高鋼級(jí)石油套管熱處理性能均勻性研究

劉興春，陳勇，張堯，秦桂偉

（1.北京科技大學(xué)，北京100083；2.鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠，遼寧鞍山114021）

高鋼級(jí)石油套管熱處理性能均勻性研究

劉興春1，2，陳勇2，張堯2，秦桂偉2

（1.北京科技大學(xué)，北京100083；2.鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠，遼寧鞍山114021）

針對(duì)無縫鋼管熱處理后性能不均現(xiàn)象進(jìn)行了分析。現(xiàn)場跟蹤觀察與檢驗(yàn)結(jié)果表明，通過采取控制熱處理爐爐溫均勻性及水淬均勻性等措施，可改善同一支管性能的均勻性，使石油套管的性能處于均勻可控狀態(tài)。

石油套管；性能均勻性；爐溫控制

國內(nèi)石油開采行業(yè)已呈現(xiàn)“更深、更強(qiáng)”的趨勢，行業(yè)發(fā)展趨勢對(duì)石油套管的性能提出了更高的要求，同一支管縱向、周向及不同熱處理批次之間的均勻性決定著鋼管最終的強(qiáng)度。石油套管的熱處理大多采用連續(xù)自動(dòng)的方式，熱處理后產(chǎn)品性能檢驗(yàn)采用抽檢，而抽檢是沿管體圓周或縱向某一位置進(jìn)行，產(chǎn)品性能不可能100%得到驗(yàn)證，因此嚴(yán)格控制熱處理生產(chǎn)過程的各個(gè)相關(guān)因素是保證鋼管性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。

高鋼級(jí)石油套管熱處理性能均勻性評(píng)價(jià)包括同一支管縱向、周向及不同熱處理批次之間的均勻性情況。性能不均不僅會(huì)增加石油套管的使用風(fēng)險(xiǎn)性，而且影響石油套管的使用壽命，甚至造成套管滑脫油井報(bào)廢，損失巨大［1］。為了對(duì)石油套管性能均勻性進(jìn)行精細(xì)控制，鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠在產(chǎn)品性能和幾何尺寸完全滿足標(biāo)準(zhǔn)的條件下，對(duì)石油套管熱處理后性能均勻性情況進(jìn)行了研究，以保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，使用不出現(xiàn)問題。

1　試驗(yàn)條件及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取自鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠管加工二作業(yè)區(qū)調(diào)質(zhì)樣管，鋼號(hào)N80Q，規(guī)格為139.7 mm×7.72 mm。

1.2試驗(yàn)方法

在合格的鋼管上取樣，樣管長度為10 m，每間隔1 m取一個(gè)樣，總計(jì)取10個(gè)試樣，然后經(jīng)鋸床及磨床加工成拉伸試樣，在拉伸機(jī)上做拉伸檢驗(yàn)。

2　檢驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1縱向均勻性檢驗(yàn)

沿鋼管頭部至尾部縱向劃一直線，按相等距離取10個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)取樣并在拉伸機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，縱向取樣示意圖見圖1，縱向力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2看出，縱向抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍756～812 MPa，最大值與最小值偏差為56 MPa；縱向屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍633～729 MPa，最大值與最小值偏差為96 MPa，波動(dòng)較大；縱向延伸率為20.5%～29.0%，最大值與最小值偏差為8.5%。整體上看，頭部的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度處在波動(dòng)范圍的上限，尾部的則處在波動(dòng)范圍的下限，鋼管的中部性能較均勻，而延伸率則正好相反。

2.2周向穩(wěn)定性檢驗(yàn)

按照2.1取樣的方式將鋼管周向旋轉(zhuǎn)90°沿相同位置等距離取條狀試樣，在拉伸機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，取樣示意圖見圖3，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，周向抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍為780～812 MPa，最大值與最小值偏差為32 MPa；周向屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍為667～724 MPa，最大值與最小值偏差為57 MPa，波動(dòng)較大；周向延伸率為18%～30%，最大值與最小值偏差為12%，同一支鋼管在周向上存在較大的性能不均。

3　提高管材性能穩(wěn)定性的措施

從前期檢驗(yàn)結(jié)果看，同一支鋼管的性能無論從縱向還是周向看，都存在較大的不一致性，鋼管中部區(qū)域性能偏差較小，鋼管頭尾兩端區(qū)域性能偏差較大。

石油套管性能均勻性主要受熱處理爐加熱溫度均勻性及水淬均勻性影響，而熱處理爐加熱均勻性控制與操作水平、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及煤氣壓力的穩(wěn)定性等因素有關(guān)［2］，水淬的均勻性與噴嘴對(duì)中性，內(nèi)噴、外淋的均勻性等因素有關(guān)。為保證爐溫和水淬的均勻性，采取了以下措施：

