油井管的質量缺陷及其預防

徐 軻 楊力能 衛 棟 田新新 豐振軍

西安三環科技開發總公司 （陜西 西安 710065）

油井管的質量缺陷及其預防

徐 軻 楊力能 衛 棟 田新新 豐振軍

西安三環科技開發總公司 （陜西 西安 710065）

介紹了油井管的質量要求，指出了油井管在生產過程中的質量缺陷，主要有管體本身的缺陷（理化性能不符合要求、無損探傷不符合要求、幾何尺寸超差和通徑不合格）、表面缺陷（裂紋、內折、外麻坑和表面擦傷等）和螺紋缺陷（黑皮扣、顫紋、亂扣和螺紋參數超標等），分析了質量缺陷產生的原因，并提出了缺陷的預防及處理措施。

油井管 質量要求 質量缺陷 預防措施

油井管簡稱OCTG（Oil Country Tubular Goods）,在石油工業中有著舉足輕重的位置，油井管在石油工業中不但用量大，更重要的是其安全可靠性和使用壽命決定了油井、油田的壽命。我國每年僅鉆柱斷裂掉井事故達1 000起左右，據鉆進承包商協會（IADC）統計，每起鉆柱斷裂掉井事故平均直接損失10.6萬美元[1]。為了避免由質量缺陷帶來的巨大損失，并能準確識別這些質量缺陷，本文重點對油井管生產中的質量要求和質量缺陷做以介紹，指出了預防措施。

1 油井管的質量要求

油井管的服役條件惡劣，常在高溫、高壓、腐蝕環境下使用，為了適應各種惡劣的地質工況環境，這就對油井管的連接強度和密封性能提出了很高的要求。目前，我國采用的油井管標準除了最基本的API標準外，還有非API標準和技術補充協議。API油井管是嚴格按照API標準生產和檢驗的一類油井管產品，其技術成熟、通用性強。非API油井管是生產廠根據用戶需求，或為了滿足某些特殊使用性能要求，不按照或不完全按照API標準生產、檢驗的一類油井管，屬于各生產廠家的專利產品。但是，不論是API還是非API油井管，其質量要求主要包括理化性能的質量要求、無損探傷的質量要求和螺紋的質量要求。

1.1 理化性能要求

API Spec 5CT[2]《套管和油管規范》明確規定了油井管鋼（接箍和管體）的化學成分、拉伸性能、硬度和夏比V型沖擊等要求。但需要注意的是對第二組鋼級（C、L、M、T鋼級的所有產品，即限定屈服強度的油管和套管）都規定了硬度的最高值，還對C90、T95、Q125的硬度變化差值也做了特別規定。另外，對C90、T95的淬透性（馬氏體最小百分比）、晶粒度和硫化物應力腐蝕開裂試驗（SSC）等也做了要求；對9Cr、13Cr油套管，規定最終熱處理后管體表面應無氧化皮；對夏比V型缺口沖擊的取樣的方向、試樣的尺寸及吸收能遞減系數也做了要求。API Spec 5DP[3]《鉆桿規范》要求鉆桿（管體、接頭、焊區）需要進行化學成分分析、沖擊、拉伸、硬度、橫向側彎試驗和金相檢驗等。所以在取樣時應該注意所規定的取樣方向和位置，還必須考慮到試樣的加工精度，否則會影響到試驗結果的真實性。

1.2 無損檢測的質量要求

API Spec 5CT規定所有要求做無損檢驗的管子、接箍毛坯和附件應進行全長（一端到另一端）缺陷檢驗。API Spec 5DP規定每個鉆桿管體都應沿全長進行檢驗，以探測在外面表和內表面上的缺欠（縱向和橫向）。當自動設備不能檢驗管子端部盲區時，應使用磁粉檢驗做輔助檢測，除壁厚檢測外，所要求的無損檢測應在最終熱處理和所有旋轉矯直作業后進行。

1.3 螺紋的質量要求

螺紋和螺紋連接是套管柱質量和強度的核心部分[4]。螺紋的基本連接類型可分API螺紋（長圓螺紋、短圓螺紋、偏梯形螺紋、直連型螺紋）和非API螺紋（特殊扣）。螺紋連接部分是套管柱中最薄弱的環節，據調查，油套管失效事故約64%發生在螺紋連接部位[5]，而油井管的連接一般采用螺紋連接方式。由于油井管使用的特殊性，要求油井管螺紋具備良好的密封性能和足夠的連接強度。一般來講，圓螺紋的連接強度為60%-80%[6]，隨著所用鋼級的提高，圓螺紋的連接強度還會下降。圓螺紋的連接強度較低，但較圓螺紋套管而言，偏梯螺紋和直連型螺紋的連接強度比圓螺紋要好。

