几种常用石油管材料的高温拉伸性能试验研究

2019-10-31张华佳梁明华蔺卫平任继承莫子雄

石油管材与仪器 2019年5期

张华佳，梁明华，蔺卫平，李娜，任继承，莫子雄

(中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安 710077)

0 引言

在油田对石油管材的设计和使用中，温度是一个比较重要的影响因素，材料的性能会随着温度的升高或降低发生改变。而近年随着一些深井、超深井的不断开发，井下的作业温度不断升高，对油套管等管材的影响日益显著。尤其是在对稠油的开采中，井下的作业工具需要经历注气、焖井、采油等一系列高温高压热循环过程，这种过程很容易造成石油套管的失效，究其原因，即材料的力学性能在高温下发生了变化，并在承受载荷的外因下，管体容易发生断裂[1]。

金属材料断裂的原因，是因为外力作用下发生了塑性变形，变形到一定程度进而断裂，而塑性变形的的实质是由于外力作用下，材料内部形成的内应力使晶粒内外产生滑移。对材料进行拉伸测试，就是为了检查其塑性的好坏。塑性的好坏则受到材料本身的组织、晶格类型、化学成分以及变形时的外部条件影响。在外部条件中，温度也是一个重要的影响因素[2]。

本文根据高温拉伸试验中节选的一些数据，来对几种常用石油管管材的高温拉伸性能进行介绍和分析，并对相关现象和规律进行探寻，期望找到强度和韧性随温度变化的一些规律。文中数据较为丰富和准确，涵盖了不同钢级不同温度的强度数值，相对于以往文献中单纯的规律描述，本文更能对油田现场管材的应用提供实际的帮助[3]。

1 2Cr2Mo1R 直缝埋弧焊钢管材料不同温度下的高温拉伸性能

在对某12Cr2Mo1R直缝埋弧焊钢管管材试样进行高温拉伸试验后，得到了相关的数据，见表1。试样断裂后的形貌如图1所示，图中由下至上为7根高温拉伸断裂后的试样，试样尺寸为直径12.7 mm的标准圆棒试样，长度为300 mm，试样的表面因为高温作用，出现氧化现象，显示了和常温不同的色泽。

表1 12Cr2Mo1R钢管高温拉伸试验结果

图1 高温拉伸试样断后形貌

本实验是在由低到高不同温度下，对加工好的标准试样进行拉伸性能测试。首先将试样的准确尺寸测量好，然后装夹在带有高温环境箱的拉伸试验机上，设置好温度参数后，等待高温箱升至指定温度，然后保温15 min，将试样按3 mm/min的速率拉至断裂。最后根据试验机测定的力值和前期测定的面积，计算其拉伸强度[4]。

图2为选取的200、300、400、500 ℃下的拉伸曲线，可以直观地看到，随着温度的升高，试样的最大力下降，且拉伸曲线变短，到达最大力和最大力下降的速度变快，拉伸过程需要的时间变短。

图2 高温拉伸过程曲线图

图3为根据拉伸强度和温度作出的曲线图，从图中可以看到，随着温度的升高，材料的抗拉和屈服强度都出现了明显的下降。

图3 抗拉强度和屈服强度变化趋势

由试验结果可以看到，450 ℃以内，抗拉强度和屈服强度降低都比较小，每个温度间隔仅10 MPa左右，而由450 ℃到了500 ℃，强度降低了37 MPa，开始了加速降低的过程。

断后伸长率的变化趋势如图4所示，可以看到，450 ℃之前变化都不明显，而在500 ℃时有了明显增长。

研究表明，材料在高温下强度降低，原因主要有两个方面，一是材料出现了动态再结晶，形成了细小的晶粒，二是沿铁素体境界会析出碳化物新相，沿晶界分布的碳化物越多，晶界更加弱化，材料也就更容易开裂[5-6]。

图4 断后伸长率变化趋势

2 TP140V 套管材料不同取样位置下高温拉伸性能

在对某Ф244.5 mm×11.9 mm 140V 套管管体材料进行的高温拉伸试验中，在试样初始加工时，选择从0°纵向、90°纵向、180°纵向、270°纵向四个不同的位置进行取样，并对常温拉伸和195 ℃拉伸下的数据进行对比，结果见表2。由试验结果可以看到，常温下的抗拉和屈服强度明显高于195 ℃，但不同取样位置同一温度下的试样，高温和常温下的数据都比较接近，说明高温下材料的拉伸性能和取样位置无关，导致其强度变化的影响因素为温度。其室温下组织为回火索氏体，温度的升高使得材料组织和性能发生变化，进而材料的强度发生下降[7]。

表2 拉伸试验结果

3 P110套管材料不同批次的高温拉伸性能

在对某Φ177.8 mm×10.4 mm P110套管试样的高温拉伸试验中，试样取自相同规格不同批次的管体和接箍，分别为管体1#、管体2#、管体3#、接箍1#、接箍2#、接箍3#。其常温下和高温下的拉伸结果数据见表3。从表3可见，接箍和管体高温下的强度均出现了下降，其中，接箍的抗拉强度下降的不明显，仅差10 MPa左右，屈服强度则比较明显，相差50 MPa左右。P110套管材料常温下为回火索氏体。而管体的抗拉强度和屈服强度都比较明显，分别相差60 MPa和120 MPa左右，推测原因，接箍自身常温下强度大于管体，而常温强度越大，则高温下强度降低越少，说明同种材料强度越高，组织性能越好，高温下组织变化越小，保持强度的能力越好[8]。

表3 140V 套管高温拉伸试验结果

4 管体与焊接接头的高温性能比较

在对某HP295 油气钢瓶的高温拉伸试验中，试样取自临近位置的管体和焊接接头，分别200、400和600 ℃下的高温试验，拉伸结果数据如见表4，可以看到，管体和焊接接头的抗拉强度均出现了明显下降，200 ℃升温至 400 ℃后抗拉强度均降低了约150 MPa，400 ℃升温至 600 ℃后抗拉强度均降低了约350 MPa，管体的屈服强度也同样出现了明显的阶梯下降趋势。

值得注意的是，从断后伸长率来看，随着温度的升高，断后伸长率出现了明显的升高，400 ℃下的伸长率是200 ℃下伸长率的140%，而600 ℃下的伸长率是400 ℃下伸长率的280%，并且在试验过程中，600 ℃下试样已经有红热现象，说明温度越高，材料软化越严重。

表4 HP295钢瓶试样高温拉伸试验结果

5 几种钢级材料的高温拉伸性能比较

表5为几种不同钢级材质的试样进行高温拉伸试验后的数据，表中涵盖了不同温度不同强度测试指标下的高温拉伸结果。由表中数据可以看到，材料的拉伸强度都有随着温度升高而下降的规律，即软化现象。表中的相关数据均为试验获得，可为油田现场石油管材的应用提供直接可靠的数据支撑，有比较重要的意义。表6中选取了若干不同钢材的断后伸长率，和前文数据一起对比分析后看到，80S抗硫套管在450 ℃断后伸长率有了明显的升高，Q125 Cr钢在600 ℃断后伸长率明显升高，HP295钢瓶400 ℃时断后伸长率就有了较大提高，但大部分材料400 ℃以下变化不明显，趋势比较平稳，差别不大。因此推测石油管材的断后伸长率会随着温度升高而增长，但温度较低时候变化并不明显，只是到达一定温度后，引起了材料晶粒度的变化和碳化物的析出，强度下降速度才会较快增长，根据本文数据，推测大部分材料的断后伸长率会在400 ℃高温以上显著升高。