油管和套管標準中部分技術條款探討

李昱坤，閆 凱，衛 棟，田新新，韓華剛，韓新利

（石油管工程技術研究院，西安710077）

油管和套管標準中部分技術條款探討

李昱坤，閆 凱，衛 棟，田新新，韓華剛，韓新利

（石油管工程技術研究院，西安710077）

針對油管和套管標準中批的定義、硬度試驗、硫化物應力開裂試驗（SSC）、抗擠毀試驗、接箍鋼級替代、接箍承載面寬度以及偏梯形螺紋黑皮扣這7個未明確或存在疑義的條款進行分析。提出了一些合理化建議，為采購方在訂貨時和制造廠生產油管和套管產品時進行質量控制提供參考。

API SPEC 5CT；油管；套管；試驗方法

近年來由于對石油需求的持續增加，以及油田勘探開發的條件越來越復雜，對油、套管的性能要求也就越來越高。鑒于此形勢下，各家工廠紛紛開發出適應不同地質條件的非API油管、套管以滿足復雜工況需求。在開發新產品過程中都是以API SPEC 5CT《油管和套管規范》（以下簡寫5CT）作為最基礎標準，但在一些關鍵性指標或命名與5CT上產品有所區別。也正是因為各家產品與標準的要求有區別，才導致了油田用戶簽訂油管、套管訂貨技術條件時信息方面存在不對等情況。本文結合油管、套管產品標準及多年石油專用管監督工作經驗，對標準中批的定義、硬度試驗、硫化物應力開裂試驗（SSC）、抗擠毀試驗、接箍鋼級替代、接箍承載面寬度和偏梯形螺紋黑皮扣7個存在疑問的條款進行探討。

1 存在疑問條款的分析

1.1 幾種批的定義

在5CT標準中有3種批的定義［1］，分別是爐批、檢驗批和力學性能試驗批。其中爐批定義為“一爐投料熔煉的單一循環過程所生產的金屬”。檢驗批定義為“待檢的、屬性一致條件下生產的限定數量的產品”。力學性能試驗批定義有兩種情況，第1種為“1、2（僅對M65、L80-1）、3組來自同一爐批或根據文件化程序確定確保其符合本標準適當要求而編為一組的不同爐批的鋼、經過軋制或作為連續作業的一部分（或單獨作為一批）進行熱處理、具有相同規定尺寸和鋼級的所有產品”。第2種“2（除M65、L80-1）、4組來自同一爐鋼、作為連續作業的一部分（或單獨作為一批）進行熱處理、具有相同規定尺寸和鋼級的所有產品”。

通過對標準中不同批的定義可以看出，爐批的范圍較大，檢驗批的定義范圍較小，而力學性能試驗批（或簡稱試驗批）則比較靈活，可是同一爐批也可以是同一熱處理批。這就需要采購方在訂貨技術協議中對不同的批的定義要明確數量或定義范圍。例如，在SSC試驗、抗硫加厚油管硬度試驗等方面就需要對批和數量進行確認，以便質量控制的合理、合規。

1.2 洛氏硬度試驗判定問題

對抗腐蝕類管材，硬度試驗是必不可少的，特別是抗硫化氫要求材料硬度值越低越好。以80ksi鋼級抗腐蝕類油管、套管為例，在5CT標準和很多油田油套管訂貨技術協議中經常可以看到，要求管體與接箍的硬度均按照洛氏硬度C標尺進行小于23 HRC判定。

根據GB／T 230.3—2012標準中洛氏硬度C標尺及使用范圍規定［2］：洛氏硬度C標尺（HRC）的硬度值有效范圍為20～67 HRC，被廣泛適用于調質鋼、淬火鋼等的硬度測試方法。通過對國內3家代表性工廠80ksi鋼級抗硫管超過100組數據硬度試驗結果統計發現，國內80ksi鋼級抗硫管HRC實際測試數值大量在14～19 HRC如表1。

表1 國內工廠80ksi鋼級抗硫管HRC結果分布比例

從表1可以看出，針對80ksi或更低鋼級抗硫管這類材質的材料，只有A工廠有8.5%產品硬度值大于20 HRC，其余2個工廠都小于20 HRC，這樣采用洛氏硬度C標尺（HRC）試驗方法和數據是否有效就存在疑義。

建議生產廠對此類材料采用布氏硬度或維氏硬度試驗，盡快提交相關標準化協會，對標準條款做出修訂。此外，客戶在簽訂技術協議時，也需要與工廠就此類問題進行溝通，不要一概要求使用洛氏硬度C標尺（HRC）試驗方法。

1.3 硫化氫應力開裂試驗（SSC）及復驗問題

采購方或監理方經常會與工廠在SSC試驗問題上有較大分歧。一方面，標準中僅對C90、T95、C110鋼級的抗硫管有明確SSC試驗要求，而工廠自主開發非API鋼級抗硫管是否也按每爐批做抗硫試驗？另一方面，標準中對C90、T95、C110鋼級試驗批次有要求，但對試驗數量、復驗卻沒有明確，僅指明需要客戶和生產廠進行溝通確定。

