張仁勇，施岱艷，陳 軍，陳勇彬，張金鐘

（1.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，成都610017；2.中國石油天然氣集團公司石油管力學和環(huán)境行為重點實驗室，成都610017；

①3.勝利油田河口采油廠地質(zhì)研究所，山東東營257000）

Cr12MoV膨脹錐在管材膨脹試驗中的應(yīng)用

張仁勇1，2，施岱艷1，2，陳 軍3，陳勇彬1，2，張金鐘1，2

（1.中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，成都610017；2.中國石油天然氣集團公司石油管力學和環(huán)境行為重點實驗室，成都610017；

①3.勝利油田河口采油廠地質(zhì)研究所，山東東營257000）

膨脹錐是膨脹工具的核心部分，對膨脹管技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展意義重大。選用模具鋼Cr12MoV為基材，設(shè)計加工了小錐度（6°）的膨脹錐，采用自上而下的膨脹工藝對J55套管和316L不銹鋼管進行徑向膨脹。試驗結(jié)果表明：經(jīng)過1 020℃淬火＋160℃低溫回火處理后，Cr12MoV膨脹錐滿足工作要求，并順利完成對J55套管和316L不銹鋼管的徑向膨脹；2種管材的平均膨脹率分別為9.33%和9.05%，其長度減小幅度分別約為4.4%和3.6%，J55套管的回彈率要略大于316L不銹鋼管。

膨脹錐；Cr12MoV；膨脹試驗；膨脹管

膨脹管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)中［1－2］，已解決了不少工程難題，被譽為是21世紀石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一。膨脹工具是膨脹管技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，膨脹錐的材質(zhì)、形狀尺寸、表面狀態(tài)等因素對膨脹管的質(zhì)量有很大影響。目前，對于自行設(shè)計加工膨脹錐用于管材膨脹試驗的報道較少，大部分都是進行軟件模擬或優(yōu)化設(shè)計方面的研究［3－4］。筆者參考相關(guān)資料，選擇模具鋼Cr12MoV作為基材，設(shè)計加工膨脹錐，并成功對J55套管和316L不銹鋼管進行了徑向膨脹，為膨脹錐的選材、設(shè)計加工以及管材膨脹試驗的進行提供參考依據(jù)。

1 膨脹錐的設(shè)計與加工

1.1 結(jié)構(gòu)及參數(shù)

根據(jù)金屬冷拔加工的經(jīng)驗和現(xiàn)有膨脹工具的設(shè)計，無論何種膨脹芯頭，其工作的核心部分都應(yīng)該是錐形結(jié)構(gòu)，這樣可有效減少與套管的接觸面積，降低摩擦阻力。目前的膨脹錐主要有單級、多級和變徑膨脹3種，本文主要針對單級膨脹錐進行討論，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單級膨脹錐結(jié)構(gòu)

在膨脹作業(yè)過程中，膨脹區(qū)給管子內(nèi)壁施加壓力使其發(fā)生塑性變形，定徑區(qū)把剛發(fā)生塑性變形的管體擴大到需要的尺寸，還能有效防止管壁發(fā)生大幅度的回彈。導向區(qū)的主要作用是引導膨脹錐直線前進，對即將進入膨脹區(qū)的管體起導向作用，以防管材在膨脹過程中發(fā)生較大幅度的彎曲而導致膨脹過程無法順利進行；另一個作用是把潤滑劑帶入膨脹區(qū)以減小摩擦阻力。膨脹錐的參數(shù)關(guān)系式為

式中，α為膨脹錐的錐度；l2為膨脹區(qū)長度，mm；D2為定徑區(qū)的直徑，mm；D1為導向區(qū)的直徑，mm。

導向區(qū)的直徑D1略小于管子原始內(nèi)徑d。根據(jù)金屬塑性加工學原理，如果是經(jīng)過退火處理的膨脹管，應(yīng)滿足d－D1≥0.8［5］，定徑區(qū)的長度可在一定范圍內(nèi)波動。但若是定徑區(qū)過長，與管壁的接觸面積會越大，摩擦也越大，綜合考慮將定徑區(qū)長度定為15mm，導向區(qū)長度為15mm，膨脹錐兩端的倒角均為45°。

