幾種常用石油管材料的高溫拉伸性能試驗研究

張華佳，梁明華，藺衛(wèi)平，李 娜，任繼承，莫子雄

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

在油田對石油管材的設(shè)計和使用中，溫度是一個比較重要的影響因素，材料的性能會隨著溫度的升高或降低發(fā)生改變。而近年隨著一些深井、超深井的不斷開發(fā)，井下的作業(yè)溫度不斷升高，對油套管等管材的影響日益顯著。尤其是在對稠油的開采中，井下的作業(yè)工具需要經(jīng)歷注氣、燜井、采油等一系列高溫高壓熱循環(huán)過程，這種過程很容易造成石油套管的失效，究其原因，即材料的力學(xué)性能在高溫下發(fā)生了變化，并在承受載荷的外因下，管體容易發(fā)生斷裂[1]。

金屬材料斷裂的原因，是因為外力作用下發(fā)生了塑性變形，變形到一定程度進而斷裂，而塑性變形的的實質(zhì)是由于外力作用下，材料內(nèi)部形成的內(nèi)應(yīng)力使晶粒內(nèi)外產(chǎn)生滑移。對材料進行拉伸測試，就是為了檢查其塑性的好壞。塑性的好壞則受到材料本身的組織、晶格類型、化學(xué)成分以及變形時的外部條件影響。在外部條件中，溫度也是一個重要的影響因素[2]。

本文根據(jù)高溫拉伸試驗中節(jié)選的一些數(shù)據(jù)，來對幾種常用石油管管材的高溫拉伸性能進行介紹和分析，并對相關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律進行探尋，期望找到強度和韌性隨溫度變化的一些規(guī)律。文中數(shù)據(jù)較為豐富和準(zhǔn)確，涵蓋了不同鋼級不同溫度的強度數(shù)值，相對于以往文獻中單純的規(guī)律描述，本文更能對油田現(xiàn)場管材的應(yīng)用提供實際的幫助[3]。

1 2Cr2Mo1R 直縫埋弧焊鋼管材料不同溫度下的高溫拉伸性能

在對某12Cr2Mo1R直縫埋弧焊鋼管管材試樣進行高溫拉伸試驗后，得到了相關(guān)的數(shù)據(jù)，見表1。試樣斷裂后的形貌如圖1所示，圖中由下至上為7根高溫拉伸斷裂后的試樣，試樣尺寸為直徑12.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣，長度為300 mm，試樣的表面因為高溫作用，出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，顯示了和常溫不同的色澤。

表1 12Cr2Mo1R鋼管高溫拉伸試驗結(jié)果

圖1 高溫拉伸試樣斷后形貌

本實驗是在由低到高不同溫度下，對加工好的標(biāo)準(zhǔn)試樣進行拉伸性能測試。首先將試樣的準(zhǔn)確尺寸測量好，然后裝夾在帶有高溫環(huán)境箱的拉伸試驗機上，設(shè)置好溫度參數(shù)后，等待高溫箱升至指定溫度，然后保溫15 min，將試樣按3 mm/min的速率拉至斷裂。最后根據(jù)試驗機測定的力值和前期測定的面積，計算其拉伸強度[4]。

圖2為選取的200、300、400、500 ℃下的拉伸曲線，可以直觀地看到，隨著溫度的升高，試樣的最大力下降，且拉伸曲線變短，到達最大力和最大力下降的速度變快，拉伸過程需要的時間變短。

圖2 高溫拉伸過程曲線圖

圖3為根據(jù)拉伸強度和溫度作出的曲線圖，從圖中可以看到，隨著溫度的升高，材料的抗拉和屈服強度都出現(xiàn)了明顯的下降。

圖3 抗拉強度和屈服強度變化趨勢

由試驗結(jié)果可以看到，450 ℃以內(nèi)，抗拉強度和屈服強度降低都比較小，每個溫度間隔僅10 MPa左右，而由450 ℃到了500 ℃，強度降低了37 MPa，開始了加速降低的過程。

斷后伸長率的變化趨勢如圖4所示，可以看到，450 ℃之前變化都不明顯，而在500 ℃時有了明顯增長。

研究表明，材料在高溫下強度降低，原因主要有兩個方面，一是材料出現(xiàn)了動態(tài)再結(jié)晶，形成了細小的晶粒，二是沿鐵素體境界會析出碳化物新相，沿晶界分布的碳化物越多，晶界更加弱化，材料也就更容易開裂[5-6]。

