韋 奉， 何石磊， 李遠(yuǎn)征， 梁 航， 李敬波

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 寶雞專用管分公司，陜西 寶雞721008）

BSG－65鋼級(jí)SEW石油套管的研制

韋 奉1,2， 何石磊1,2， 李遠(yuǎn)征1,2， 梁 航1,2， 李敬波3

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 寶雞專用管分公司，陜西 寶雞721008）

為了實(shí)現(xiàn)套管性能與成本的合理匹配，采用新型焊管熱機(jī)械控制工藝（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）開發(fā)了一種低能耗、輕量化的BSG－65鋼級(jí)Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。試驗(yàn)評(píng)價(jià)了試制套管的理化性能、全尺寸實(shí)物性能等多項(xiàng)性能。結(jié)果顯示，產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度平均值分別達(dá)到490 MPa和692 MPa，0℃時(shí)1/2尺寸母材和焊縫橫向沖擊功平均值分別達(dá)到42 J和35 J，螺紋連接強(qiáng)度平均值達(dá)1 706 kN，抗內(nèi)壓至失效強(qiáng)度平均值達(dá)77.6 MPa，抗外壓擠毀強(qiáng)度平均值達(dá)60.1 MPa，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。

套管；熱機(jī)械控制工藝；熱張力減徑電阻焊；BSG－65

Abstract:In order to achieve the reasonable matching of casing performance and cost,it adopted a new type of welded pipe thermal mechanical control process（thermal stretch-reducing+waste heat online fast cooling）to develop a low power consumption,light weight BSG-65 steel grade Φ139.7 mm×9.17 mm SEW casing.The experiment evaluated the physical and chemical properties of the trial-manufactured casing,full size physical performance and so on.The results showed that the average value of yield strength and tensile strength was 490 MPa and 692 MPa respectively；the average value of transverse absorbed energy for 1/2 size base metal and weld seam at 0℃ respectively reached 42 J and 35 J；the average strength of the threaded connection reached 1 706 kN；the average value of resistance to internal pressure to failure reached 77.6 MPa;the average value of resistance to external pressure to failure reached 60.1 MPa，the various property of product can meet relevant technical requirements.

Key words:casing;thermo mechanical control process;hot stretch-reducing electric welding;BSG－65

套管主要用于油田固井、采油和采氣，是油氣勘探開發(fā)的主要消耗材料，在石油工業(yè)發(fā)展中具有極其重要的地位，約占油氣井鉆采成本的20%~30%。相比于普通無(wú)縫油套管，以高壁厚均勻度的熱軋卷板為原料的熱張力減徑電阻焊（SEW）油套管，具有尺寸精度高（壁厚公差≤±4%t）、單井噸耗下降3%~8%、管材強(qiáng)韌性匹配好、抗擠性能優(yōu)、綜合成材率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)際油價(jià)長(zhǎng)期低迷的嚴(yán)峻形勢(shì)下，采用低能耗、輕量化、高性能的新型SEW油套管產(chǎn)品，將是油田降本增效、開發(fā)油氣資源、提升競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段之一。目前，國(guó)內(nèi)油田一般井深約2 400~3 000 m的油井或由于J55鋼級(jí)套管的連接強(qiáng)度不夠，注水井套管柱普遍采用N80鋼級(jí)套管或N80鋼級(jí)和J55鋼級(jí)套管組合。這給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)了操作不便、管理成本增加等問題，而采用N80鋼級(jí)套管又造成了強(qiáng)度富余的問題，變相增加了管材成本。

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)一些無(wú)縫管廠曾研制了介于J55和N80鋼級(jí)之間的65 ksi鋼級(jí)無(wú)縫石油套管，但普遍存在采用較高的碳及合金元素含量設(shè)計(jì)以及離線熱處理等方式提高強(qiáng)度而導(dǎo)致能耗及制造成本高、管材韌性低等問題[1-2]。為有效降低油田鉆采成本，提升管材質(zhì)量，并滿足井深約2 400~3 000 m的油井或注水井的鉆井、壓裂、采油、注水等作業(yè)需要，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司采用新型的焊管熱機(jī)械控制工藝（TMCP），即“高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻”，開發(fā)了低能耗、輕量化的BSG－65鋼級(jí)石油套管。

本研究針對(duì)BSG－65鋼級(jí)SEW石油套管開展了理化性能檢測(cè)和全尺寸實(shí)物性能試驗(yàn)研究。

1 原料成分設(shè)計(jì)

BSG－65鋼級(jí)SEW套管是以API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定的M65鋼級(jí)的力學(xué)性能指標(biāo)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并根據(jù)API SPEC 5B、API TR 5C3等標(biāo)準(zhǔn)[4-5]的相關(guān)公式計(jì)算出該鋼級(jí)套管的螺紋連接強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度等其他指標(biāo)要求，以Φ139.7 mm×9.17 mm規(guī)格的長(zhǎng)圓螺紋套管為例，具體要求見表1。