膨脹錐的錐度α是一個非常重要的幾何參數(shù)，其大小直接關(guān)系到膨脹力的大小，還會影響到膨脹以后管子內(nèi)壁的表面質(zhì)量和管柱的力學性能，其選擇標準［6－7］為：

1） 有利于管子軸線與芯頭軸線重合，保持膨脹力方向正確。

2） 盡量減小膨脹力，降低能耗。

3） 保證變形區(qū)內(nèi)金屬的流動順暢。

4） 能有效減小膨脹過程中的接觸應(yīng)力，降低膨脹后套管內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

本文根據(jù)大量錐角優(yōu)化分析的文獻及專家建議，最終采用小角度錐角（α＝6°）。本試驗需把管材的內(nèi)徑由100mm增大到約110mm，D1的取值范圍為D1≤99.2mm，由于管材本身存在不圓度，D1的取值為97mm，取D2為111mm，計算可得膨脹區(qū)長度l2＝66.60mm。

1.2 材料選擇

在膨脹過程中，膨脹錐受到巨大的界面應(yīng)力和摩擦力，錐體材料的選擇至關(guān)重要，必須具有極高的硬度和強度、高的耐磨性、良好的韌性和抗熱變形能力，同時還要具有適宜的摩擦因數(shù)?？蛇x擇金剛石、低合金超高強度鋼、硬質(zhì)合金和高碳高鉻模具鋼等材料來制造膨脹錐。借鑒成都油缸廠長期對油缸膨脹的實踐經(jīng)驗［8］，綜合考慮后決定選用Cr12MoV作為膨脹錐的基材，其化學成分如表1所示。

表1 試驗用Cr12MoV化學成分wB%

1.3 熱處理

Cr12MoV鋼常采用的熱處理工藝分一次硬化法和二次硬化法2種：一次硬化法主要采用較低的淬火溫度和低溫回火，淬火加熱溫度在980～1 100℃，回火溫度為150～170℃，硬度可以達到61～63HRC，殘余奧氏體量少；二次硬化法是采用較高的淬火溫度然后進行多次高溫回火，相比之下，普遍采用一次硬化法［9］。本試驗中，首先對工件進行預熱處理，500℃保溫0.5h，這樣可以避免溫度驟變引起工件變形，還可以減少碳化物的不均勻分布，為后續(xù)的淬火、回火處理提供良好的原始組織［10］。Cr12MoV鋼的淬火工藝為在1 020℃保溫40min，油淬。由于淬火溫度過高會導致碳化物過度溶解使奧氏體變得很穩(wěn)定，在淬火的過程中不發(fā)生轉(zhuǎn)變而作為殘留奧氏體保留下來，只能得到少量粗大馬氏體，殘余奧氏體很軟，組織不均勻，鋼的硬度會降低［11］。低溫回火工藝為在160℃保溫2h，膨脹錐的熱處理工藝如圖2所示。經(jīng)過以上熱處理工藝后，Cr12MoV鋼的組織為細粒狀珠光體＋碳化物，實測洛氏硬度達到60HRC。對熱處理后的膨脹錐進行表面磨光，粗糙度為0.8。本試驗加工的膨脹錐如圖3所示。

圖2 Cr12MoV膨脹錐的熱處理工藝

圖3 Cr12MoV膨脹錐

2 膨脹試驗

2.1 試驗材料

J55鋼是石油工業(yè)中常用的套管鋼種之一，其用量約達石油套管總量的1／2。316L是低碳奧氏體不銹鋼，由于具有良好的力學性能、焊接性能和耐蝕性能而常用于制造石油化工行業(yè)中的容器、管道等。從J55套管和316L不銹鋼管上各截取2節(jié)管材，打磨端面，分別編號1＃、2＃待用。

2.2 試驗方法

選用Cr12MoV膨脹錐，采用自上而下的膨脹方式，通過YQ41型單臂液壓機完成2種管材的徑向膨脹（如圖4所示）。液壓機底座固定，壓頭向下施加與管子軸向一致的載荷，膨脹錐在導向區(qū)段的引導下緩慢進入管子，管子在巨大的接觸應(yīng)力下開始膨脹。在膨脹試驗前，對2＃管子進行潤滑處理，1＃管子只清除管壁內(nèi)的雜質(zhì)。

