新型P110钢级SEW石油套管研制

介绍了采用"HFW焊管+热张力减径+热处理"新工艺(简称SEW工艺)开发的P110钢级SEW石油套管的材料成分设计和试制,并对试制套管的显微组织、力学性能、外观尺寸和抗挤性能等进行了试验研究。试验结果表明,P110钢级SEW石油套管屈服强度达到840～860 MPa,抗拉强度达到925～935 MPa,母材与焊缝横向冲击韧性均达到66～78 J。特别是产品几何尺寸精度高,壁厚偏差在-1.74%～1.31%,椭圆度小于0.17%,抗挤毁强度超过API 5C3名义值26%,明显优于同钢级同规格无缝管,实现了焊缝性能优化。产品性能完全满足并优于API SPEC 5CT对P110钢级石油套管的要求。     

BSG-65钢级SEW石油套管的研制

为了实现套管性能与成本的合理匹配,采用新型焊管热机械控制工艺(高频电阻焊+焊管热张力减径+余热在线快速冷却)开发了一种低能耗、轻量化的BSG-65钢级Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。试验评价了试制套管的理化性能、全尺寸实物性能等多项性能。结果显示,产品的屈服强度和抗拉强度平均值分别达到490 MPa和692 MPa,0℃时1/2尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到42 J和35 J,螺纹连接强度平均值达1 706 kN,抗内压至失效强度平均值达77.6 MPa,抗外压挤毁强度平均值达60.1 MPa,产品的各项性能达到相关技术要求。     

海底尾水排放用X65MO超厚壁螺旋埋弧焊管的开发

为开发适用于尾水排放并满足海底运行条件的螺旋埋弧焊管,通过化学分析、显微组织分析和力学性能试验等方法,开发出一种低C及Mn-Cr-Mo-Nb系合金体系、多边形铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体组织特征的X65MO材质、25.4 mm超厚壁热轧卷板。同时,通过径厚比、板宽、成型角对成型质量的影响规律和焊接线能量对焊缝质量的影响规律进行分析研究,确定出小径厚比、超厚壁Φ1 219 mm×25.4 mm钢管的成型参数和焊接参数,获得了低残余应力和高焊接质量的钢管,并且对试制的螺旋埋弧焊管的理化性能进行了检测。结果显示,钢管母材屈服强度为475～560 MPa,抗拉强度为570～635 MPa,焊缝抗拉强度为590～690 MPa;-10 ℃下的母材、焊缝和热影响区夏比冲击功平均值分别达到427 J、207 J和215 J,0 ℃下DWTT剪切面积平均值为98%;母材、焊缝和热影响区硬度最大值为241HV10。研究表明,试制的海底尾水排放用X65MO钢级Φ1 219 mm×25.4 mm超厚壁螺旋埋弧焊管具有良好的力学性能,可满足API SPEC 5L（46版）标准和工程技术条件要求。     

国产55钢级SEW膨胀管实物试验研究

为了评估国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能,采用液压式膨胀方法对国产55钢级SEW膨胀管(牌号为BX55)进行了实物膨胀试验,并对膨胀后钢管的尺寸、力学性能、抗内压至失效、抗外压挤毁性能进行了研究。结果显示,BX55液压膨胀11.5%的启动压力为24 MPa,行进压力为22~25 MPa,膨胀过程的压力平稳;膨胀后管材的屈服强度为499 MPa,抗拉强度为562MPa,伸长率29%,母材横向和焊缝中心半尺寸试样0℃夏比冲击功分别为66 J和48 J,抗内压至失效压力超出API SPEC 5CT要求值87%,抗外压挤毁强度高于API RP 5C3标准要求值9%。试验结果表明,国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能优良。     

X70MS螺旋埋弧焊管的研制

为了开发酸性服役条件下的管线用管,通过对耐酸管硬度控制的研究、X70MS钢级卷板化学成分的设计、焊接材料的合理匹配以及焊接工艺参数的调整,研制出了X70MS钢级Φ711 mm×9.5 mm规格耐酸性埋弧焊管,并对试制钢管进行了化学成分分析、显微组织分析、硬度测试、力学性能检验以及HIC和SSC试验。试验结果显示,焊管管体屈服强度为489～555 MPa、抗拉强度为597～607 MPa,焊缝抗拉强度为667～679 MPa,管体和焊缝硬度均小于250HV10,0 ℃下母材冲击功大于226 J,焊缝单个冲击功大于169 J;母材、焊缝和热影响区裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）均为零;在72%SMYS、80%SMYS和90%SMYS三种载荷下SSC试样的拉伸面在10倍显微镜下均未发现断裂。试制结果表明,X70MS管材表现出良好的力学性能和耐酸性, 各项性能满足API SPEC 5L标准要求。     

