2205DSS连续油管的适用性研究

2021-04-28高润秋段建良张雅丽董明路

石油管材与仪器 2021年2期

高润秋，段建良，董健，张雅丽，董明路，韩森

(信达科创(唐山)石油设备有限公司河北唐山 063000)

0 引言

为了提高油田井下作业施工的施工质量和采油效率，连续油管以其显著优势被广泛应用于井下作业中[1]。其传统上以低碳合金钢作为制管原材，相较于同类碳素钢，它的金属强度较高、塑韧性能较好，并具有优良的焊接性以及冷热压力加工性，并且在复杂的井下环境工作中，相较于同类碳素钢具有较好的耐蚀性能。但在实际应用的过程中，连续油管承受挤压、扭折、反复缠绕等复杂载荷及强酸和高压的井下环境，因而连续油管的材料不仅应具有较好的强度和韧性，还应具有较好的耐腐蚀性能[2]。本文以2205双相不锈钢(简称2205DSS)为原材料制造连续油管，与CT钢管的力学性能、显微组织、疲劳性能及抗蚀能力进行试验对比，分析研究2205DSS材料的连续油管在油气井中的适用性。

1 试验材料与试验样品制备

1.1 原材料化学分析

在CT80级、CT90级、CT100级、CT110级和2205DSS原材上取100 mm×50 mm×3.95 mm的试验样品，利用试验设备Labspark1000直读光谱仪，对试验用连续油管原材料钢带样品进行化学成分分析，试验结果见表1。从表1可见，连续油管原材料钢带样品的化学成分符合API Spec 5ST-2010 R2015《Specification for Coiled Tubing》和ASTM A789/A789M-18《Standard Specication for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless-Steel Tubing for General Service》标准的要求。

表1 试验管原材化学分析(质量分数) %

1.2 连续油管热处理生产工艺

采用低变形、高精度、不需填充金属及焊接热影响区小的激光焊接设备，制备CT80级、CT90级、CT100级、CT110 级和2205DSS材料的外径为 50.8 mm、壁厚为4.0 mm的连续油管[3]。

为了满足使用要求，对CT80级、CT90级、CT100级、CT110连续油管进行正火及回火热处理，其中CT80级回火温度为600 ℃，CT90级、CT100级、CT110管回火温度为550 ℃。对2205连续油管采用固溶退火的热处理工艺。热处理工艺如图1所示。

图1 热处理生产工艺图

2 试验项目及对比

2.1 力学性能

2.1.1 拉伸试验对比

在CT80级、CT90、CT100、CT110级和2205DSS连续油管上各取一个长度为450 mm的拉伸试验样品，用JB/WAW-600D万能试验机，依据API Spec 5ST-2010 R2015标准对其进行拉伸试验，拉伸试验结果见表2。从表2可见，2205DSS强度介于CT80级与CT110级之间，2205DSS材料的伸长率值较高，因而其材料具有较好的塑性。

表2 拉伸试验结果

2.1.2 压扁试验对比

在CT80级、CT90级、CT100级、CT110级和2205连续油管上各取一个长度为150 mm的压扁试样，用JB/WAW-600D万能试验机，依据API Spec 5ST-2010 R2015标准对连续油管样品进行压扁试验。试验结果为：将所有的压扁试样焊缝置于0°和90°的位置，压扁至样品的两平板间距离为40 mm后，所有的试验样品内外表面均未出现裂缝或断裂。

2.1.3 扩口试验对比

在CT80级、CT90级、CT100级、CT110级和2205连续油管上各取一段长度约为101.6 mm的样品，清除样品的内毛刺，用JB/WAW-600D万能试验机，依据API Spec 5ST-2010 R2015标准用锥角为60°的芯棒对各钢级的连续油管样品进行扩口试验，内径扩口率达到25%。扩口试验的结果为：所有试验样品的内外表面均未出现裂缝或断裂。

2.1.4 显微硬度试验对比

依据相关试验标准，用MVD-401TS显微维氏硬度计进行硬度试验。其测试位置如图2所示，在焊缝、热影响区、距焊缝0°、90°及180°母材共计测试15个位置的硬度值。

