薛自建，蘇金洋，王雪玲，楊富榮，王海東，花志斌

（1.華油一機(jī)(河北)油井管有限公司；2.河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司，河北 青縣 062658）

1 前言

HFW（High-Frequency Electric Resistance Welding）套管，是指通過高頻電阻焊接工藝制造而成的直縫焊接套管。與無(wú)縫套管相比，HFW 套管的優(yōu)勢(shì)在于：（1）HFW管是用經(jīng)過TMCP方式軋制的鋼板焊接而成，鋼板的組織均勻。（2）抗擠壓及抗爆性能好，與同類API無(wú)縫套管相比，HFW套管抗擠壓強(qiáng)度高30%～40%，抗爆性能(內(nèi)壓強(qiáng))高50%左右。（3）直徑精確度高，HFW鋼管采用冷彎成型，通過0.6%減徑完成定徑，其工藝過程溫度基本恒定在室溫，因而外徑控制準(zhǔn)確、波動(dòng)范圍小，在加工過程中有利于杜絕黑皮扣；而無(wú)縫鋼管采用熱軋成型工藝，鋼管原材料成分、冷卻條件以及軋輥的冷卻狀態(tài)等對(duì)其外徑都有較大影響，因而外徑控制難以準(zhǔn)確，且波動(dòng)范圍較大。（4）直線度好，HFW鋼管屬于冷加工，且在減徑的狀態(tài)下帶有在線矯直，加上是無(wú)限倍尺，故直線度較好；無(wú)縫鋼管在塑性狀態(tài)下成型，加上單倍尺（連軋為3～4倍尺）管端直線度相對(duì)難以控制。（5）壁厚均勻度高，HFW鋼管采用熱軋帶卷為原材料，現(xiàn)代熱連軋厚度公差可以控制在0.05mm內(nèi)，而無(wú)縫鋼管采用圓鋼穿孔方式生產(chǎn)，壁厚偏差較大，隨后的熱軋可以部分消除壁厚不均勻性，但目前最先進(jìn)的機(jī)組只能控制在±5～10%t，例如，對(duì)應(yīng)于8.94mm厚度的鋼管，無(wú)縫鋼管壁厚控制精度的極限是0.9mm。（6）價(jià)格低，HFW套管生產(chǎn)效率高，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)能耗低；HFW套管成材率為93%～98%，而無(wú)縫套管的成材率85%～90%，HFW套管整個(gè)項(xiàng)目投資也比無(wú)縫套管項(xiàng)目低40%。根據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)HFW石油專用管比同鋼級(jí)、同規(guī)格的無(wú)縫管價(jià)格便宜15%左右。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，70%的套損事故是由于套管擠毀變形造成的，造成套管擠毀的主要原因是套管的抗擠強(qiáng)度不足以抵抗復(fù)雜地質(zhì)載荷作用。隨著塔里木油田山前地區(qū)、四川龍崗地區(qū)、新疆南緣地區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)塊油氣資源的勘探開發(fā)，對(duì)套管的抗擠性能提出了更高要求，抗擠性能明顯優(yōu)于無(wú)縫套管的HFW套管的研究開發(fā)是解決這一問題的有效途徑。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)使用的HFW套管絕大部分僅限于H40、J55等低鋼級(jí)套管。較高鋼級(jí)和高鋼級(jí)HFW套管的生產(chǎn)和使用還存在一些技術(shù)上的難題，為了改善套管抗擠性能，減少套損事故的發(fā)生，同時(shí)降低石油鉆采成本，我們進(jìn)行了N80鋼級(jí)HFW套管的研制開發(fā)。

2 研制過程

N80鋼級(jí)套管的力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度為552～758MPa，抗拉強(qiáng)度≥689MPa。為達(dá)到N80鋼級(jí)套管的力學(xué)性能，需要對(duì)HFW套管的材料化學(xué)成分及HFW套管的熱處理工藝進(jìn)行研究。

對(duì)于低鋼級(jí)如J55的HFW套管焊接與成型已經(jīng)不存在問題，目前國(guó)內(nèi)能夠制造此類鋼管的廠家很多，質(zhì)量也可以保證，所以加工企業(yè)也不存在技術(shù)上的難題。但對(duì)于較高鋼級(jí)的N80HFW套管來(lái)講，為了保證最終的強(qiáng)度、韌性、硬度等方面的要求，相應(yīng)地要提高材質(zhì)中碳的含量及添加適當(dāng)?shù)奈⒘炕瘜W(xué)元素，當(dāng)碳含量提高到0.3%以上時(shí)，采用常規(guī)的高頻感應(yīng)方法就有一定的困難，因此，在確定材料的化學(xué)成分時(shí)，需要考慮材料的焊接性。我們?cè)贘55鋼級(jí)HFW套管材料的基礎(chǔ)上對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整，確定了材料的化學(xué)成分。

由于材料的含碳量較低，需要通過熱處理的方法達(dá)到N80鋼級(jí)套管要求的力學(xué)性能。根據(jù)材料的化學(xué)成分，我們選擇了三種熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)：

工藝1：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度620℃，保溫30min。

工藝2：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度570℃,保溫30min。

工藝3：淬火溫度910℃，保溫40min；回火溫度480℃,保溫：30min。

根據(jù)確定的三種工藝，制作了三段500mm長(zhǎng)的樣管，在箱式爐中進(jìn)行了熱處理。熱處理后的試樣力學(xué)性能見表1。

表1 箱式爐試樣試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，工藝二達(dá)到了N80鋼級(jí)套管的力學(xué)性能，但強(qiáng)度偏低。經(jīng)與鋼廠及管廠技術(shù)專家溝通，我們對(duì)鋼材的化學(xué)成分進(jìn)行了調(diào)整，在原有化學(xué)成分的基礎(chǔ)上添加了鋁元素，以達(dá)到細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度的目的。同時(shí)，在工藝二的基礎(chǔ)上對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了調(diào)整，進(jìn)行了整管熱處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 整管試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

注：編號(hào)1為未熱處理管，2為內(nèi)噴外淋熱處理工藝，3為外淋熱處理工藝。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，管子采用內(nèi)噴外淋工藝的力學(xué)性能較好，而只采用外淋工藝的力學(xué)性能與未熱處理管力學(xué)性能基本一致，這從下面的金相圖圖1中也可證明。

圖1

在此研究基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，熱處理后的材料力學(xué)性能均達(dá)到N80鋼級(jí)的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

N80鋼級(jí)HFW套管的研制開發(fā)過程中形成了完整的材料化學(xué)成分配方和熱處理工藝方案，解決了高鋼級(jí)HFW套管制造過程中的技術(shù)難題。目前市場(chǎng)上已有的高鋼級(jí)套管大多數(shù)是由無(wú)縫管加工成的，由于高鋼級(jí)無(wú)縫管價(jià)格較高，使得高鋼級(jí)套管價(jià)格一直居高不下，N80鋼級(jí)HFW套管的研制成功可以生產(chǎn)出價(jià)格相對(duì)較低，性能達(dá)到要求的高鋼級(jí)套管，可有效降低石油勘探開發(fā)的成本，提高生產(chǎn)效率，提高管材利用率。