Q125钢级SEW石油套管的研发

介绍了采用"高频电阻焊(HFW)+热张力减径+全管体调质热处理"工艺开发的Q125钢级SEW石油套管,并对所开发套管进行了常规力学性能检测。检测结果显示,Q125钢级SEW石油套管屈服强度达到945～955 MPa,抗拉强度大于995 MPa,母材及焊缝横向冲击韧性分别大于133 J和98 J。此外,HFW焊管经过热张力减径和全管调质处理后,焊缝区与母材的组织及性能基本一致。检测结果表明,"高频电阻焊+热张力减径+全管体调质热处理"组合新工艺可生产满足APISPEC 5CT标准的Q125钢级石油套管,套管具备优良的综合性能,完全能满足油田用户的需求。     

抗延性断裂X80厚壁直缝埋弧焊管的研发

为了满足油气输送管道对钢管止裂韧性的要求,采用超低C、低S、低P、无Mo或少量Mo以及Ni-Cr-Cu-Nb为主的合金设计体系和控轧控冷技术,开发出抗延性断裂的X80钢级Φ1 219 mm×33 mm厚壁直缝埋弧焊管。按照标准对该产品进行了夏比冲击性能、DWTT性能检测。检测结果显示,钢管管体屈服强度为570~665 MPa,抗拉强度为640~746 MPa,焊接接头抗拉强度为655~740 MPa;-10 ℃条件下母材夏比冲击功平均值达380 J,焊缝夏比冲击功平均值达165 J,热影响区夏比冲击功平均值达283 J;0 ℃条件下全壁厚DWTT试样剪切面积平均值＞80%。各项性能试验结果表明,开发的钢管满足抗延性断裂的要求,同时具有优良的低温韧性。     

N80钢级直缝高频焊石油套管的研制

为了进一步提升高频电阻焊套管的韧性,实现母材与焊缝“等韧性”匹配,采用高频焊+全管体调质热处理工艺试制N80钢级Φ244.48 mm×11.05 mm套管,并对试制产品进行性能检测评价。结果表明,管体的几何尺寸、理化性能和全尺寸实物性能均满足相关标准要求,且经全管体调质处理后,HFW套管的焊缝、热影响区和母材组织性能差异较小,基本实现了焊缝与母材“等韧性”匹配,同时套管尺寸精度较高,性能均匀,具有良好的抗挤毁性能,为油田客户降本增效提供了产品保障。     

套管尺寸偏差与挤毁强度关系的新认识

为了探讨API 5CT规范规定的套管尺寸公差对套管挤毁强度的影响,选取了J55钢级Ф139.7 mm×7.72 mm、L80钢级Ф177.8 mm×10.36 mm和P110钢级Ф244.5 mm×13.84 mm 3种有代表性的油田常用套管,采用有限元法对其在不同外径和壁厚偏差影响下的套管挤毁强度进行了非线性分析、计算,得到了单独考虑外径、壁厚及同时考虑外径和壁厚尺寸偏差下的套管挤毁强度及其变化规律。计算可知,在API 5CT规范规定的尺寸公差范围内,即使套管外径和壁厚的最不利偏差同时出现在同一横截面上,套管的挤毁强度仍然会在API额定值之上,椭圆度对套管挤毁强度的影响大于壁厚不均度的影响,套管圆周上壁厚最薄点决定着套管挤毁强度,壁厚不均度对套管挤毁强度的影响非常小,API给出的大外径套管额定挤毁强度偏保守。对于尺寸公差符合API 5CT规范的套管,其挤毁强度一般会高于API额定值一定幅度。      