表1 BSG－65鋼級(jí)SEW套管的性能要求

根據(jù)所采用的新型焊管熱機(jī)械控制工藝（TMCP）特點(diǎn)，熱軋卷板原料經(jīng)鋼帶縱剪、成型焊接、中頻感應(yīng)加熱及熱張力減徑后，主要依靠余熱在線快速冷卻處理來(lái)細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性，同時(shí)可減少原料的合金元素含量、離線熱處理道次等，進(jìn)而降低綜合制造成本。結(jié)合BSG－65鋼級(jí)SEW套管的性能指標(biāo)要求，其原料采用經(jīng)濟(jì)型的中碳錳鋼熔煉成分設(shè)計(jì)（見表2）。

表2 BSG－65鋼級(jí)SEW套管用鋼的化學(xué)成分 %

C是鋼中最基本的強(qiáng)化元素，可溶解在鋼中，形成間隙固溶體，起固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)又是很強(qiáng)的淬透性元素，有利于顯著提高強(qiáng)度；但是，C含量過高會(huì)降低鋼的塑性和韌性，并引起焊接性能惡化。因此，將設(shè)計(jì)卷板的w（C）控制在0.28%~0.30%。Mn既能以固溶狀態(tài)存在，也可以進(jìn)入滲碳體中取代一部分Fe原子，起到固溶強(qiáng)化作用，還能形成硫化物，但含量過高容易引起嚴(yán)重的帶狀偏析，進(jìn)而導(dǎo)致在線快速冷卻過程，產(chǎn)生冷裂紋傾向的加大，因而為確保優(yōu)良的高頻焊接性能，將w（Mn）控制在0.80%~1.20%。所以，材料成分設(shè)計(jì)主要是經(jīng)濟(jì)型的中碳錳鋼，不刻意添加其他合金元素，以降低成本，同時(shí)控制卷板晶粒度在8級(jí)或更細(xì)，嚴(yán)格限制有害元素P和S含量，控制夾雜物及帶狀偏析的等級(jí)。

2 批量試制工藝

2.1 HFW管坯試制

將熱軋鋼卷經(jīng)縱剪、銑邊、排輥粗成型、精成型、高頻電阻焊接、焊縫超聲波探傷、定徑和飛鋸制成HFW毛坯管。試制工藝流程為：卷板—縱檢—拆卷—鋼帶對(duì)焊—粗成型—精成型—HFW焊接—焊縫超聲探傷—定徑—飛鋸。

2.2 管材熱張力減徑

采用中頻感應(yīng)裝置將HFW毛坯管快速加熱到管材的奧氏體化溫度，隨即進(jìn)入多道軋輥機(jī)組進(jìn)行全管體熱張力減徑，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)熱鋸得到所需外徑、壁厚和長(zhǎng)度的高溫（約800℃）熱張減管坯。試制工藝流程為：中頻感應(yīng)快速加熱—全管體熱張力減徑—旋轉(zhuǎn)熱鋸。

2.3 管材在線快速冷卻

將高溫?zé)釓垳p管坯旋轉(zhuǎn)，通過在線控制冷卻裝置快速冷卻至所需溫度，然后在冷床上空冷至室溫，得到套管管坯。具體試制工藝流程為：在線控制冷卻—冷床空冷。

3 組織性能分析

3.1 外觀尺寸

依據(jù)SY/T 6238.1—1996標(biāo)準(zhǔn)，采用外徑千分尺、壁厚測(cè)厚儀及普通長(zhǎng)度量具等對(duì)BSG－65鋼級(jí)套管的管體幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)位置如圖1所示，具體檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖1 管體幾何尺寸檢測(cè)位置示意圖

表3 BSG－65鋼級(jí)SEW套管的幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果

從表3可見，BSG－65鋼級(jí)SEW套管幾何尺寸精度高，壁厚均勻，其壁厚偏差和外徑偏差僅分別為0.22%~2.84%和0.59%~0.79%，完全滿足API SPEC 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)優(yōu)于同規(guī)格的無(wú)縫套管[6]，為提升管體的抗外擠性能和單井噸耗下降奠定了有利的基礎(chǔ)。

3.2 顯微組織

對(duì)3種不同狀態(tài)試驗(yàn)管的顯微組織進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察。圖2為HFW母管的顯微組織。從圖2可以看出，HFW管坯的母材組織為典型的鐵素體+珠光體組織且?guī)钇鲚^明顯，焊縫中心存在明顯的脫碳層且以鐵素體為主，熱影響區(qū)則出現(xiàn)了魏氏體組織和馬氏體、貝氏體等硬相混合組織。圖3為HFW母管經(jīng)熱張力減徑后直接空冷至室溫（即正火處理）的管體組織。從圖3可以看出，焊縫和熱影響區(qū)實(shí)現(xiàn)了明顯的組織優(yōu)化，其硬相組織轉(zhuǎn)變成了鐵素體+珠光體，進(jìn)一步縮小了與母材的差異，但鐵素體晶粒尺寸明顯粗化（晶粒度約為8~9級(jí)），體積分?jǐn)?shù)顯著增多，帶狀偏析依舊2.5~3級(jí)。圖4為HFW母管經(jīng)熱張力減徑和在線快速冷卻處理后的管體組織。從圖4可以看出，鐵素體晶粒細(xì)化并形成仿晶界網(wǎng)狀分布，珠光體的體積分?jǐn)?shù)增多，這是由于快冷工藝對(duì)奧氏體中的C、Mn等合金元素的擴(kuò)散進(jìn)行了有效抑制，從而使得未達(dá)到共析成分的奧氏體被快速過冷到偽珠光體區(qū)域，發(fā)生偽珠光體轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲得大量的“偽珠光體組織”[7-16]，同時(shí)還有效抑制了帶狀偏析。

