田永吉， 蘇 琬， 張 驥， 陳浩明

（寶雞鋼管西安石油專用管公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

高頻焊熱張力減徑 （hot stretch-reducing electric welding， 簡稱SEW） 套管產(chǎn)品具有幾何尺寸精度高、 強(qiáng)韌性好、 抗擠毀性能優(yōu)異等特點(diǎn)， 比無縫高抗擠套管具有更大的優(yōu)勢。 為滿足油田需求設(shè)計(jì)開發(fā)了BSG110T SEW高抗擠套管，前期設(shè)計(jì)及小批量生產(chǎn)順暢， 質(zhì)量比較穩(wěn)定，但在工廠批量生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)焊管母材開裂、 成型焊接控制不穩(wěn)定、 加熱時(shí)彎曲、 變形、 軋輥異常損壞等問題， 這些問題主要是由于原料卷板強(qiáng)度高、 韌性低、 冷彎不合格以及板型差等原因造成的。

為解決生產(chǎn)中的問題， 在P110 鋼級(jí)SEW套管力學(xué)性能及抗擠毀強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證， 發(fā)現(xiàn)采用P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板生產(chǎn)BSG110T 高抗擠套管具有可行性，產(chǎn)品可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 BSG110T SEW高抗擠套管生產(chǎn)工藝優(yōu)化

1.1 原料卷板優(yōu)化試驗(yàn)

1.1.1 原料卷板設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)SEW 焊管生產(chǎn)線設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)要解決HFW 制管中出現(xiàn)的問題，包括母材開裂、 成型焊接控制不穩(wěn)定、 加熱時(shí)彎曲、 變形及軋輥異常損壞等， 必須對(duì)原料卷板力學(xué)性能、 非金屬夾雜物、 晶粒度等進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)需要充分考慮制管設(shè)備的生產(chǎn)能力， 參照Q/SY BG 4007—2012 《高頻焊熱軋 （SEW） 鋼管用鋼帶訂貨技術(shù)條件》[1]， 原料卷板性能設(shè)計(jì)目標(biāo)見表1。

表1 卷板性能控制目標(biāo)

1.1.2 設(shè)計(jì)卷板的性能檢測

經(jīng)過對(duì)SEW 套管卷板檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板性能非常接近此次工藝試驗(yàn)的要求， 因此確定采用P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。

按照P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板技術(shù)要求試制了5 爐卷板， 對(duì)訂貨的5 爐卷板進(jìn)行入廠性能檢驗(yàn)， 檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2 可以看出， 試制原料卷板的屈服強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度和非金屬夾雜等指標(biāo)均滿足并優(yōu)于試制對(duì)原料的要求， 可進(jìn)行下一步HFW 鋼管試制。

表2 試驗(yàn)卷板入廠性能檢測結(jié)果

1.1.3 HFW 焊管試制

參照BSG110T SEW 高抗擠套管技術(shù)要求， 設(shè)定HFW 管坯幾何精度控制目標(biāo)， 具體要求見表3。

在HFW 生產(chǎn)線采用試制的5 爐原料進(jìn)行縱剪、 焊接、 熱張力減徑和精整等工序， 生產(chǎn)出合格的Φ139.7 mm×10.54 mm HFW 管坯， 生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。

表3 HFW 管坯精度控制目標(biāo)

由表4 數(shù)據(jù)可以看出， 試制原料在HFW制管生產(chǎn)中適應(yīng)性優(yōu)良、 焊縫探傷及金相評(píng)定合格。 生產(chǎn)的管坯外徑為139.7～141.1 mm， 公差控制范圍在0.3%D～0.7%D； 壁厚為10.54～11.85 mm， 公 差 控 制 范 圍 在+1.9%t ～+9.6%t。管坯各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足且優(yōu)于設(shè)定的目標(biāo)要求，生產(chǎn)順暢， 可進(jìn)行下一步熱處理工藝試制， 驗(yàn)證熱處理后管坯的性能。

表4 Φ139.7 mm×10.54 mm HFW 管坯生產(chǎn)數(shù)據(jù)

1.2 熱處理工藝

1.2.1 BSG110T SEW高抗擠套管目標(biāo)值

參照Q/SY BG 1027—2017 《高頻焊熱張減高抗擠套管》[2]和API SPEC 5CT[3]標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求， 設(shè)定熱處理后BSG110T SEW 套管性能目標(biāo)， 具體指標(biāo)見表5。

表5 熱處理后BSG110T SEW 套管性能目標(biāo)