圖4 斷后伸長率變化趨勢

2 TP140V 套管材料不同取樣位置下高溫拉伸性能

在對某Ф244.5 mm×11.9 mm 140V 套管管體材料進行的高溫拉伸試驗中，在試樣初始加工時，選擇從0°縱向、90°縱向、180°縱向、270°縱向四個不同的位置進行取樣，并對常溫拉伸和195 ℃拉伸下的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表2。由試驗結(jié)果可以看到，常溫下的抗拉和屈服強度明顯高于195 ℃，但不同取樣位置同一溫度下的試樣，高溫和常溫下的數(shù)據(jù)都比較接近，說明高溫下材料的拉伸性能和取樣位置無關(guān)，導(dǎo)致其強度變化的影響因素為溫度。其室溫下組織為回火索氏體，溫度的升高使得材料組織和性能發(fā)生變化，進而材料的強度發(fā)生下降[7]。

表2 拉伸試驗結(jié)果

3 P110套管材料不同批次的高溫拉伸性能

在對某Φ177.8 mm×10.4 mm P110套管試樣的高溫拉伸試驗中，試樣取自相同規(guī)格不同批次的管體和接箍，分別為管體1#、管體2#、管體3#、接箍1#、接箍2#、接箍3#。其常溫下和高溫下的拉伸結(jié)果數(shù)據(jù)見表3。從表3可見，接箍和管體高溫下的強度均出現(xiàn)了下降，其中，接箍的抗拉強度下降的不明顯，僅差10 MPa左右，屈服強度則比較明顯，相差50 MPa左右。P110套管材料常溫下為回火索氏體。而管體的抗拉強度和屈服強度都比較明顯，分別相差60 MPa和120 MPa左右，推測原因，接箍自身常溫下強度大于管體，而常溫強度越大，則高溫下強度降低越少，說明同種材料強度越高，組織性能越好，高溫下組織變化越小，保持強度的能力越好[8]。

表3 140V 套管高溫拉伸試驗結(jié)果

4 管體與焊接接頭的高溫性能比較

在對某HP295 油氣鋼瓶的高溫拉伸試驗中，試樣取自臨近位置的管體和焊接接頭，分別200、400和600 ℃下的高溫試驗，拉伸結(jié)果數(shù)據(jù)如見表4，可以看到，管體和焊接接頭的抗拉強度均出現(xiàn)了明顯下降，200 ℃升溫至 400 ℃后抗拉強度均降低了約150 MPa，400 ℃升溫至 600 ℃后抗拉強度均降低了約350 MPa，管體的屈服強度也同樣出現(xiàn)了明顯的階梯下降趨勢。

值得注意的是，從斷后伸長率來看，隨著溫度的升高，斷后伸長率出現(xiàn)了明顯的升高，400 ℃下的伸長率是200 ℃下伸長率的140%，而600 ℃下的伸長率是400 ℃下伸長率的280%，并且在試驗過程中，600 ℃下試樣已經(jīng)有紅熱現(xiàn)象，說明溫度越高，材料軟化越嚴重。

表4 HP295鋼瓶試樣高溫拉伸試驗結(jié)果

5 幾種鋼級材料的高溫拉伸性能比較

表5為幾種不同鋼級材質(zhì)的試樣進行高溫拉伸試驗后的數(shù)據(jù)，表中涵蓋了不同溫度不同強度測試指標(biāo)下的高溫拉伸結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看到，材料的拉伸強度都有隨著溫度升高而下降的規(guī)律，即軟化現(xiàn)象。表中的相關(guān)數(shù)據(jù)均為試驗獲得，可為油田現(xiàn)場石油管材的應(yīng)用提供直接可靠的數(shù)據(jù)支撐，有比較重要的意義。表6中選取了若干不同鋼材的斷后伸長率，和前文數(shù)據(jù)一起對比分析后看到，80S抗硫套管在450 ℃斷后伸長率有了明顯的升高，Q125 Cr鋼在600 ℃斷后伸長率明顯升高，HP295鋼瓶400 ℃時斷后伸長率就有了較大提高，但大部分材料400 ℃以下變化不明顯，趨勢比較平穩(wěn)，差別不大。因此推測石油管材的斷后伸長率會隨著溫度升高而增長，但溫度較低時候變化并不明顯，只是到達一定溫度后，引起了材料晶粒度的變化和碳化物的析出，強度下降速度才會較快增長，根據(jù)本文數(shù)據(jù)，推測大部分材料的斷后伸長率會在400 ℃高溫以上顯著升高。

表5 不同鋼級高溫拉伸試驗結(jié)果

表6 不同材質(zhì)的斷后伸長率

6 結(jié)束語

1) 同種石油管材料高溫拉伸的抗拉強度和屈服強度會隨著溫度升高而降低。溫度越高，這種降低效應(yīng)越明顯。高鋼級材料隨溫度升高強度降低的速度要小于低鋼級材料。

2)由于溫度的升高會導(dǎo)致管材在高溫深井中的性能降低，建議在高溫深井的管柱強度設(shè)計中考慮材料的溫度效應(yīng)。