（1）調(diào)整空氣和煤氣配比，使每個(gè)燒嘴的燃燒一致，保證同一加熱段內(nèi)溫度均勻。

（2）調(diào)整煤氣壓力，使其保持在15 kPa以上，減少爐溫的波動(dòng)。

（3）控制爐壓，保持爐內(nèi)正壓，避免爐門處爐溫比爐內(nèi)溫度低。

（4）對(duì)外淋水管的角度進(jìn)行校正，使外淋噴射水流均勻，呈直線形垂直噴射到鋼管的外表面，減小不均勻冷卻。

（5）對(duì)水淬托輥中心線進(jìn)行調(diào)整，保證中心線相差1 mm以內(nèi)。調(diào)整噴嘴安裝位置，使噴嘴中心線與水淬鋼管的中心線相差小于2 mm。

（6）調(diào)整水淬壓輥至同步，防止水淬時(shí)鋼管軸向串動(dòng)，造成內(nèi)噴冷卻不均勻。

采取以上措施后，對(duì)139.7 mm×7.72 mm N80Q鋼管性能均勻性改進(jìn)后情況進(jìn)行驗(yàn)證。

4　效果驗(yàn)證

4.1縱向均勻性檢驗(yàn)

按照2.1取樣方法及圖1標(biāo)注位置，對(duì)提高穩(wěn)定性后的樣管取樣，然后在拉伸機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可看出，抗拉強(qiáng)度范圍為775～795 MPa,抗拉強(qiáng)度最小值比標(biāo)準(zhǔn)要求富余86 MPa，且縱向差值為20 MPa，差值波動(dòng)值較采取措施前小32 MPa；屈服強(qiáng)度范圍為665～695 MPa，屈服強(qiáng)度最小值比標(biāo)準(zhǔn)要求富余113 MPa，縱向差值為30 MPa，差值波動(dòng)值較采取措施前小66 MPa；縱向延伸率為14%～23%，最大值與最小值偏差為8%。同支管縱向性能差值波動(dòng)較小。

4.2周向性能檢驗(yàn)

在同一試樣上沿圓周方向旋轉(zhuǎn)90°取樣，按圖3標(biāo)注位置取樣并在拉伸機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見圖6。

從圖6可看出，周向抗拉強(qiáng)度為760～785 MPa，最小值比標(biāo)準(zhǔn)要求富余71 MPa，差值為25 MPa，較采取措施前周向抗拉強(qiáng)度最大值與最小值偏差小7 MPa；屈服強(qiáng)度范圍為655～685 MPa，最小值比標(biāo)準(zhǔn)富余103 MPa，周向差值為30 MPa，較采取措施前周向屈服強(qiáng)度最大值與最小值偏差小27 MPa；周向延伸率為18%～23%，最大值與最小值偏差為5%，同支管周向性能差值波動(dòng)較小。

5　結(jié)論

（1）鞍鋼股份有限公司無縫鋼管廠在產(chǎn)品性能和幾何尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)的條件下，對(duì)石油套管熱處理后性能均勻性情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，同一支鋼管在縱向及周向存在性能不均。

（2）通過對(duì)熱處理爐爐溫均勻性控制及水淬系統(tǒng)均勻性控制，可使同一支石油套管的性能均勻性控制在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，從而提高其使用壽命。

（3）鋼管性能穩(wěn)定性提高后減少了產(chǎn)品質(zhì)量異議，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。下一步將對(duì)產(chǎn)品成分進(jìn)行分析研究，以將石油套管性能均勻性控制在最佳狀態(tài)。

［1］楊滿.熱處理使用技術(shù)問答［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］宋維錫.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1987.

（編輯 袁曉青）

Study on Homogeneity of Properties of High Grade Oil Casings after Heat Treatment

Liu Xingchun1，2，Chen Yong2，Zhang Yao2，Qin Guiwei2
（1.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.Seamless Steel Pipe Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China）

The phenomenon of heterogeneous properties of high grade oil casings after heat treatment is analyzed.According to the results of on-site tracking and observing and subsequent testing,it is concluded that the homogeneity of properties of the same pipe can be improved which means that the properties of oil casings can be controlled uniformly by adopting such measures as controlling the uniformity of the temperature in a heat treatment furnace and the water-quenched homogeneity.

oil casing;homogeneity of property;control of temperature in furnace

TG115

A

1006-4613（2015）03-0022-04

劉興春，工程師，1998年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學(xué)院金屬壓力加工專業(yè)。

E-mail：15841241116@139.com

2014-08-14