圖2 HFW母管的顯微組織

圖3 高溫?zé)釓垳p管坯直接正火處理的顯微組織

圖4 高溫?zé)釓垳p管坯在線快速冷卻處理后的顯微組織

3.3 力學(xué)性能

利用設(shè)計(jì)成分生產(chǎn)的新型BSG－65鋼級(jí)SEW套管的力學(xué)性能見表4，顯微硬度檢測(cè)結(jié)果見表5。從表5可見，經(jīng)過新型的焊管熱機(jī)械控制工藝（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）制造的BSG－65鋼級(jí)SEW套管的母材、焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度接近一致，母材橫向和焊縫中心的沖擊值大幅超出標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率也達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的中上限水平。

表4 試驗(yàn)管坯的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表5 試驗(yàn)管坯顯微硬度檢測(cè)結(jié)果（HV10）

3.4 全尺寸實(shí)物性能

表6 試驗(yàn)管坯全尺寸實(shí)物性能檢測(cè)結(jié)果

表6所示為新型的BSG－65鋼級(jí)SEW套管的全尺寸實(shí)物性能，圖5為試樣管抗外壓擠毀試驗(yàn)形貌。從表6可以看出，該管材具有良好的使用性能，其螺紋連接強(qiáng)度、抗內(nèi)壓至失效強(qiáng)度和抗外壓至擠毀強(qiáng)度性能均超出指標(biāo)要求11%以上，有效保障了滿足工程的應(yīng)用需要。

圖5 試樣管抗外壓擠毀試驗(yàn)形貌

4 結(jié) 論

（1）BSG－65鋼級(jí)套管是介于API SPEC 5CT J55鋼級(jí)和N80鋼級(jí)之間的一種非API標(biāo)準(zhǔn)系列套管產(chǎn)品。

（2）采用熱機(jī)械控制工藝TMCP（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）制造的BSG－65鋼級(jí)套管的外觀尺寸、理化性能和全尺寸實(shí)物性能均滿足相關(guān)要求；同時(shí)，管體的焊縫、熱影響區(qū)和母材的組織性能接近一致，達(dá)到了工程無(wú)縫化水平。

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編輯：李紅麗

《中國(guó)焊管50年》征訂啟事

由中國(guó)金屬學(xué)會(huì)軋鋼學(xué)會(huì)第五屆焊管學(xué)術(shù)委員會(huì)組織編撰,《焊管》期刊社負(fù)責(zé)資料收集、整理、編輯,中國(guó)工程院李鶴林院士擔(dān)任主編，焊管制管企業(yè)和相關(guān)科研院所50余位學(xué)者、專家共同參與編寫的大型歷史文獻(xiàn)《中國(guó)焊管50年》，發(fā)行以來(lái)，受到廣大讀者的廣泛好評(píng)。

《中國(guó)焊管50年》充分展現(xiàn)了50年來(lái)中國(guó)焊管工業(yè)的發(fā)展歷程及所取得的輝煌成就；真實(shí)記載了我國(guó)焊管產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、材料、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測(cè)及控制技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用的發(fā)展過程；客觀反映了我國(guó)焊管行業(yè)的現(xiàn)狀；科學(xué)分析了未來(lái)我國(guó)及國(guó)際焊管工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。它既是一部我國(guó)焊管工業(yè)的發(fā)展史，同是又是一部焊管行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)行教科書。

《中國(guó)焊管50年》全書約100萬(wàn)字，定價(jià)200元（含郵資），可直接與《焊管》期刊社聯(lián)系訂購(gòu)。

聯(lián)系人：謝淑霞 聯(lián)系電話：0917－3398448

Development of BSG－65 Grade SEW Petroleum Casing

WEI Feng1,2， HE Shilei1,2， LI Yuanzheng1,2， Liang Hang1,2， Li Jingbo3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008，Shaanxi， China； 2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co．， Ltd．， Baoji 721008， Shaanxi， China；3.Baoji OCTG Company of Baoji BSG Group,Baoji 721008， Shaanxi， China）

TE931.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.004

2017－03－15

韋 奉（1977—），男，碩士，工程師，主要從事新型油氣管材及制造工藝技術(shù)研究工作。