王浩龍,周好斌,路 浩,邢立偉,徐向前

(西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065)

鉆井套管用于地層的封隔以及井壁坍塌的防護，是鉆井管材的一次性消耗品，其消費量占油井管總銷售量的七成以上。高抗擠套管是抗擠強度比API計算值高的套管。高抗擠套管因在相同的鋼級、尺寸下，不增加管道壁厚，便具有較高的抗拉強度，而得到廣泛應用。其優(yōu)點主要有：在同樣的服役外載條件下，與同規(guī)格套管比較，高抗擠套管的管壁厚度可減小，從而減輕管柱的總質量，增加可下井深度，增大套管通徑?？刹捎媒档蜌堄鄳?、提高整體尺寸精度的途徑來提高高抗擠套管的抗擠強度[1]。

國內外生產制造、科研院所已研究了套管擠毀失效的機理，以及對抗擠性能影響的因素。研究表明[2-5]，影響套管抗擠性能的因素主要是屈服強度和殘余應力、D/t比值、壁厚偏差、橢圓度等。殘余應力是影響套管擠毀抗力的主要因素之一，高抗擠套管要求管體具有高的屈服強度、高的尺寸精度和較低的殘余應力。

當工程對套管鋼級和規(guī)格的需求確定以后，如何根據企業(yè)自身設備和生產技術條件，制訂出合理的生產工藝是開發(fā)高抗擠套管的重點工作，重點在于如何通過減低殘余應力、提高材料屈服比等有效措施提高套管的抗擠性能。本文針對無縫管T1、有縫管T2、有縫管T3等三種不同成型工藝套管，采用盲孔法檢測殘余應力，對比殘余應力分布特征、差異，為工藝設計提供借鑒。

1 油套管類型

1.1 無縫油套管

無縫油套管和電阻焊接管是油套管中兩種主要套管。其中，無縫油套管的生產方式有熱軋(擠壓)和冷拔(扎)兩種方式。無縫油套管的主要坯料是無縫管坯，一種中空的圓形鋼條，主要特點是沒有焊縫。

1.2 有縫油套管

有縫油套管多采用電阻焊接管，工藝流程主要有“HFW、熱張力減徑、整管熱處理、熱矯直”。有縫油套采用熱軋鋼卷，經過開卷、滾壓、焊接等工藝過程制成。成型過程中板材邊緣熔融，經過滾壓將其連接在一起，形成管體，則焊縫的機械強度比母材好。比如，直縫電阻焊鋼管的管體橫截面上內外圓的同心度較高，焊縫經過滾壓和熱處理后，組織均勻，抗擠潰能力較好。與無縫套管相比，直縫電阻焊套管憑借著成本低、生產效率高、抗擠毀能力強、沖擊韌性好等多項優(yōu)點。

2 油套管殘余應力

在套管的成型生產中，因為成型過程的塑性變形，包括軋制、定(減)徑以及校直等，產生殘余應力。套管成型過程會產生殘余應力，可以采取一定工藝措施改變殘余應力的分布或者控制殘余應力的值。比如，套管的擠毀抗力在內表面的環(huán)向拉應力約為管體材料屈服強度的5%～10%時會有所提高；采用有限元方法計算線彈性材料套管的殘余應力，發(fā)現當套管不圓時，最大臨界擠毀壓力與管體屈服強度之比為0.07；同時，殘余拉應力值較大時，降低了套管的擠毀抗力[6-11]。在生產中，采取棱角之工藝，對套管的擠毀抗力的提高有明顯作用，而適當的熱矯直溫度，可有效減小殘余應力的產生。

國產套管在殘余應力控制方面，對不同工序中殘余應力的產生規(guī)律以及油套管服役工況和力學行為與殘余應力關系研究不足。

3 油套管應力檢測

3.1 油套管

檢測對象為三種不同成型工藝的碳鋼油套管，管外徑 270 mm，3個油套管分別編號為：T1、T2、T3。其中，T1是無焊縫，由熱軋工藝制成，T2、T3為兩種不同工藝的焊接有縫管，T2由HFW工藝制成，T3由SEW工藝制成。