1.2.2 熱處理分組試制工藝

為了更合理地制定該鋼種的熱處理工藝， 參照鋼材熱處理工藝設(shè)計(jì)[4]、 鋼的熱處理[5]、 鋼的熱處理工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[6]、 材料科學(xué)基礎(chǔ)[7]等文獻(xiàn)， 同時(shí)借鑒熱處理工藝規(guī)范與數(shù)據(jù)手冊(cè)[8]以往SEW 套管熱處理經(jīng)驗(yàn)， 確定分4 組進(jìn)行熱處理試制， 試制工藝參數(shù)見表6。

表6 熱處理工藝參數(shù)

1.2.3 工藝試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)采用HFW 制管生產(chǎn)的Φ139.7 mm×10.54 mm SEW 套管， 按照表6 確定的四種工藝分組進(jìn)行了BSG110T 高抗擠套管熱處理工藝試制。

（1） 淬透性。 淬透性試驗(yàn)在遠(yuǎn)離淬火端處取樣， 硬度測試位置如圖1 所示， 四個(gè)象限的淬透性檢測結(jié)果見表7。

圖1 硬度測試位置示意圖

（2） 金相組織。 分別對(duì)原料套管管體母材、淬火后管體母材、 回火后管體母材取樣進(jìn)行了金相檢測。 熱處理前母材組織形貌如圖2 所示， 淬火后母材金相組織形貌如圖3 所示， 回火后母材金相組織形貌如圖4 所示。 從圖2～圖4 可以看出， 淬火后組織為馬氏體， 回火后組織為回火索氏體。

表7 淬透性檢測結(jié)果

圖2 熱處理前母材金相組織

圖3 淬火后母材金相組織

圖4 回火后母材金相組織

（3） 壓扁試驗(yàn)。 對(duì)四組試樣分別在頭、 尾取200 mm 的管環(huán)進(jìn)行壓扁試驗(yàn)， 壓至117.8 mm 平行板間距， 未出現(xiàn)開裂或斷裂， 壓扁至相對(duì)接觸，未出現(xiàn)不良的組織結(jié)構(gòu)、 焊縫未熔合、 分層、 金屬過燒或擠出金屬等現(xiàn)象， 壓扁全部合格。

（4） 力學(xué)性能。 按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)熱處理后管材取樣進(jìn)行母材拉伸、 母材沖擊和焊縫沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 熱處理后管材力學(xué)性能檢測結(jié)果

（5） 非金屬夾雜及晶粒度。 分別對(duì)4 組試樣取樣進(jìn)行了晶粒度和非金屬夾雜檢測試驗(yàn)， 檢測試驗(yàn)結(jié)果全部合格， 各分組晶粒度和非金屬夾雜檢測數(shù)據(jù)見表9。

（6） 殘余應(yīng)力。 在力學(xué)性能合格的第2 組工藝試驗(yàn)管中隨機(jī)抽取一根試驗(yàn)管， 參照API 5C3[9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了殘余應(yīng)力檢測， 檢測數(shù)據(jù)見表10。

（7） 抗擠毀性能。 在進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測的套管上取樣進(jìn)行全尺寸外壓擠毀試驗(yàn)， 檢測數(shù)據(jù)見表11。

表9 各分組晶粒度和非金屬夾雜檢測數(shù)據(jù)

表10 殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

表11 抗擠毀試驗(yàn)檢測結(jié)果

1.2.4 工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

由分組試制檢測結(jié)果可以看出， 四組工藝試樣淬火后淬透性指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 熱處理后四組試樣金相組織為回火索氏體， 壓至117.8 mm平行板間距未出現(xiàn)開裂或斷裂， 壓扁全部合格，晶粒度和非金屬夾雜均符合目標(biāo)要求。 四組試樣中第2 組、 第3 組工藝試樣力學(xué)性能滿足設(shè)定目標(biāo)， 第1 組工藝試樣屈服強(qiáng)度高于目標(biāo)值， 第4組工藝試樣屈服強(qiáng)度低于目標(biāo)值； 第2 組工藝試樣殘余應(yīng)力及抗擠毀試驗(yàn)結(jié)果均符合目標(biāo)要求。

由此可見， 除第1 組、 第4 組試樣管坯性能超出標(biāo)準(zhǔn)范圍外， 按照第2 組、 第3 組工藝進(jìn)行熱處理生產(chǎn)均可得到符合設(shè)定目標(biāo)要求的BSG110T 鋼 級(jí)SEW 高 抗 擠 套管。 因 此， 采 用P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板生產(chǎn)的管坯通過熱處理生產(chǎn)BSG110T 鋼級(jí)SEW 高抗擠套管工藝是可行的， 可進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證。