API Std 5B[7]《套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范》指出：所謂緊密連接，是指連接處涂上高級螺紋脂作適當機緊后，在環境溫度及規定的水壓試驗壓力范圍內不泄漏。油井管的內外螺紋應進行鍍銅或者磷化處理，以便減少磨損并提高接頭的抗泄漏性能。一般認為，特殊螺紋的密封性能最好，圓螺紋次之，偏梯形螺紋相對較差。在生產過程中，判定油套管螺紋是否連接緊密，并滿足使用要求的辦法，目前還只能是進行靜水壓試驗。

2 缺陷原因分析及預防措施

2.1 管體本身缺陷

2.1.1 理化性能不符合要求

油井管的理化性能是判斷其質量是否合格的重要依據，任何一項理化性能指標出現問題，都可能會對產品的安全性帶來致命的威脅，因此在質量控制過程中應該格外重視。鋼的化學成分是影響油井管性能最主要的因素之一，也是制定軋管工藝參數和鋼管熱處理工藝參數的主要依據；鋼的理化性能主要取決于鋼的化學成分、組織結構、鋼的純凈度以及鋼的熱處理方式等。影響試驗結果的因素，歸根結底主要有4點，即人的因素、試驗設備因素、材料因素、取樣方式和試驗方法。所以為了滿足油井管的質量要求，應嚴格執行工藝文件，采用科學的鋼種設計、提高冶煉水平、減少鋼種有害元素及非金屬夾雜物的含量，控制軋管和熱處理工序質量，提高鋼管的綜合力學性能。

2.1.2 無損探傷不符合要求

油井管的無損檢測技術是保障產品出廠質量的重要檢測手段之一，必須對鋼管進行100%探傷。在探傷過程中應該注意探頭的選擇、標樣人工缺陷的尺寸、探傷方向、探傷速度、探傷靈敏度的設置和偽缺陷的辨別等問題。在機探時，對有疑議的管子應該用手動探傷方法進行確認，防止漏檢、誤判；有缺陷的管子要嚴格隔離，避免流入到下道工序；對于可修磨的缺欠，在修磨后還應該進行復探，復探合格且滿足壁厚要求后方可放行。

2.1.3 幾何尺寸超差

鋼管的幾何尺寸超差，主要是指經過定（減）徑后的鋼管，其外徑、壁厚或者橢圓度未達到標準所規定的尺寸和偏差要求（橢圓度超差見圖1）。鋼管的外徑精度是一個十分重要的指標。造成外徑及橢圓度超差的主要原因有：①軋輥的輥縫過大（過小）或者孔型錯位。當軋輥的輥縫過大（過小）或者孔型錯位時會改變孔型的尺寸和形狀，就有可能導致鋼管外徑超差或外形呈橢圓形。②軋輥的加工精度差或磨損嚴重。當軋管出現了嚴重的磨損之后，鋼管的外徑會隨著孔型直徑的變大而變大，如果孔型的磨損是不均勻的，那么鋼管就會出現外形不圓的現象。③荒管溫度過高或過低等。荒管加熱溫度的高低會使金屬的變形抗力發生變化，鋼管的加熱溫度越高，金屬受膨脹后，鋼管的熱外徑就越大。

圖1 橢圓度超差

為了提高鋼管的外徑精度，減小橢圓度，應該保證軋輥的精度和孔型的加工精度，使孔型尺寸和形狀符合工藝要求；嚴格按照工藝要求控制荒管的加熱溫度，提高鋼管沿軸向的溫度均勻性等。

2.1.4 通徑不合格

為了固井和下次鉆井的順利進行，API Spec 5CT[2]規定對每根成品或半成品管都應進行全長通徑檢驗。API Spec 5DP[3]規定對每根鉆桿進行貫穿鉆桿接頭和加厚區的端部通徑檢驗。鋼管的彎曲度超標或鋼管內表面存在嚴重的凸包，可造成通徑不合格；當鋼管的外徑為負偏差，壁厚成正偏差時，此時鋼管的內徑可能偏小，也是造成鋼管通徑不合格的重要原因。因此嚴格控制鋼管軋制過程中的精度和外觀質量，可避免鋼管通徑不合格的現象。

2.2 表面缺陷

2.2.1 裂紋

在軋制過程中，當變形量太大、孔型調整不當或軋制工具表面磨損嚴重時，會使金屬變形不均勻，產生較大的附加應力和附加變形，特別是當孔型頂部的金屬對孔型側壁處的金屬產生的附加拉應力超過金屬的強度極限時，鋼管表面就會形成裂紋 （見圖2）。減少荒管壁厚不均及減小金屬不均勻變形，有利于減少荒管的表面裂紋[8]。

