浅析N80钢级HFW套管的研制开发

薛自建，苏金洋，王雪玲，杨富荣，王海东，花志斌

（1.华油一机(河北)油井管有限公司；2.河北华油一机抽油机有限公司，河北 青县 062658）

1 前言

HFW（High-Frequency Electric Resistance Welding）套管，是指通过高频电阻焊接工艺制造而成的直缝焊接套管。与无缝套管相比，HFW 套管的优势在于：（1）HFW管是用经过TMCP方式轧制的钢板焊接而成，钢板的组织均匀。（2）抗挤压及抗爆性能好，与同类API无缝套管相比，HFW套管抗挤压强度高30%～40%，抗爆性能(内压强)高50%左右。（3）直径精确度高，HFW钢管采用冷弯成型，通过0.6%减径完成定径，其工艺过程温度基本恒定在室温，因而外径控制准确、波动范围小，在加工过程中有利于杜绝黑皮扣；而无缝钢管采用热轧成型工艺，钢管原材料成分、冷却条件以及轧辊的冷却状态等对其外径都有较大影响，因而外径控制难以准确，且波动范围较大。（4）直线度好，HFW钢管属于冷加工，且在减径的状态下带有在线矫直，加上是无限倍尺，故直线度较好；无缝钢管在塑性状态下成型，加上单倍尺（连轧为3～4倍尺）管端直线度相对难以控制。（5）壁厚均匀度高，HFW钢管采用热轧带卷为原材料，现代热连轧厚度公差可以控制在0.05mm内，而无缝钢管采用圆钢穿孔方式生产，壁厚偏差较大，随后的热轧可以部分消除壁厚不均匀性，但目前最先进的机组只能控制在±5～10%t，例如，对应于8.94mm厚度的钢管，无缝钢管壁厚控制精度的极限是0.9mm。（6）价格低，HFW套管生产效率高，机械化、自动化程度高，生产能耗低；HFW套管成材率为93%～98%，而无缝套管的成材率85%～90%，HFW套管整个项目投资也比无缝套管项目低40%。根据目前的统计数据，国内外市场HFW石油专用管比同钢级、同规格的无缝管价格便宜15%左右。

统计数据表明，70%的套损事故是由于套管挤毁变形造成的，造成套管挤毁的主要原因是套管的抗挤强度不足以抵抗复杂地质载荷作用。随着塔里木油田山前地区、四川龙岗地区、新疆南缘地区等复杂地质构造区块油气资源的勘探开发，对套管的抗挤性能提出了更高要求，抗挤性能明显优于无缝套管的HFW套管的研究开发是解决这一问题的有效途径。国内生产使用的HFW套管绝大部分仅限于H40、J55等低钢级套管。较高钢级和高钢级HFW套管的生产和使用还存在一些技术上的难题，为了改善套管抗挤性能，减少套损事故的发生，同时降低石油钻采成本，我们进行了N80钢级HFW套管的研制开发。

2 研制过程

N80钢级套管的力学性能指标：屈服强度为552～758MPa，抗拉强度≥689MPa。为达到N80钢级套管的力学性能，需要对HFW套管的材料化学成分及HFW套管的热处理工艺进行研究。

对于低钢级如J55的HFW套管焊接与成型已经不存在问题，目前国内能够制造此类钢管的厂家很多，质量也可以保证，所以加工企业也不存在技术上的难题。但对于较高钢级的N80HFW套管来讲，为了保证最终的强度、韧性、硬度等方面的要求，相应地要提高材质中碳的含量及添加适当的微量化学元素，当碳含量提高到0.3%以上时，采用常规的高频感应方法就有一定的困难，因此，在确定材料的化学成分时，需要考虑材料的焊接性。我们在J55钢级HFW套管材料的基础上对化学成分进行了调整，确定了材料的化学成分。

由于材料的含碳量较低，需要通过热处理的方法达到N80钢级套管要求的力学性能。根据材料的化学成分，我们选择了三种热处理工艺进行了试验：

工艺1：淬火温度910℃，保温40min；回火温度620℃，保温30min。

工艺2：淬火温度910℃，保温40min；回火温度570℃,保温30min。

工艺3：淬火温度910℃，保温40min；回火温度480℃,保温：30min。

根据确定的三种工艺，制作了三段500mm长的样管，在箱式炉中进行了热处理。热处理后的试样力学性能见表1。

表1 箱式炉试样试验结果

根据试验结果，工艺二达到了N80钢级套管的力学性能，但强度偏低。经与钢厂及管厂技术专家沟通，我们对钢材的化学成分进行了调整，在原有化学成分的基础上添加了铝元素，以达到细化晶粒提高强度的目的。同时，在工艺二的基础上对热处理工艺进行了调整，进行了整管热处理试验。试验结果见表2。

表2 整管试验结果对比

注：编号1为未热处理管，2为内喷外淋热处理工艺，3为外淋热处理工艺。

从表中数据可以看出，管子采用内喷外淋工艺的力学性能较好，而只采用外淋工艺的力学性能与未热处理管力学性能基本一致，这从下面的金相图图1中也可证明。

图1

在此研究基础上，我们进行了小批量生产，热处理后的材料力学性能均达到N80钢级的要求。

3 结语

N80钢级HFW套管的研制开发过程中形成了完整的材料化学成分配方和热处理工艺方案，解决了高钢级HFW套管制造过程中的技术难题。目前市场上已有的高钢级套管大多数是由无缝管加工成的，由于高钢级无缝管价格较高，使得高钢级套管价格一直居高不下，N80钢级HFW套管的研制成功可以生产出价格相对较低，性能达到要求的高钢级套管，可有效降低石油勘探开发的成本，提高生产效率，提高管材利用率。