圖4 膨脹示意圖

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 確定膨脹率

套管膨脹后，徑向增大幅度叫做膨脹的變形程度，也叫做膨脹率，用膨脹系數(shù)E表示為

式中，DE為管材膨脹后的內(nèi)徑，mm；D為管材膨脹前的內(nèi)徑，mm。

可以看出，E值越大，膨脹變形程度就越大。顯然當變形程度超過材料本身的極限時，管材就會發(fā)生破裂，所以每種材料都存在一個極限值Emax，即管材自身的最大允許膨脹率。為避免管材因為膨脹程度過大而引起裂紋甚至破裂，本試驗設(shè)定的膨脹率約為10%，具體試驗數(shù)值如表2。J55套管膨脹管膨脹前后實物如圖5所示。

表2 試驗用J55套管和316L不銹鋼管膨脹前后的參數(shù)

圖5 J55套管膨脹前后實物

2.3.2 管材的長度變化

2種管材經(jīng)膨脹后，其長度的變化情況如表3所示。由于內(nèi)徑的增大，材料在長度和厚度方面的消耗用于增加管體的容積。J55套管長度的減小幅度約為4.4%，要略大于316L不銹鋼管的縮短比例。

表3 試驗用J55套管和316L不銹鋼管的長度變化

2.3.3 管材的回彈

由于殘余應(yīng)力的存在，管材膨脹后會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，膨脹錐定徑區(qū)經(jīng)過后的管體部分內(nèi)徑會縮小。由于內(nèi)表面的壓應(yīng)力和外表面的次生拉應(yīng)力消失，管材就發(fā)生了彈性回復［12－13］。本試驗中，膨脹錐定徑區(qū)的實測平均值為?111.16mm，根據(jù)試驗結(jié)果得出管材的回彈率，如表4所示。2種管材的2＃管樣的回彈率都低于1＃管樣，是由于2＃管樣均經(jīng)過潤滑處理使膨脹過程更易進行，變形程度更均勻，所以殘余應(yīng)力更小。

表4 J55套管和316L不銹鋼管的回彈率

3 結(jié)論

1） 選用Cr12MoV作為膨脹錐的材料，經(jīng)過1 020℃淬火＋160℃低溫回火處理后，其性能滿足對膨脹錐的要求。

2） 試驗采用小錐度的膨脹錐，順利完成了對J55套管和316L不銹鋼管的徑向膨脹，平均膨脹率分別為9.33%和9.05%。

3） 膨脹以后，J55套管和316L不銹鋼管的長度減小幅度分別約為4.4%和3.6%，前者的回彈率要略大于后者。

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Application of Cr12MoV Expansion Cone in the Experiment to Expand Tubing

ZHANG Ren-yong1，2，SHI Dai-yan1，2，CHEN Jun3，CHEN Yong-bin1，2，ZHANG Jin-zhong1，2
（1.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Southwest Company，Chengdu610017，China；2.The CNPC Key Laboratory for Mechanical and Environmental Behavior of Tubular Goods，Chengdu610017，China；3.Institute of Geology in Hekou Oil Production Plant，Shengli Oilfield，Dongying257000，China）

Expansion cone is the core part of expansion tool，it is significant to expansion tubing technology.The die steel Cr12MoV was chosen as the substrate，an expansion cone with small cone angle（6°）was designed and processed.The J55casing and 316Lstainless steel tube were radial swelled by top-down expandable craft.The test result shows：the expansion cone made by Cr12MoV meets the job requirements after the heat treatments that quenched at 1 020℃and tempered at 160℃.The experiment to expand J55casing and 316Lstainless steel tube was completed successfully.The average expansion ratio of J55casing and 316Lstainless steel tube are 9.33%and 9.05%，the length of them decrease about 4.4%and 3.6%.The rebound ratio of J55 is more than the 316Lstainless steel tube’s.

expansion cone；Cr12MoV；expansion experiment；expandable tubular

TE931.2

A

1001-3482（2012）05-0048-04

2011-11-21

張仁勇（1984-），男，四川德陽人，碩士，主要從事油氣田材料應(yīng)用和腐蝕防護研究，E-mail：zhangreny84＠126.com。