SEW高抗挤套管开发

王 军， 毕宗岳， 张 峰， 李周波， 韦 奉，李远征，唐 俊，王 涛

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院，陕西宝鸡721008）

0 前言

套管损坏一直困扰着油气的正常开采。造成套管非正常损坏的原因很多，其中因套管不能承受外压载荷造成的损坏是套管损坏的主要原因之一[1-4]。油气井地层出砂会造成套管径向非均匀外挤压力，加上地层上覆压力的联合作用，套管将发生挤毁和错断，因此各油田在深井、超深井或需要隔离岩盐层、软泥层等复杂地层的油气井中，均考虑采用高抗挤套管[5-7]。

一直以来，套管生产厂家和油田用户在防治套管挤毁失效方面开展了大量的工作。研究表明：D/t、外径偏差及不圆度、壁厚偏差及不均度、材料强度、残余应力、轴向应力等对套管的抗挤毁强度具有显著影响[8-15]。就井身设计而言，当工程上对套管柱的钢级和规格确定以后，如何根据企业自身的设备和技术条件，制订出合理的生产工艺是开发高抗挤套管的重点工作，即如何通过减小套管残余应力、提高材料屈服强度及屈强比、控制外径正偏差及不圆度、壁厚负偏差及不均度等措施来提高套管的抗挤性能。

在分析套管抗挤强度影响因素的基础上，通过对这些因素进行有效控制，开发了SEW高抗挤套管。这类高抗挤套管比同规格同钢级API套管的抗挤毁强度高出20%～60%，且相比无缝高抗挤套管具有抗挤强度高及成材率高的优势。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

较高的屈服强度及屈强比有利于提高套管的抗外压挤毁性能，比如宝钢开发的BG110TT[9]，屈服强度917～933 MPa，屈强比为0.91；天津钢管开发的TP110TT[16]，屈服强度940～959 MPa，屈强比为0.92。SEW高抗挤套管采用高频电阻焊接，因此在成分设计时应首先考虑材料的焊接性能；其次，SEW高抗挤套管通过热张力减径、整管热处理、热矫直等工序改善组织，提升强度及冲击性能，消除残余应力，因此，还应考虑材料的热加工及热处理性能；最后，还应考虑卷板的采购费用及套管加工费用。

C元素有利于提高钢的淬透性及强度，但C含量过高有损钢的塑性、韧性及焊接性能；Si固溶于铁素体以提高钢的屈服强度，但同时要损失钢的塑性和韧性；Mn能显著提高钢的淬透性，但Mn使钢的过热敏感性和回火脆性增大；V具有细化钢的组织和晶粒的作用，并可降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性，增加钢的回火稳定性；Cr是扩大淬透性及强碳化物形成元素。在淬火+高温回火的调质钢中，Cr不仅可以通过析出碳化物提高钢的强度，延缓套管失稳挤毁过程，而且可以通过在金属表面形成Cr氧化膜（其Cr含量是基体含量的5～7倍）提高钢的SSCC抗力，但Cr含量过高时会析出粗大的M23C6碳化物，丧失其有利效果；Ni元素可提高钢的强度及抗腐蚀能力而不显著降低其韧性，并可改善钢的焊接性能。SEW石油套管化学成分设计见表1。

表1 SEW高抗挤套管的化学成分设计 %

以5℃/s的速度将试样加热到950℃后，保温10 min， 然后分别以0.5℃/s， 1℃/s， 3℃/s， 5℃/s，10℃/s，20℃/s，30℃/s和50℃/s的冷却速率将试样冷却至室温，得到的静态连续冷却相变曲线（CCT）如图1所示，试验钢在不同冷却速度下的显微组织形貌如图2所示。从图1可以看出，试验钢的Ac1和Ac3温度分别为761℃和828℃，Ms温度为378℃，冷速大于50℃/s可以得到完全的淬火马氏体组织。一般淬火温度较Ac3温度高30～50℃以上，因此SEW高抗挤套管淬火温度选择（900±10）℃， 淬火冷速＞50℃/s。