正确选用套管提高深井和超深井套管的安全可靠性

API标准规定的套管钢级、螺纹连接强度已不能满足深井、起深井的要求,由世界各大厂家生产的非API标准蠢管解决了这一难题。文中论述了套管柱失效情况和提高深井、起深井套管柱安全可靠性的途径,提出了选择合适的钢级和高技济的套管;选用有特殊螺纹接头的套管,对特殊螺纹密封结构进行了分析。并对深井、超深井、高压井、定向并、水平开、热采井、有腐蚀性介质的井,如何选用套管和特殊螺纹接头进行了论述。     

超深井用140钢级套管模拟井射孔试验研究

随机抽取国产超深井用140钢级139.7mm×12.09mm和177.8mm×12.65mm的套管各3支进行模拟井射孔试验,对射孔前后套管材料的力学性能、微观组织及几何尺寸进行了对比检测,并以实测参数建模,运用有限元方法分析了射孔后套管的挤毁强度。试验及检验结果表明:6支套管在射孔后均未见宏观裂纹,材料的力学性能及套管尺寸参数满足相关标准要求;139.7mm×12.09mm套管在175℃的井底高温下抗挤强度下降14.4%,177.8mm×12.65mm套管在175℃的井底高温下抗挤强度下降11.7%。测试的140钢级套管射孔后的各项性能满足油田使用要求。     

C90级耐腐蚀HFW套管性能试验研究

从强韧性、显微组织、残余应力、沟槽腐蚀性能、抗氢致开裂性能、抗H2S应力腐蚀性能等方面,分析研究了采用"HFW高频焊接+热张力减径+全管体调质热处理"工艺开发的C90级耐腐蚀HFW套管产品的性能。结果表明,采用该工艺生产的C90级耐腐蚀套管屈服强度、拉伸强度均满足API 5CT标准对C90套管的要求,母材和焊缝的横向冲击功均大于100 J,且冲击功差异不大,残余应力小于80 MPa,并且对焊缝沟槽腐蚀和氢致开裂腐蚀均不敏感;在加载80%和85%名义屈服强度应力下,H2S应力腐蚀720 h后试样不开裂,说明该工艺生产的C90级耐腐蚀HFW套管具有良好的综合力学性能和抗H2S腐蚀性能。     

J55钢级SEW管坯调质生产N80Q套管工艺研究

为了拓展J55钢级（TG22）管坯的应用范围,降低N80Q套管的生产成本,对Φ139.7 mm×7.72 mm 规格的J55钢级SEW管坯进行了调质生产N80Q套管的工艺试验,并对热处理后的管坯进行了试验检测。试验结果显示,除了1#工艺生产的管坯性能超出标准范围外, 其他3种工艺调质生产的N80Q SEW套管均符合API SPEC 5CT标准要求。随后采用优化后的热处理工艺进行了小批量试制,并对试制套管进行了检测,结果表明,试制管坯均达到了API标准要求,性能稳定,采用的热处理工艺可行。     

X70厚壁海底管线钢管研制

根据我国南海深海管线用钢管的技术要求,开发出了厚壁X70钢级φ765.2 mm×31.8 mm海底管线钢管。通过对钢管进行检测:钢管管体纵向和横向屈服强度≥550 MPa,抗拉强度≥660 MPa,屈强比最低达到0.81,焊缝抗拉强度达695 MPa,均匀延伸率达到了7.6%,断后伸长率达到54%;在-20 ℃下管体冲击功平均值为340 J,焊接接头冲击功平均值最低为168 J;在0 ℃下管体CTOD特征值δm最高达到0.688 mm,焊接接头最小为0.222 mm,热影响区最小为0.280 mm。钢管管体母材、热影响区、焊缝部位的抗氢致开裂、硫化物应力腐蚀及盐雾腐蚀性能良好。试验结果表明研制的X70钢管具有优良的强塑性、低温韧性、断裂韧性及耐腐蚀性能,适用于海洋服役环境的油气输送。     