CT80级、CT90级、CT100级、CT110级和2205DSS连续油管管体横截面硬度试验结果为：2205DSS材料的各部位的硬度值符合连续油管要求[3]，硬度试验值见表3。

图2 全壁厚硬度试验压痕位置

表3 试验管硬度对比数据

2.1.5 疲劳试验对比

在CT80级、CT90级、CT100级、CT110级和2205DSS连续油管上各取一段长度为1.5 m的原管试样，利用疲劳机对试验管段进行带压弯曲疲劳试验，样品在试验机上的形貌如图3所示。

由于2205DSS材料的强度比低碳合金钢材料的强度高，因而2205DSS材料的连续油管具有较高的疲劳寿命[4]。

将各试验连续油管样品加压至35 MPa后，在各样品相对焊缝0°、90°和180°的位置进行带压弯曲试验，试验结果见表4。从表4可见，2205DSS材料的连续油管具有较高的疲劳寿命相对较长。

图3 疲劳试验机上的样品形貌

2.1.6 腐蚀性能试验对比

油气田生产过程中腐蚀通常分为常规电化学腐蚀、流体力学化学腐蚀和固体力学化学腐蚀三大类，模拟油气田工况[5]，在试验温度90 ℃条件下，各取长度为50 mm试验样品，对其进行高温高压电化学腐蚀试验，试验结果见表5。从表5可见，CT80和CT90级连续油管的抗腐蚀性较好，而CT100和CT110级连续油管的抗腐蚀性能较差，2205DSS连续油管腐蚀速率明显低于低碳合金管，具有优异的抗腐蚀性能。

2.2 焊缝区域组织结构

2.2.1 焊缝区域宏观形貌

用4%的硝酸酒精溶液和40%氢氧化钠电解腐蚀CT碳钢和2205DSS连续油管样品的焊缝区域，腐蚀处理后焊缝区域的宏观形貌如图4所示。从图4(a)可见，CT碳钢连续油管存在较宽的热影响区。连续油管的热影响区中的晶粒粗大，容易导致连续油管发生脆性断裂，并且缠结的位错容易发生再结晶，从而影响热影响区这材料的性能[6]。从图4(b)可见，2205DSS连续油管样品存在面积较小的热影响区，焊缝的宽度小于低碳合金钢连续油管的焊缝宽度，根据硬度试验结果，焊缝与其他区域硬度没有明显差别。

图4 焊缝区域宏观形貌

2.2.2 金相组织

用YJ-2000光学金相显微镜对CT碳钢和2205DSS连续油管样品的焊缝、热影响区及母材进行金相试验，金相组织试验结果如图5所示。从图5可见，CT碳钢主要为铁素体和珠光体组织，且CT90级、CT100级和CT110级热影响区主要为针状铁素体、多边形铁素体、板条马氏体和粒状贝氏体等多种相的复合组织。而2205DSS连续油管材料的双相平衡的微观结构是由铁素体和奥氏体两相共同组成，因此它具有单相奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的两种特征[7]。

图5 金相显微组织图

3 综合分析

2205DSS连续油管的压扁和扩口试验后，其内外表面均未出现裂纹或断裂，因而2205DSS连续油管材料具有较好的韧性。拉伸试验结果表明，2205DSS连续油管强度在CT80连续油管强度和CT110连续油管强度之间。2205DSS连续油管材料的硬度在CT80连续油管材料的硬度和CT110连续油管材料的硬度之间。这说明2205DSS连续油管的材料具有较高的强度。

疲劳试验结果表明，2205DSS连续油管的疲劳寿命大于碳钢连续油管的疲劳寿命。

模拟油田工况的腐蚀试验结果表明，2205DSS连续油管具有更为优异的抗腐蚀性能。

焊缝区域的组织和结构试验分析结果表明，2205DSS连续油管不存在低碳合金钢热处理后所存在的较为明显的热影响区域，这也就避免了热影响区对管性能的影响。2205DSS连续油管材料的金相组织为分布均匀的铁素体和奥氏体，因而其材料具有较好的力学性能和耐蚀性能。

由图1可见，对于连续油管的生产和热处理，2205DSS连续油管需要消耗较多的能源，因而具有较高生产制造成本，所以对于2205DSS连续油管在井下作业中的应用，需分析油田环境、施工区域工况和经济成本。