chǎn)生這類缺陷的原因是由于鋼管加熱時(shí)間過長或加熱爐溫度過高，使鋼管表面產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化皮，在軋制時(shí)沒有除掉的氧化皮被壓入金屬表面，經(jīng)矯直后氧化皮脫落則形成麻坑。大面積麻坑的管子在長期服役過程中，由于腐蝕等破壞性條件的存在，麻坑會(huì)不斷擴(kuò)大，形成損壞源，影響管子的使用壽命。因此，應(yīng)該嚴(yán)格控制坯管的加熱時(shí)間和加熱溫度等，防止產(chǎn)生過多、過厚的氧化皮，從而避免產(chǎn)生麻坑。

2.2.5 劃（擦）傷

劃（擦）傷就是在鋼管外表面呈螺旋形或直線形溝狀缺陷的現(xiàn)象（見圖6）。產(chǎn)生劃（擦）傷的主要原因有兩點(diǎn)，一是機(jī)械劃傷，如輥道、傳送鏈和運(yùn)輸方面等；二是熱區(qū)再加熱爐爐內(nèi)輥道引起的劃傷，如軋輥磨損嚴(yán)重或軋縫有異物等。

2.3 螺紋缺陷

2.3.1 黑皮扣

黑皮扣是由于螺紋局部加工量太小而呈現(xiàn) “不光潔”的現(xiàn)象（見圖7）。這種現(xiàn)象與管子壁厚不均勻和橢圓度大有關(guān)。對(duì)于圓螺紋，在Lc至螺紋及消失點(diǎn)之間允許存在，Lc范圍內(nèi)不允許存在黑皮扣；對(duì)于偏梯形螺紋套管，在Lc長度范圍內(nèi)，允許存在兩牙黑皮扣，但黑皮扣的長度不能超過管子圓周的25%，在Lc長度的其他螺紋均應(yīng)是完整螺紋。

2.3.2 顫紋

顫紋表現(xiàn)為在螺紋表面可看到有明顯的水波樣反光，若用指甲輕刮，有跳動(dòng)感（見圖8）。它主要是由于工件中心與機(jī)床切削中心不同心或管子彎曲、主輔機(jī)不同心（吃刀太深、精車余量太多、刀臺(tái)發(fā)生振動(dòng)），切削刀具安裝高度與工件中心不符合，刀具切削刀過于尖銳，工件或刀具的高速振動(dòng)引起的。調(diào)整合適的主軸轉(zhuǎn)速和吃刀量等可防止顫紋的發(fā)生。

2.3.3 螺紋銹蝕

由于在切削后倒角面與螺紋面暴露出的夾雜物或氣泡，形成表面點(diǎn)狀坑或空穴，所以管子在存放時(shí)出現(xiàn)螺紋銹蝕（見圖9）。在Lc范圍內(nèi)，出現(xiàn)螺紋齒側(cè)的銹蝕、小麻點(diǎn)，或接箍螺紋上鍍層的脫落、銹蝕均不合格。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該把螺紋表面處理干凈后，再在整個(gè)螺紋表面上均勻的涂上螺紋脂，防止螺紋銹蝕。

2.3.4 亂扣

亂扣（見圖10）與加工刀具、數(shù)控程序切削過程有直接關(guān)系。產(chǎn)生亂扣的主要原因有：磨刀、換刀時(shí)沒有重新校對(duì)車刀；工件沒有夾緊，加工過程中工件在卡盤內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)或軸向移動(dòng)；車刀沒能緊固，加工中車刀在軸向方向上發(fā)生移動(dòng)，改變了車刀和工件原來的相對(duì)位置，造成亂扣。所以在車絲時(shí)注意檢查刀具及設(shè)備零部件運(yùn)轉(zhuǎn)情況，避免產(chǎn)生亂扣。

2.3.5 螺紋碰傷

在生產(chǎn)和成品運(yùn)輸以及存放過程中，螺紋表面由外物碰撞留下的尖銳性凹坑。在Lc范圍內(nèi)，若輕微凹坑不影響螺紋表面的連續(xù)性，則合格，較嚴(yán)重凹坑需進(jìn)行修磨或判廢。為了防止油井管裸露的螺紋被碰傷、壓壞和生銹等，除了生產(chǎn)時(shí)要保證絲扣不與堅(jiān)硬的物體發(fā)生碰撞外，還要在絲扣上帶螺紋保護(hù)器。