大直径超厚Φ1 422 mm×25.4 mm螺旋埋弧焊管开发

通过低碳高Nb＋Mo/Ni合金设计理念,采用粗轧低温快轧技术,成功开发出典型的针状铁素体型X80级Φ1 422 mm×25.4 mm大直径超厚螺旋缝埋弧焊管用热轧卷板。在制管过程中采用低残余应力成型技术,结合适度增加水压压力,管体内表面和外表面环向应力都低于80 MPa,并通过试验确定了厚壁管材焊接过程中的最佳热输入线能量。对试制后的X80级Φ1 422 mm×25.4 mm螺旋埋弧焊管进行理化性能检测,结果显示,管体屈服强度为556～615 MPa,抗拉强度为648～655 MPa,焊接接头拉伸强度≥669 MPa,0 ℃下,母材、HAZ和焊缝夏比冲击性能都在150 J以上,母材DWTT剪切面积94%,且管体和焊接接头硬度最大值仅255HV10。检测结果表明,试制的X80级Φ1 422 mm×25.4 mm管材具有良好的力学性能,且理化性能全部符合API SPEC 5L标准要求。     

X80钢专用高强度高韧性焊丝研制

西气东输二线工程采用X80级钢材,屈服强度在550MPa以上。为了实现钢管埋弧焊缝的高强度高韧性匹配,研究开发了X80钢专用H80焊丝,该焊丝匹配BG—SJ101 H1焊剂,熔敷金属屈服强度625MPa,抗拉强度660MPa,-40℃冲击功102J,具有较好的强韧性;在X80级厚壁管线钢焊接速度为1．7m／min时,焊接接头的抗拉强度达670MPa以上,-20℃冲击功平均值178J;焊缝的弯曲、硬度等试验结果均达到API SPEC 5L及西气东输二线X80级钢管标准要求。     

油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患.文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型.结果表明,该模型计算出的油管套...     

国产X80大直径厚壁螺旋埋弧焊管开发

为了进一步降低管道建设成本,采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti合金设计,开发出了以针状铁素体为主的X80级22 mm/21.4 mm厚壁热轧卷板;通过制管工艺优化和控制,开发出了X80级Φ1 219 mm×22 mm和X80级Φ1 422 mm×21.4 mm国产大直径、厚壁螺旋缝埋弧焊管。产品性能检测结果表明,管体屈服强度、抗拉强度、焊接接头拉伸强度以及管母、焊缝、HAZ冲击韧性、DWTT等指标均达到或超过西气东输三线和中俄东线技术条件要求和API 5L标准要求;钢管静水压爆破试验起爆点位于母材,爆破口呈100%韧断;环切法测得环向弹复量为-55~-220 mm,盲孔法测得环向残余应力为-179~264 MPa,与同规格、同钢级直缝管相当,具有较低的残余应力。产品经国家油气管材质量监督检验中心检测,并经管道局环焊试验,符合管道工程技术条件和API5L及相关标准要求。产品千吨级试制表明,国内具备工业化批量生产能力。     

-45℃低温环境用X80钢级Φ1 422 mm×30.8 mm站场直缝焊管的开发及性能研究

针对中俄东线天然气管道工程用站场低温管的技术要求,通过对焊管焊接工艺、焊材匹配及扩径工艺的研究,开发出了-45℃低温环境用X80钢级Φ1 422 mm×30.8 mm站场直缝焊管,并对焊管力学性能进行了检验。检验结果表明,焊管管体屈服强度为606～660 MPa,抗拉强度为681～737 MPa,屈强比为0.85～0.91,-45℃时冲击功平均值为327 J, DWTT剪切面积平均值为57%;焊缝冲击功平均值为144 J,热影响区冲击功平均值为225 J。各项性能指标均满足《中俄东线天然气管道工程站场低温环境用管材、管件技术条件第5部分:站内钢管》要求。     

P110钢级LC套管螺纹接头内压失效分析

为了研究LC套管螺纹接头密封性的影响因素,对某套管制造企业生产的P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管进行了了内压至失效试验。试验结果显示,当试验压力升到69 MPa保压10 min时套管无泄漏,继续升压至83.5 MPa时现场端螺纹接头出现泄漏失效,未达到API TR5C3标准对P110钢级内屈服压力要求(≥93.6 MPa)。对螺纹接头母材理化性能、螺纹接头质量控制、内外螺纹参数匹配、螺纹脂等影响因素的分析表明,上扣扭矩值过小及内外螺纹参数不匹配是本次螺纹接头泄漏的主要原因,最后提出了防止螺纹接头泄漏失效的措施。