對非標準鋼級是否做SSC試驗問題，筆者認為抗硫試驗是抗硫類產品為質量控制的目的所設定，以證明材料是否具有一定的抗硫化氫能力。不能因為標準上沒明確就不做，80ksi、90ksi、95ksi、110ksi鋼級的抗硫油套管無論API還是非API產品都應該每爐批（管體和接箍）對抗硫性能進行試驗，不能因為試驗周期720 h，而簡化試驗或者以成熟產品為由省略該項關鍵性試驗［3］。

因標準中未明確試驗批的數量，且SSC試驗周期很長，通常情況下，工廠選擇對抗硫管進行每爐抽取一個試樣，根據ANSI-NACE TM0177—2005標準進行試驗。出現不合格時，由于5CT標準中沒有復驗具體要求，因此對不合格的處理缺少依據。例如重新試驗抽取的試樣從那根管子上截取？若再次試驗的2個試樣一個合格，另一個不合格時如何處理等，這些問題標準中都未給出明確說法。筆者查閱相關標準，在SY／T6857.1—2012《含H2S油氣田環境下碳鋼和低合金鋼油管和套管選用推薦做法》標準中有較為明確說法［4］：

1） 每個樣品上應至少取3個平行試樣作為1組進行試驗。

2） 試驗頻率應為每爐、每批或者每100根管子取1個樣品進行檢測，抽樣頻率取3者中最高者。

3） 若有1個或2個試樣不能通過，應在征得用戶或者購方同意的前提下，才能進行復驗。

可以看出SY／T6857.1—2012標準中的取樣數量、批次大小、試驗復驗方面都有明確說明，該要求可有效保證產品質量控制的有效性，提升抗硫類管材質量的可靠性，建議采購方制定技術協議時可參考采用。

1.4 套管擠毀試驗頻次及復驗問題

套管的抗擠毀能力是多重因素所影響。在5CT中，理化等基本性能要求和對復驗的問題描述都很清楚，獨缺少對抗擠毀類管材試驗的要求，僅在API TR 5C3中對抗擠毀性能有相關推薦計算公式［5］，但對擠毀等試驗的取樣、數量、甚至復驗等方面都沒有任何要求。大多數情況下，采購方訂購的抗擠毀管材，制造廠通常會與其協商提供以前的擠毀試驗報告證明或是在訂購產品中選做一個試樣代表。由于沒有標準要求，隨之就帶來一系列問題：原先試驗的報告能否替代當前套管質量？選取的管材是否有代表性，合格是否就代表整批具備抗擠毀能力？不合格又如何再復驗？根據產品質量抽樣方法，筆者建議應從每爐批中選取1根壁厚不均度最大的或外徑不圓度最大的套管試樣來做外壓擠毀試驗，這樣試驗才能具有代表性，證明整批管材的抗擠毀能力。若出現外壓擠毀試驗不合格，則本批次產品不合格。另外，要求采購方在簽訂的合同或訂貨協議中明確取樣方法、取樣數量、抗擠毀值、復驗要求等。

1.5 接箍替代鋼級問題

5CT中對接箍的一般要求是“接箍應是無縫的，除9.2所列情況外，應具有與管子相同的鋼級和類型、相同或更高的PSL，并經過與管子相同的熱處理。”實際中，因接箍料壁厚大、用量少，專門為某產品對應軋制，成本必然會增加。加之在合同或訂貨技術協議中未有明確要求的，一些工廠會采用替代鋼級接箍料。例如某廠用95SS或P110鋼級接箍替代80S鋼級接箍，對于此種鋼級替換方式是否可行，特別是會因不同材質導致有硬度差異，上卸扣時導致粘扣現象，但這些情況尚無明確的研究及相應指導依據。

建議在出現接箍鋼級替換時，工廠應征得采購方書面同意或者提供相關標準、技術文件、替代先例等，以證明用于替換的接箍性能符合技術協議和相關標準要求。同時業主在簽訂技術協議時，對接箍鋼級是否可以替換做出明確規定。此外，如果許可替代，替代原則也應該是同類材質為宜，如抗硫類的高帶低，抗擠毀的高帶低，熱采的高帶低等，非同類替代應該禁止。

1.6 接箍承載面寬度及外螺紋鼻端厚度

5CT標準中9.5條款“接箍承載面的內外棱邊應為圓角或倒角，但不能過分減小承載面的寬度（尺寸b），以保證有足夠的厚度，能安全地支撐吊卡上管子的質量。接箍的兩端面應與軸線嚴格垂直”。標準中對每種規格的接箍承載面寬度b給出了具體數值要求，但根據9.5條款看并未明確是否是一定要大于b。此外，在API SPEC 5B中對外螺紋鼻端厚度也未做明確。如圖1中的接箍毛坯就因為壁厚不均，在加工后會產生b值小于規定值情況；圖2中加工完的套管外螺紋因壁厚不均，導致端部螺紋壁厚差異較大。這兩種情況下的螺紋在使用中都會因壁厚不均而降低螺紋的連接強度，特別是帶有密封面的特殊螺紋若出現壁厚不均將問題更嚴重。因此，筆者認為接箍承載面寬度b，標準中要求的值應該是最小值，而外螺紋端部壁厚也必須在加工參數中明確最小控制要求。此外，生產工廠應該對接箍b值和外螺紋端部壁厚明確控制指標，并增加檢驗比例，以防止圖1～2中情況出現。

