基于稠油深度開發(fā)過程的配套隔熱油管研究

雷月鑫，陸海寧，馬 亮

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧盤錦 124010）

1 隔熱油管概述

隔熱油管是稠油熱力開采過程中非常重要的一種工具，將隔熱油管應(yīng)用到稠油開采作業(yè)中可以有效提升稠油開采產(chǎn)量，減少套管熱應(yīng)力現(xiàn)象，同時還能防止油井套管和水泥環(huán)在高溫環(huán)境下產(chǎn)生變形，在一定程度上延長了油管使用年限。隔熱油管的熱量傳遞方式主要包括傳導(dǎo)、對流和輻射，隔熱系統(tǒng)一般情況下由多層隔熱材料組成。我國目前最常見的隔熱材料為鋁箔，環(huán)空抽真空并裝有吸氣劑，而且鋁箔反射分為多層，在實際反射過程中可以給輻射熱流帶來更大熱阻。絕熱系統(tǒng)一般由導(dǎo)熱率低且輻射透過率高的玻璃布組成，玻璃布孔率比較大，可以在一定程度上增加屏面的反射面積。在注蒸過程中，環(huán)空中的吸氣劑可以有效吸附滲入鋼管中的氫氣和其他殘余氣體，對隔熱系統(tǒng)起到有效凈化作用，同時也可以保持真空系統(tǒng)的完好狀態(tài)。目前這種隔熱技術(shù)在世界范圍內(nèi)都屬于非常先進的絕熱技術(shù)，也稱為“超級隔熱技術(shù)”。稠油深度開發(fā)過程中配套使用的隔熱油管就是利用了這一技術(shù)，使管體的視導(dǎo)熱系數(shù)低于普通隔熱油管。這種隔熱油管還可以實現(xiàn)在長期注汽過程中優(yōu)異的隔熱性能和效果。

2 新鋼種管材和焊接工藝技術(shù)在隔熱管中的應(yīng)用

2.1 蒸汽驅(qū)用隔熱油管管材新鋼種研究

（1）硅。硅的主要作用是對鋼水進行脫氧處理。通常情況下鋼中硅的含量為0.2%～0.4%，研究表明當(dāng)添加量達到0.6%以上，會對機械性能產(chǎn)生較為明顯的影響，韌性和加工性都明顯惡化；當(dāng)含量低于0.01%時，起不到明顯效果。硅對鋼鐵的耐腐蝕和抗氧化性能都具有一定提升作用。

（2）錳。同樣也是煉鋼過程的一種脫氧劑，在鋼中的含量一般為0.3%～0.5%，其可以擴大鐵碳相圖上的奧氏體區(qū)，是非常重要的一種奧氏體化元素，可以穩(wěn)定鋼奧氏體，提高鋼的淬透性。當(dāng)其含量大于1.0%時，會對熱軋組織均勻性帶來一定影響，小于0.1%時，沒有明顯效果。

（3）鉻。該元素可以提高鋼鐵硬度、淬透性、強度及耐磨性能，但降低了鋼的韌性和塑性。由于鉻可以提升鋼耐腐蝕性和抗氧化性，經(jīng)常被用到不銹鋼和耐熱鋼加工過程中，當(dāng)其含量大于2.0%時，會明顯降低鋼焊接性能和韌性，含量小于0.5%時，沒有明顯效果。

（4）鎳。該元素可以很好地提升鋼強度和淬透性，并且保持良好的鋼韌性和塑性。但是在硬度方面影響效果并不是非常明顯，基本上不會影響鋼加工性能。鎳基合金具有較好熱強性能，是非常重要的耐熱材料。

（5）鉬。該元素可以使鋼材料在高溫環(huán)境中保持足夠的抗蠕變能力和強度，同時在鋼結(jié)構(gòu)中添加適量的鉬也可以提高鋼的機械性能和淬透性，降低鋼的過熱敏感性。對鉻鋼、錳鋼和鉻鎳鋼回火引發(fā)的脆性具有一定的抑制作用，鉬和碳元素可以生成碳化物，提高鋼鐵耐磨性和硬度，降低鉻鋼蠕變強度。當(dāng)含量大于1.0%時，焊接性能和加工性能都明顯變差，小于0.10%時，沒有明顯效果。

（6）鎢。和鉬對鋼的性能影響大同小異，最大區(qū)別是鎢的硬度更高，尤其是和碳反應(yīng)生成的碳化鎢具有非常好的耐磨性和硬度，是我國目前鋼材料中至關(guān)重要的一種合金元素，在耐熱鋼中占據(jù)著十分重要的地位。鎢對碳化物分解過程也可以起到一定抑制作用，從而降低碳含量，提升鋼材料在高溫環(huán)境下的淬透性和強度。研究表明，如果鎢元素含量低于0.1%時，其對鋼材料的韌性影響不是非常明顯，但是高于1.0%時，就會帶來較大影響，使鋼焊接性能明顯降低。

