P110钢级中大直径高频电阻焊表层套管研制_李远征.pdf

应用与开发第46卷 第3期2023年3月焊管WELDED PIPE AND TUBEVol.46 No.3Mar.2023P110钢级中大直径高频电阻焊表层套管研制*李远征1，2，陈浩明1，2，毕宗岳1，2，苑清英1，2，唐家睿1，2，卿俊杰2，高盟召1，2，张银亮2（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）摘 要：为了满足深井超深井油气开采对中大直径高钢级表层套管的需求，采用中低碳加少量Cr、B元素成分设计，并使用高频电阻焊+全管体调质热处理工艺技术，开发试制了244.48 mm 11.05 mm P110钢级石油套管。结果表明，试制产品的屈服强度、抗拉强度和延伸率的平均值分别为895 MPa、975 MPa、25.0%；0 下 3/4尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到 77 J和 73 J，基本实现母材与焊缝“等韧性”匹配；接头螺纹连接强度 6 176 kN，抗内压强度 60 MPa，抗外压挤毁强度平均值达 43.5 MPa，各项性能指标均符合 API SPEC 5CT、API TR 5C3等标准要求，能够满足深井超深井用高钢级表层套管安全服役要求。关键词：石油套管；直缝高频电阻焊；P110中图分类号：TE973 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.03.005Development of P110 High Frequency Electricwelded Medium and Large Surface CasingLI Yuanzheng1,2,CHEN Haoming1,2,BI Zongyue1,2,YUAN Qingying1,2,TANG Jiarui1,2,QING Junjie2,GAO Mengzhao1,2,ZHANG Yinliang2(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.,Ltd.,Xian 710018,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)Abstract:In order to meet the requirements of medium and large diameter high steel grade surface casing for oil and gas production in deep and ultradeep wells,the chemical composition design adopts medium and low carbon plus a small amount of Cr&B elements.244.48 mm11.05 mm P110 casing was developed by the high frequency resistance welding+full length quenching tempering heat treatment.The results show that the average yield strength,tensile strength and elongation of the final product are 895 MPa,975 MPa and 25.0%.The average value of transverse absorbed energy for 3/4 size base metal and weld seam at 0 respectively reached 77 J and 73 J,basically realizing the equal toughness matching of base metal and weld.The strength of threaded connection exceed 6 176 kN,the value of internal pressure to failure exceed 60 MPa,the average external collapse resistance of 43.5 MPa.The product performance to meet the requirements of API Spec 5CT,API TR 5C3 etc,and can meet the safety service requirements of high steel surface casing for deep and ultradeep wells.Key words:oil casing;longitudinal high frequency resistance welding;P110*基金项目：陕西省重点研发计划“非常规油气开采用特殊螺纹套管关键技术研究”（项目编号2022GY-132）。26第3期李远征等：P110钢级中大直径高频电阻焊表层套管研制HAN GUAN 0前 言随着石油天然气行业的发展，深井超深井数量不断增加，中大直径表层套管强度级别已经从 J55 提高到 N80、P110 钢级且高钢级油套管需求量更是逐年增加，但是随着套管制造行业的不断竞争和原材料价格的不断上涨，其附加值逐渐萎缩1。P110 是目前广泛使用的石油套管钢级，强度和韧性均较高，具有良好的综合力学性能。API SPEC 5CT2标准规定，P110 钢级套管可采用无缝工艺和电焊工艺制造。