3.2 盲孔法檢測設備

盲孔法作為一種標準化的殘余應力檢測方法被廣泛使用。其測量的原理是在被測構件上鉆小孔，測量小孔周圍的應變變化量，計算出殘余應力。

對高抗擠壓油氣井套管進行殘余應力測量時，使用的盲孔法檢測設備是江蘇東華公司生產的DH3820型高速靜態(tài)應變儀。殘余應力檢測和變形計測量采用標準ASTM-E837-2008，鉆孔應變的釋放方法采用GB/T 3395-2013進行。DH3820應變儀帶有光學對中結構，便于鉆孔和設定鉆孔深度。檢測設備如圖1所示。

(a)高速應變儀 (b)光學對中裝置

3.3 油套管檢測位置

每個油套管測量線的標記為C1測量線、C2測量線、C3測量線。每個管道測試3個環(huán)形圓周截面，每次檢測位置位于同一橫截面，每個測量點距離的間隔足以消除被測試點的互相影響。測點位置如圖2所示。

圖2 檢測位置說明

4 應力測試數據分析

4.1 套管T1檢測結果及分析

編號為T1的油套管殘余應力檢測結果如圖3所示。

圖3 T1套管檢測結果(無焊縫)

油套管T1的殘余應力分布主要有以下特點：

1)T1管的殘余應力為較為平緩的U型分布，在軸向、切向上具有相同規(guī)律，軸向應力大于切向應力，軸向應力均值約 300 MPa，切向應力均值約 140 MPa，存在近似2倍關系。

2)C1測量線存在270°、45°應力降低現象；C2測量線存在45°、225°應力降低現象；C3測量線存在225°、90°應力降低現象。

4.2 套管T2檢測結果及分析

編號為T2的油套管殘余應力檢測結果如圖4所示。

圖4 T2套管檢測結果(焊縫在0°附近)

從檢測結果看，油套管T2的殘余應力分布主要有以下特點：

1)T2管體軸向應力高低交錯分布，存在約120°左右范圍的波動周期，全圓周有三個周期波動，軸向應力均值約 220 MPa，切向應力均值約 150 MPa。

2)T2管體切向應力近似有高、低兩個區(qū)域，低應力區(qū)域約三分之一圓周。

3)在焊縫附近發(fā)生應力的階躍變化，切向應力表現尤為明顯。

4.3 套管T3檢測結果及分析

編號為T3的油套管殘余應力檢測結果如圖5所示。

圖5 T3套管檢測結果(焊縫160°附近)

從檢測結果分析，油套管T3的殘余應力分布特點如下：

1)T3管體軸向應力有類似兩個明顯的高應力區(qū)域、低應力區(qū)域，低應力區(qū)域在0°～150°之間，高應力區(qū)域在150°～315°之間。高應力區(qū)域、低應力區(qū)域與切向分布相反。

2)T3管體切向應力分為兩個明顯的高應力區(qū)域、低應力區(qū)域，高應力區(qū)域在0°～150°之間，低應力區(qū)域在150°～315°之間；上述階躍變化在焊縫附近發(fā)生。

3)T3管體軸向應力、切向應力在150°有突變現象，管體軸向應力、切向應力在210°左右存在低值現象。

4)切向應力均值約 150 MPa，軸向應力均值約 250 MPa。

5 結論

1)三種不同工藝成型的油套管殘余應力的軸向應力大于切向應力，無縫管的殘余應力水平高于焊縫管的殘余應力水平。T1油套管的軸向、切向殘余應力分布趨勢表現最相同。

2)三種不同工藝成型的油套管的殘余應力分布特征明顯不同，無縫管T1殘余應力為較為平緩的U型分布；有縫管T2軸應力分布呈交替循環(huán)分布；有縫管T3軸、切應力分布呈交錯臺階式分布。

3)T2管體軸向應力高低交錯分布，存在約120°左右范圍的波動周期，全圓周有三個周期波動。T2管體切向應力近似有高、低兩個區(qū)域，低應力區(qū)域約三分之一圓周。

4)T3管體軸向應力有類似兩個明顯的高應力區(qū)域、低應力區(qū)域，低應力區(qū)域在0°～150°之間，高應力區(qū)域在150°～315°之間。