圖2 裂紋

2.2.2 矯凹

矯凹就是在鋼管外表面呈現出的螺旋凹入形狀（見圖3）。造成矯凹的主要原因是矯直機輥的角度調整不當、壓入量較大和矯直輥的磨損嚴重等。設置合適的矯直輥角度和壓入量以及定期對矯直輥進行維護，可有效避免矯凹的產生。

圖3 矯凹

2.2.3 內折

內折是指在鋼管的內表面成片狀、直線狀或螺旋狀的折疊（見圖4）。內折是斜軋穿孔中最容易發生的質量缺陷，它與管坯的穿孔性能、穿孔機的孔型及穿孔工藝參數的調整和穿孔頂頭的質量有十分密切的關系。采用連鑄坯軋制產生的內折與中心疏松、芯部縮孔以及柱狀晶在鑄坯內呈現的程度有關，相當部分直線型內折是由于磨損的芯棒造成的，由于芯棒表面嚴重磨損形成凹槽，在軋制時使鋼管內表面形成縱向凸棱，再繼續軋制時凸棱被碾壓而形成線性折疊，線性內折一般折疊部分較窄，容易修磨掉[9]。嚴格控制連鑄管坯的質量，注意穿孔、軋制工具的使用可以有效預防內折的產生。

圖4 內折

2.2.4 外麻坑

外麻坑是指在鋼管表面某一區域呈片狀分布的麻點（見圖5）。產生這類缺陷的原因是由于鋼管加熱時間過長或加熱爐溫度過高，使鋼管表面產生嚴重的氧化皮，在軋制時沒有除掉的氧化皮被壓入金屬表面，經矯直后氧化皮脫落則形成麻坑。大面積麻坑的管子在長期服役過程中，由于腐蝕等破壞性條件的存在，麻坑會不斷擴大，形成損壞源，影響管子的使用壽命。因此，應該嚴格控制坯管的加熱時間和加熱溫度等，防止產生過多、過厚的氧化皮，從而避免產生麻坑。

2.2.5 劃（擦）傷

劃（擦）傷就是在鋼管外表面呈螺旋形或直線形溝狀缺陷的現象（見圖6）。產生劃（擦）傷的主要原因有兩點，一是機械劃傷，如輥道、傳送鏈和運輸方面等；二是熱區再加熱爐爐內輥道引起的劃傷，如軋輥磨損嚴重或軋縫有異物等。

2.3 螺紋缺陷

2.3.1 黑皮扣

黑皮扣是由于螺紋局部加工量太小而呈現 “不光潔”的現象（見圖7）。這種現象與管子壁厚不均勻和橢圓度大有關。對于圓螺紋，在Lc至螺紋及消失點之間允許存在，Lc范圍內不允許存在黑皮扣；對于偏梯形螺紋套管，在Lc長度范圍內，允許存在兩牙黑皮扣，但黑皮扣的長度不能超過管子圓周的25%，在Lc長度的其他螺紋均應是完整螺紋。

2.3.2 顫紋

顫紋表現為在螺紋表面可看到有明顯的水波樣反光，若用指甲輕刮，有跳動感（見圖8）。它主要是由于工件中心與機床切削中心不同心或管子彎曲、主輔機不同心（吃刀太深、精車余量太多、刀臺發生振動），切削刀具安裝高度與工件中心不符合，刀具切削刀過于尖銳，工件或刀具的高速振動引起的。調整合適的主軸轉速和吃刀量等可防止顫紋的發生。

2.3.3 螺紋銹蝕

由于在切削后倒角面與螺紋面暴露出的夾雜物或氣泡，形成表面點狀坑或空穴，所以管子在存放時出現螺紋銹蝕（見圖9）。在Lc范圍內，出現螺紋齒側的銹蝕、小麻點，或接箍螺紋上鍍層的脫落、銹蝕均不合格。在實際生產中，應該把螺紋表面處理干凈后，再在整個螺紋表面上均勻的涂上螺紋脂，防止螺紋銹蝕。

2.3.4 亂扣

亂扣（見圖10）與加工刀具、數控程序切削過程有直接關系。產生亂扣的主要原因有：磨刀、換刀時沒有重新校對車刀；工件沒有夾緊，加工過程中工件在卡盤內轉動或軸向移動；車刀沒能緊固，加工中車刀在軸向方向上發生移動，改變了車刀和工件原來的相對位置，造成亂扣。所以在車絲時注意檢查刀具及設備零部件運轉情況，避免產生亂扣。