圖10 亂扣

2.3.6 螺紋參數(shù)超標(biāo)

螺紋參數(shù)包括齒高、螺距、錐度、緊密距等，這些參數(shù)對(duì)螺紋的連接強(qiáng)度和密封性能都會(huì)產(chǎn)生影響。螺紋的緊密距是各個(gè)單項(xiàng)參數(shù)的綜合值，即使各單項(xiàng)參數(shù)合格，其緊密距也有可能不合格。當(dāng)螺紋的緊密距不合格時(shí)，要分清是由于機(jī)械變形或者毛刺引起的，還是本身加工時(shí)就不合格。油套管或者鉆具的緊密距出現(xiàn)分歧時(shí)，用任一套合格校對(duì)規(guī)檢驗(yàn)合格后就算合格。在實(shí)際檢驗(yàn)中，鉆具螺紋鍍銅后與鍍銅前的緊密距范圍有所差別，API標(biāo)準(zhǔn)建議在鍍銅前測(cè)量，鍍銅后協(xié)商解決，鉆桿國外訂貨技術(shù)條件規(guī)定，鍍銅后的緊密距值僅作參考，不做判定依據(jù)。螺紋各項(xiàng)參數(shù)的精度，除了與螺紋的加工方法有關(guān)外，還與機(jī)床的精度、加工過程中的平衡性以及加工刀具的精度有關(guān)，要求選擇合適的刀具和切削參數(shù)，保證螺紋的精度和表面粗糙度，掌握好進(jìn)刀次數(shù)和進(jìn)刀量，這樣才能保證螺紋的加工質(zhì)量。

2.3.7 J值超標(biāo)

J值在API Std 5B中規(guī)定為“機(jī)緊后管端到接箍中心面的距離”。 J值是決定螺紋連接質(zhì)量的重要參數(shù)之一，可以通過檢驗(yàn)J值來判斷螺紋的上緊程度。螺紋接頭擰接的控制方法主要有三種：一是扭矩控制，達(dá)到設(shè)定的最佳扭矩；二是擰緊圈數(shù)控制，達(dá)到設(shè)定的機(jī)緊圈數(shù)；三是扭矩-圈數(shù)聯(lián)合控制。目前大多數(shù)生產(chǎn)廠均采用同時(shí)控制上扣扭矩和圈數(shù)的做法，這樣可以保證油套管接頭處于最佳的連接狀態(tài)。

3 結(jié) 語

隨著油井管使用環(huán)境惡劣化和井況的復(fù)雜化，油井管產(chǎn)品的可靠性、安全性至關(guān)重要，分析了油井管的質(zhì)量缺陷，并提出了預(yù)防措施。

（1）油井管的理化性能試驗(yàn)和無損檢測(cè)是保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要檢測(cè)手段，任何一項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)問題，都可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全性帶來致命的威脅，因此在質(zhì)量控制過程中應(yīng)該格外重視。

（2）裂紋、內(nèi)折、矯凹和外麻坑等表面缺陷在原料檢驗(yàn)、過程檢驗(yàn)和成品檢驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議，確保油井管的質(zhì)量。

（3）黑皮扣、顫紋、亂扣和螺紋參數(shù)超標(biāo)等螺紋缺陷將直接影響到產(chǎn)品可靠性，應(yīng)針對(duì)不同的缺陷類型找出其產(chǎn)生的原因從而及早采取對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。

[1]李鶴林，韓禮紅.芻議我國油井管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[J].焊管,2009,32 (4):5.

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[7]API Std 5B套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范[S].

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[9]莊鋼.連軋無縫鋼管產(chǎn)品缺陷(欠)分析[J].鋼管,2006,35(5):26-27.

Based on an introduction to the quality requirement of oil well pipes,it is pointed out there are quality defects of oil well pipes in the production,including the defects of pipe itself(such as the physical and chemical properties,nondestructive flaw detection,and geometric dimension errors and diameter that do not comply with the requirement and regulation)，surface defects(such as cracks,internal breaking,external pockmark and surface raw),and thread defects(such as black buckle,shivering thread,confused buckles and screw parameter beyond the standards).Then an analysis is carried out on the causes of quality defects,followed by the proposal of defect preventions and some countermeasures.

oil well pipe;quality requirement;quality defects;preventive measures

徐軻（1983-），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事石油管材的質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)工作。

張簫鈴

2011-07-25