图1 试验钢静态连续冷却相变曲线

图2 试验钢在不同冷却速度下的显微组织形貌

1.2 试验方法

通过 “HFW+热张力减径+整管热处理”开发出SEW高抗挤套管，并进行力学性能及抗腐蚀性能评价。SEW高抗挤套管热张力减径及热处理工艺见表2。

表2 SEW高抗挤套管热张力减径及热处理工艺参数

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

不同热处理工艺SEW高抗挤套管焊缝区显微组织如图3所示。

从图3可以看出，采用热张力减径+调质处理，焊缝流线基本消除，母材带状组织也得到很大程度的消除，两者均为回火索氏体组织。

图3 不同热处理工艺焊缝区显微组织

2.2 尺寸精度及残余应力

高的尺寸精度有利于提高套管的抗挤性能。因此，首先应控制卷板的壁厚偏差，其次应控制HFW焊接过程中内外毛刺高度＜0.13 mm，并严格控制钢管热张力减径过程中的外径偏差为-0.25%D～+0.30%D， 壁厚偏差为-2%t～+3.5%t。 表3是SEW高抗挤套管和无缝高抗挤套管的尺寸测量结果。从表3可以看出，SEW高抗挤套管的尺寸精度要高于无缝高抗挤套管。这是由于SEW高抗挤套管采用微合金化控轧钢板冷弯成型工艺，优于无缝高抗挤管坯穿孔及轧制过程中的尺寸精度控制。在挤毁试样上切取350 mm的样管，利用环样法进行残余应力测试，并按公式（1）计算套管的残余应力。

表3 SEW高抗挤套管与无缝高抗挤油套管的尺寸测量及残余应力计算结果

式中：D1-切割前试样平均外径；

D2-切割后试样平均外径；

E-弹性模量， E=206.9×109N/m2（30×106psi）；

t-实测平均壁厚；

v-泊松比，v=0.28。

计算结果显示，采用热张力减径+调质处理生产的SEW高抗挤套管残余应力＜93 MPa，较无缝高抗挤套管低45%（无缝高抗挤套管残余应力＜135 MPa）。这是因为SEW高抗挤套管采用热张力减径、高温回火及450℃温度以上的矫直，这些工艺将制管过程中产生的残余应力控制在了100 MPa以内。

2.3 力学性能测试

对SEW高抗挤套管进行拉伸及冲击性能测试，结果见表4。从表4可以看出，随回火温度升高，套管强度降低，延伸率及冲击功升高。1#～2#套管及 3#～4#套管的性能分别满足 API SPEC 5CT[17]对N80及P110套管的标准要求。屈服强度对套管抗挤强度具有显著影响。因此，分别选取2#和4#工艺生产的套管作为80钢级和110钢级SEW高抗挤套管。

表4 SEW高抗挤套管的拉伸和冲击性能测试结果

对采用热张力减径+调质处理的φ139.7 mm×9.17 mm规格SEW高抗挤套管进行全尺寸外压挤毁试验，试验方法参照API RP 5C5[18]标准，并与同规格无缝高抗挤套管进行对比，结果见表5。挤毁试验表明，80钢级及110钢级SEW高抗挤套管的抗外压挤毁强度较API TR 5C3[19]及Q/SY 1394-2011[20]中HC2标准值分别高出50%及20%以上，较无缝高抗挤套管高出10%以上。这是由于SEW高抗挤套管的尺寸精度高，残余应力小，表现出优于无缝高抗挤套管的抗外压挤毁性能。

表5 SEW高抗挤套管和无缝高抗挤套管外压挤毁试验结果对比

2.4 抗腐蚀性能评价

分别取母材轴向和沿焊缝试样进行HIC性能评价，取样位置如图4所示。试样腐蚀形貌如图5所示，腐蚀结果见表6。裂纹敏感率、裂纹长度率及裂纹厚度率分别按式（2）～式（4）计算。