2.3.5 螺紋碰傷

在生產和成品運輸以及存放過程中，螺紋表面由外物碰撞留下的尖銳性凹坑。在Lc范圍內，若輕微凹坑不影響螺紋表面的連續性，則合格，較嚴重凹坑需進行修磨或判廢。為了防止油井管裸露的螺紋被碰傷、壓壞和生銹等，除了生產時要保證絲扣不與堅硬的物體發生碰撞外，還要在絲扣上帶螺紋保護器。

圖10 亂扣

2.3.6 螺紋參數超標

螺紋參數包括齒高、螺距、錐度、緊密距等，這些參數對螺紋的連接強度和密封性能都會產生影響。螺紋的緊密距是各個單項參數的綜合值，即使各單項參數合格，其緊密距也有可能不合格。當螺紋的緊密距不合格時，要分清是由于機械變形或者毛刺引起的，還是本身加工時就不合格。油套管或者鉆具的緊密距出現分歧時，用任一套合格校對規檢驗合格后就算合格。在實際檢驗中，鉆具螺紋鍍銅后與鍍銅前的緊密距范圍有所差別，API標準建議在鍍銅前測量，鍍銅后協商解決，鉆桿國外訂貨技術條件規定，鍍銅后的緊密距值僅作參考，不做判定依據。螺紋各項參數的精度，除了與螺紋的加工方法有關外，還與機床的精度、加工過程中的平衡性以及加工刀具的精度有關，要求選擇合適的刀具和切削參數，保證螺紋的精度和表面粗糙度，掌握好進刀次數和進刀量，這樣才能保證螺紋的加工質量。

2.3.7 J值超標

J值在API Std 5B中規定為“機緊后管端到接箍中心面的距離”。 J值是決定螺紋連接質量的重要參數之一，可以通過檢驗J值來判斷螺紋的上緊程度。螺紋接頭擰接的控制方法主要有三種：一是扭矩控制，達到設定的最佳扭矩；二是擰緊圈數控制，達到設定的機緊圈數；三是扭矩-圈數聯合控制。目前大多數生產廠均采用同時控制上扣扭矩和圈數的做法，這樣可以保證油套管接頭處于最佳的連接狀態。

3 結 語

隨著油井管使用環境惡劣化和井況的復雜化，油井管產品的可靠性、安全性至關重要，分析了油井管的質量缺陷，并提出了預防措施。

（1）油井管的理化性能試驗和無損檢測是保障產品質量的重要檢測手段，任何一項指標出現問題，都可能會對產品的安全性帶來致命的威脅，因此在質量控制過程中應該格外重視。

（2）裂紋、內折、矯凹和外麻坑等表面缺陷在原料檢驗、過程檢驗和成品檢驗過程中應嚴格執行相關標準和技術協議，確保油井管的質量。

（3）黑皮扣、顫紋、亂扣和螺紋參數超標等螺紋缺陷將直接影響到產品可靠性，應針對不同的缺陷類型找出其產生的原因從而及早采取對應的預防措施。

[1]李鶴林，韓禮紅.芻議我國油井管產業的發展方向[J].焊管,2009,32 (4):5.

[2]API Spec 5CT套管和油管規范[S].

[3]API Spec 5DP鉆桿規范[S].

[4]周開吉,郝俊芳.鉆進工程設計[M].東營:石油大學出版社,1996:35.

[5]袁光杰.API偏梯形套管螺紋連接的接觸應力場研究[J].鋼鐵, 2004,39(9):35.

[6]高連新.上扣扭矩對圓螺紋套管連接強度的影響[J].天然氣工業, 2005,25(2):87.

[7]API Std 5B套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范[S].

[8]成海濤.無縫鋼管缺陷與預防[M].成都:四川科技技術出版社,2007: 139.

[9]莊鋼.連軋無縫鋼管產品缺陷(欠)分析[J].鋼管,2006,35(5):26-27.

Based on an introduction to the quality requirement of oil well pipes,it is pointed out there are quality defects of oil well pipes in the production,including the defects of pipe itself(such as the physical and chemical properties,nondestructive flaw detection,and geometric dimension errors and diameter that do not comply with the requirement and regulation)，surface defects(such as cracks,internal breaking,external pockmark and surface raw),and thread defects(such as black buckle,shivering thread,confused buckles and screw parameter beyond the standards).Then an analysis is carried out on the causes of quality defects,followed by the proposal of defect preventions and some countermeasures.

oil well pipe;quality requirement;quality defects;preventive measures

徐軻（1983-），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事石油管材的質量監督與檢驗工作。

張簫鈴

2011-07-25