圖1 接箍壁厚不均勻

圖2 外螺紋鼻端壁厚不均勻

1.7 偏梯形螺紋套管黑皮扣問題

在油田現場可以看到一些偏梯形螺紋套管出現螺紋形貌不對稱，斷扣、黑皮現象嚴重的情況（如圖3～4），但根據API 5B中對偏梯形螺紋的要求測量又合格（API5B中“在Lc長度范圍內允許有兩牙黑頂螺紋，但黑頂螺紋的長度不能超過管子圓周長的25%，在Lc長度的其他螺紋均應是全頂螺紋［6］”）。此外API5B對L4只給出了確定數值，作為螺紋連接設計的依據，沒有規定公差，不作為產品接收和拒收的依據。也有人對此提出了不同看法，認為L4影響泄漏通道長度和連接強度，應該有公差要求［7］。在實際加工中影響偏梯形螺紋接頭全頂螺紋長度的因素有管端最小外徑、管端橢圓度、管端直度。如果要加工出合格的偏梯形螺紋，最小外徑就要至少大于大端直徑D4，管端橢圓度要求公差更小，管端直度也需要控制要求更嚴格（標準要求1.5 m內最大為3.18 mm）。建議在制造偏梯形螺紋套管時應綜合考慮API 5CT和API 5B的各項要求，而不僅僅是螺紋Lc內合格，為提高螺紋加工合格率應制定更為嚴格的管子幾何尺寸控制措施，以減少前文中所述現象的出現，達到提高螺紋質量目的。

圖3 套管偏梯形螺紋斷扣現象

圖4 套管偏梯形螺紋黑皮現象

2 結論

1） 工廠自身質量意識的提高，采購方明確的訂貨技術要求，相關機構對油管、套管標準化的進一步完善，將整體提升國內油管、套管的質量水平，降低用戶的使用風險。

2） 對于采購方和制造方都應該在產品訂貨制造前做好相應溝通，明確相關技術參數要求，才能對產品質量有更加準確的把握，不會造成產品質量信息的不對稱。

3） 制造企業、監督部門應針對標準中存在疑問的產品技術要求，驗證、收集相關產品的質量數據，通過有效分析和證明，得出合理的油管、套管產品控制方法。

4） 相關工廠、標準研究者應研究或通過驗證的大量數據，向API標準化協會提出標準修訂要求。通過專業化協會組織廣泛征集意見，將標準中含糊或未明確的技術條款得到有效確認，讓產品制造質量控制有據可依，進一步提升產品的質量。

［1］ API SPEC 5CT，Specification for Casing and Tubing［S］.9th ed.2011.

［2］ GB／T230.3—2012，金屬洛氏硬度試驗.第3部分：標準硬度塊（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）的標定［S］.

［3］ 李昱坤，易曉明，李京川，等.國內非API油套管質量現狀淺談［J］.石油工業技術監督，2012，28（6）：13-15.

［4］ SY／T6857.1—2012，含H2S油氣田環境下碳鋼和低合金鋼油管和套管選用推薦做法［S］.2012：12-13.

［5］ API TR 5C3，石油和天然氣工業套管、油管、鉆桿和作為套管或油管使用的管線管的性能公式及計算［S］.2008：22-27.

［6］ API SPEC 5B，Specification for Threading，Gauging and Thread Inspection of Casing，Tubing，and Line Pipe Threads［S］.15th ed.2008.

［7］ 呂拴錄，姬丙寅，楊成新，等.?244.5 mm套管偏梯形螺紋接頭L4長度公差分析及控制［J］.石油礦場機械，2012，41（6）：63-66.

Discussion of the Tubing and Casing Standard Part of the Technical Terms

LI Yu-kun，YAN Kai，WEI Dong，TIAN Xin-xin，HAN Hua-gang，HAN Xin-li
（CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China）

There are seven terms which are indefinite and still in doubt in tubing and casing standard.The terms which include the definition of the lot，hardness test，sulfide stress cracking test（SSC），collapsing test，couplings alternative grade，width of coupling bearing face and black crest of buttress threads are analyzed.Some appropriate proposals are developed for purchaser to place order and manufacturer to control quality of tubing and casing.

API SPEC 5CT；tubing；casing；test method

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.002

1001-3482（2014）12-0005-04

2014-05-09

李昱坤（1979-），男，陜西漢中人，工程師，主要從事石油專用管材質量監督和技術服務工作，E-mail：liykcn＠163.com。