图4 SEW高抗挤套管HIC性能评价试验取样位置示意图

式中：a-裂纹长度，mm；

b-裂纹厚度，mm；

W-试样宽度，mm；

T-试样厚度，mm。

SY/T 6857.1-2012标准[22]认为，当试样的CSR≤2%，CTR≤5%，CLR≤15%时，该材料对HIC不敏感。试验结果表明，SEW高抗挤套管的母材和焊缝区均不存在HIC裂纹，即SEW高抗挤套管对HIC不敏感。

图5 SEW高抗挤套管HIC腐蚀形貌

表6 SEW高抗挤套管HIC腐蚀试验结果

焊接套管在含硫化物环境中服役时处于电化学腐蚀和拉伸应力的联合作用下，往往会发生延迟脆性断裂现象，这类破坏称之为钢的硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。SEW高抗挤套管的SSCC评价试验取样位置如图6所示。采用四点弯曲加载方式，腐蚀溶液为NACE TM 0177中规定的A溶液 （即H2S饱和5%NaCl+0.5%CH3COOH）。 腐蚀溶液初始pH值约为3.0，试验结束时，pH值≤4.5。试验时间规定为720 h，溶液温度保持在（24±3） ℃。 试验均在规定初始应力（80%σs）下进行，腐蚀形貌如图7所示，腐蚀结果见表7。

图6 SEW高抗挤套管SSCC评价试验取样位置示意图

试验结果表明，SEW高抗挤套管在80%σs应力水平下的抗SSCC性能良好。

2.5 讨论

HFW焊接主要是利用高频电流的集肤效应、邻近效应和热传导作用快速加热管坯边缘，然后通过挤压辊的挤压作用进行压力焊接。该过程具有加热速度快、热输入量大、峰值温度高、保温时间短等特点，从而导致在焊缝区不同位置的组织和性能存在显著差异。根据HFW焊接工艺的特点，HFW焊缝区可以划分为焊缝、热影响区和正火区3个区域，如图8所示。

图7 SEW高抗挤套管SSCC腐蚀形貌

表7 SEW高抗挤套管SSCC试验结果

图8 HFW管坯显微组织

从图8可以看出，焊缝主要以细长的魏氏体组织为主，并含有少量的马氏体组织，魏氏体组织将会显著恶化焊缝区的韧性和塑性，而马氏体组织具有较大的淬硬倾向和焊接冷裂纹敏感性，因此需要焊后热处理进行改善和消除；热影响区主要为粗大的贝氏体组织；正火区主要为细小的贝氏体组织；母材组织由多边形铁素体和珠光体组成，且具有明显的带状组织特征。SEW高抗挤套管采用热张力减径、整管热处理及热矫直工序，消除了焊缝和母材的成分、组织差异，得到铁素体基体上弥散分布细小碳化物的回火索氏体组织 （见图3），且套管具有较低的残余应力，使得套管在具有高强度、高韧性的同时具有较好的抗腐蚀性能。

综上所述，SEW高抗挤套管采用低碳微合金化控轧钢板，内在质量好，尺寸精度高。卷板经FFX冷弯成型及HFW焊接，塑性变形量很小，因此保证了管坯良好的尺寸精度及力学性能。采用热张力减径工艺，并对焊管进行淬火+高温回火热处理，不仅消除了焊缝和母材的成分、组织差异，而且降低了套管的残余应力，提高了套管的抗外压挤毁性能，并较好地解决了焊缝沟槽腐蚀及H2S腐蚀开裂问题。

3 结论

（1）SEW高抗挤套管的尺寸精度高，焊缝冲击韧性好，抗挤强度超过同钢级无缝高抗挤套管10%以上。

（2）SEW高抗挤套管具有良好的抗HIC性能和抗SSCC性能。

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