与无缝管的穿孔轧制工艺不同，高频焊接（high frequency welding，简称 HFW）技术制造焊管时，以控轧控冷技术制造的高精度热轧卷板为原料，通过高精度辊式成型进行钢管冷弯成型，然后在两边开口角的会合区域施加高频电流，使带钢边缘加热到熔化状态，通过挤压来实现焊接，因此 HFW 钢管具有尺寸精度高、同心度高、抗挤毁性能好、原材料板卷质量易于控制、成本低等优势3-5。国外已呈现出 N80P110 级 HFW 套管逐步取代相同级别无缝套管的趋势。我国拥有约 2 000多套高频焊管机组，但绝大多数只能生产低压流体管、结构管和 J55套管，HFW-N80套管仅处于试制阶段，对于更高级别的 HFW-P110套管的研究十分有限6-8。为进一步满足市场需求，本研究采用“高频焊+全管体热处理”工艺，开发出了直径范围 219 mm339 mm、钢级 N80P110 的 HFW 套管产品，其性能满足API SPEC 5CT（第 10 版）要求，可为页岩油气等非常规油气资源的勘探开发提供物资支撑。1试验材料设计对于 P110 钢级电焊管，API SPEC 5CT 标准规定 P 元素含量最大值应是 0.020%，S 元素含量最大值为 0.010%，其他元素未作要求；同时规定钢管应进行全管体、全长热处理，且最终产品的屈服强度为 758965 MPa，抗拉强度862 MPa，横向冲击功（0）20 J。所以材料的 C含量太低将会显著降低淬透性，太高会造成焊接不良等问题，故 C元素含量控制在 0.25%0.30%。Mn 元素具有固溶强化的作用，可有效提高调质处理索氏体钢的力学性能，但含量过高容易增大成分偏析的倾向，Mn 含量控制在 1.00%1.50%。Cr 元素可显著提高材料淬透性，对钢管后续热处理有利，但 是 Cr 与 Fe 可 形 成 金 属 间 化 合 物 相（FeCr），若有 相析出，冲击韧性急剧下降，故 Cr 含量控制在 0.10%0.50%。Nb、V 和 Ti能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，改善卷板的焊接性和钢管的热处理效果9-10，因而添加的 Nb+V+Ti 总含量0.15%。B 元素可改善钢的淬透性能，减小材料在淬火热处理过程中出现裂纹等缺陷的几率11，故添加微量的 B 元素，w（B）0.001 5%。2试制生产（1）采用转炉顶底复合吹炼、真空处理、连铸机电磁搅拌和控轧控冷（TMCP）工艺技术生产出高尺寸精度的热轧卷板，卷板壁厚公差为-0.05+0.15 mm。（2）将设计成分的工业卷板经过纵剪、无损检测、铣边、成型、HFW焊接后制成244.48 mm11.05 mm焊管，并及时进行焊缝内外毛刺修整，使焊道光滑且与管体内、外表面齐平。（3）采用淬火+回火热处理工艺对焊管坯进行全管体热处理。淬火温度控制在900 20，回火温度控制在510560，可得到均匀细小的回火索氏体组织。（4）采用进口数控专用螺纹机床加工API 5B12标准的偏梯型螺纹。3试验结果3.1几何尺寸采用外径千分尺、壁厚测厚仪及普通长度量具等对 244.48 mm11.05 mm 规格的直缝套管进行几何尺寸测量，测量结果如图 1 所示。由图1可以看出，试制套管的几何尺寸精度高，壁厚偏差 0.25 mm，外径偏差 0.281.96 mm，完全满足 API SPEC 5CT 标准要求值（壁厚 272023年 第 46 卷焊 管-12.5%t 和外径-0.5+1.0%OD），且数据波动较小，这将对提升套管的抗外压挤毁性能有利。3.2拉伸与冲击性能对试制套管取样加工成宽度38.1 mm、标距50.8 mm的板状拉伸试样，按照ASTM A37013进行拉伸试验；冲击试样的尺寸为7.5 mm10 mm55 mm（3/4尺寸），按照ASTM E2314进行0 条件下的冲击试验，试验结果见表1。由表1可以看出，经过全管体热处理后的HFW套管的屈服强度和抗拉强度均达到较高水平，尤其是屈服强度位于标准要求的中上线，同时具有较高的延伸率，说明管材的成分设计与热处理工艺设计合理；母材横向和焊缝中心的的冲击功值超出标准要求值4倍以上，基本实现了母材和焊缝的“等韧性”匹配，这主要是由于较高的回火温度引起材料位错密度的降低及铁素体晶粒长大等因素造成的。3.3压扁试验在试制套管上截取长度 100 mm 的管状试样，采用油压机进行压扁试验。按照 GB/T 24615 要求，分别在焊缝 0和 90位置将试样压至两平行板间距（H）为 177 mm，试样宏观形貌如图 2 所示，焊缝及焊缝附近部位均未出现裂纹，且在整个试验过程中试样未出现焊缝未熔合、分层或金属过烧迹象，表明焊接等图1试制直缝套管几何尺寸测量结果表1拉伸与冲击性能检测结果规格/mmmm244.4811.05API SPEC 5CT标准要求屈服强度Rt0.6/MPa890890900758965抗拉强度Rm/MPa970980980862延伸率A/%25.024.027.0180 横向冲击功/J母材76847116焊缝737671图2压扁试验后试样形貌 28第3期李远征等：P110钢级中大直径高频电阻焊表层套管研制HAN GUAN 工艺参数合理，焊缝性能优良，具体试验结果见表2。3.4显微组织在试制套管上取金相试样研磨、抛光后用4%的硝酸酒精侵蚀，使用 Olympus-PMG3型显微镜观察试样的显微组织形貌，具体如图 3 所示。由图 3 可以看出，全管体调质处理后焊缝、热影响区和母材的组织均为回火索氏体且组织均匀。与此同时，按照GB/T 1056116标准检测试验钢的夹杂物A类（细）0.5级，D类（细）1.0级，未发现其他类型夹杂物；按照GB/T 639417标准检测试验钢的晶粒度为8.5级。良好的钢质纯净度、细小的晶粒尺寸及均匀的显微组织对保证套管的强韧性有利。3.5抗挤毁性能全管体外压挤毁试验宏观形貌如图4所示，244.48 mm11.05 mm P110钢级电阻焊套管挤毁强度最大值45.6 MPa、最小值41.5 MPa，平均值43.5 MPa，超出API 5C318标准要求值（30.5 MPa）36%以上，也高于同钢级无缝管挤毁强度，表现出了高频电阻焊套管优异的