2 熱處理批量生產(chǎn)驗(yàn)證

2.1 批量生產(chǎn)工藝確定

對(duì)比分組工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出， 第2 組熱處理工藝生產(chǎn)的管坯性能最穩(wěn)定， 各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)，因此可以采用第2 組熱處理工藝進(jìn)行小批量試制。但考慮到第2 組工藝試樣力學(xué)性能稍微偏高， 借鑒以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)， 將回火溫度提高10 ℃， 最終確定進(jìn)行小批量試制的熱處理工藝見表12。

表12 小批量試制熱處理工藝

2.2 批量生產(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果

將HFW 焊管試制的Φ139.7mm×10.54mm SEW 管坯按照表12 的熱處理工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)驗(yàn)證， 熱處理后對(duì)管坯性能進(jìn)行檢測。

（1） 力學(xué)性能。 按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試制SEW管坯取樣進(jìn)行了母材拉伸、 母材沖擊、 焊縫沖擊試驗(yàn)， 檢測結(jié)果見表13。

（2） 壓扁試驗(yàn)。 對(duì)批量生產(chǎn)管坯按照標(biāo)準(zhǔn)要求每20 根進(jìn)行壓扁試驗(yàn)， 300 組試樣壓至117.8 mm 平行板間距， 未出現(xiàn)開裂或斷裂， 壓扁至相對(duì)接觸， 未出現(xiàn)不良的組織結(jié)構(gòu)， 焊縫未熔合、 分層、 金屬過燒或擠出金屬等現(xiàn)象， 壓扁試驗(yàn)全部合格。

（3） 非金屬夾雜及晶粒度。 對(duì)批量生產(chǎn)管坯按爐取樣進(jìn)行了晶粒度和非金屬夾雜檢測， 檢測結(jié)果見表14， 檢測結(jié)果全部合格。

表13 批量試制的SEW 套管力學(xué)性能檢測結(jié)果

（4） 殘余應(yīng)力。 按照標(biāo)準(zhǔn)抽樣進(jìn)行環(huán)向平均殘余應(yīng)力檢測， 檢測結(jié)果見表15， 檢測結(jié)果全部合格。

（5） 抗擠毀性能。 按照標(biāo)準(zhǔn)取樣進(jìn)行全尺寸外壓擠毀試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表16， 抗擠毀試驗(yàn)合格。

表14 批量生產(chǎn)套管晶粒度和非金屬夾雜檢測數(shù)據(jù)

表15 批量生產(chǎn)套管殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

表16 批量生產(chǎn)套管抗擠毀試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)

（6） 靜水壓、 全長通徑試驗(yàn)。 按照標(biāo)準(zhǔn)要求逐根對(duì)生產(chǎn)的Φ139.7 mm×10.54 mm BSG110T SEW 套管進(jìn)行靜水壓及全長通徑試驗(yàn)， 套管在規(guī)定的壓力試驗(yàn)過程中未滲漏， 水壓檢測全部合格， 具體試驗(yàn)結(jié)果見表17。

靜水壓試驗(yàn) 全長通徑試驗(yàn)水壓壓力/MPa 保壓時(shí)間/s 判定 通徑頭直徑/mm 判定Φ139.7×10.54 BSG110T 逐根 103 10 合格 ≥115.4 合格規(guī)格/mm×mm 鋼級(jí) 檢驗(yàn)頻次

2.3 批量生產(chǎn)檢驗(yàn)結(jié)果及分析

在批量生產(chǎn)時(shí)工廠生產(chǎn)順暢、 工藝穩(wěn)定， 對(duì)熱處理后套管進(jìn)行性能檢測， 所有檢驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的要求， 性能穩(wěn)定，該工藝可以生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的Φ139.7 mm×10.54 mm BSG110T SEW 高抗擠套管。

3 結(jié) 論

（1） P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板在HFW 制管生產(chǎn)中焊接適應(yīng)性優(yōu)良、 焊縫探傷及金相評(píng)定合格， 生產(chǎn)的管坯外徑公差控制在0.3%D～0.7%D、壁厚公差控制在+1.9%t～+9.6%t， 各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足且優(yōu)于設(shè)定的目標(biāo)要求， 生產(chǎn)順暢， 解決了HFW制管生產(chǎn)中母材開裂頻發(fā)、 成型焊接控制不穩(wěn)定、加熱時(shí)彎曲、 變形以及軋輥異常損壞等問題。

（2） 采用P110 鋼級(jí)SEW 套管原料卷板生產(chǎn)的Φ139.7 mm×10.54 mm SEW 管坯采用熱處理調(diào)質(zhì)可生產(chǎn)出合格的BSG110T 高抗擠套管， 生產(chǎn)工藝穩(wěn)定， 熱處理后產(chǎn)品達(dá)到了BSG110T 高抗擠套管設(shè)定目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的要求， 抗擠毀性能優(yōu)良。