（7）磷。如果外界溫度偏低，磷元素對鋼的延伸率有一定降低作用，因此一般將磷元素視作一種有害雜質(zhì)。

（8）硫。硫化鐵的熔點比較低，會導(dǎo)致鋼出現(xiàn)一定的熱脆性，降低其可焊性、熱加工性能和機械性能，應(yīng)盡可能降低鋼鐵中硫的含量。

2.2 焊接工藝技術(shù)研究

目前，我國在稠油深度開發(fā)過程中配套使用的隔熱油管基本上都是采用局部加熱焊接方式。在具體操作過程中，焊縫附近母材的溫度幾乎可以達到和焊縫同樣高，但是焊接加熱過程具有一定的瞬時性和局部性，焊縫附近的母材會受到一定的熱循環(huán)作用，體現(xiàn)出溫度升高快，同時冷卻速度也比較快的特點。研究表明，和普通熱處理工藝相比較，焊接過程中的加熱和升溫速度也快很多，也可以說就是一個速熱和速冷的過程。距離焊縫越近的區(qū)域，溫度會越高，反之則會隨著距離的增加，溫度逐漸降低。焊縫附近溫度接近于熔點，距離焊縫較遠的低溫區(qū)又可以低至室溫，這就難免在焊接過程中焊縫附近母材經(jīng)歷一次焊接熱循環(huán)處理，從而形成性能和組織都區(qū)別于母材的焊接熱影響區(qū)。該區(qū)域范圍內(nèi)各個部位接受不同的熱循環(huán)，進一步每個組織的性能和組織變化也都各不相同，這些性能和組織的變化是整個焊接接頭中最為薄弱的環(huán)節(jié)，在很大程度上影響著最終焊接質(zhì)量。

3 隔熱油管接頭螺紋密封的適應(yīng)性

我國目前稠油深度開發(fā)過程采用的配套隔熱油管接頭螺紋主要包括偏梯形螺紋和圓螺紋，后者密封性能更好一些，前者抗擠壓性能更好一些。偏梯形螺紋套管是我國目前API 標(biāo)準(zhǔn)油管系統(tǒng)中較為成熟的一種，其主要特征為加工簡便，效率高，牙型為偏梯形，牙根強度高且對中性好，較圓螺紋其最大優(yōu)勢就是具有非常好的連接強度。主要原因是其套管接箍內(nèi)的螺紋是從端面起一直到達無鏜孔段，接箍螺紋實現(xiàn)了和上扣后全部螺紋的嚙合，一直連接操作一直到螺紋的消失點，在此過程中無需對連接處的管子壁厚進行削弱處理。據(jù)相關(guān)研究試驗數(shù)據(jù)表明，其連接強度明顯高于圓螺紋套管，一般可以高出20%甚至更多。圓螺紋又包含長、短兩種類型，通過這兩種螺紋的配合使用可以很好地提升螺紋連接的強度和密封性能。如果工礦條件比較好，一般會選用短螺紋套管，否則最好選用長螺紋套管，如果條件非常惡劣還可以選擇一些較為特殊的扣螺紋套管。

4 隔熱油管自動化生產(chǎn)線的設(shè)計

4.1 生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)（表1）

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

4.2 工藝流程

（1）對入廠隔熱管材料質(zhì)量進行嚴格檢查，保證均為N80鋼級的無縫鋼管，并且都符合APISpec5CT 套管和油管相關(guān)規(guī)范，其中化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)為S、P：≤0.030%，C：0.24%～0.30%。并且還要求供應(yīng)商出示材料原憑質(zhì)保單，為外管和內(nèi)管選擇科學(xué)合理的擺放場地，然后按照批號對其化學(xué)性能、機械性能和金相進行分析檢驗，只有符合要求方可投入使用。

（2）隔熱油管的內(nèi)管壁通常情況下相對比較薄弱，要提升其牢固性還應(yīng)該采用自制液壓墩粗機對其管口進行加熱墩粗處理，從而更好地保證管端擴口的壁厚滿足實際要求。然后將符合要求的內(nèi)管直接輸送到生產(chǎn)線。

（3）外管經(jīng)過除銹處理后也直接輸送到生產(chǎn)線，除銹時一般有專用除銹機，以更好地保證噴漆效果。

（4）安排專人仔細測量內(nèi)管和外管的長度，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般情況下外管要比內(nèi)管長出65 mm 左右。還需要做好管材批號和外管流水號記錄工作，為后期熱伸長提供更加可靠真實的數(shù)據(jù)。

（5）在外管鉆孔打標(biāo)操作過程中，工作人員需要注意外管端和鉆孔打標(biāo)之間要控制好合理距離。孔的形狀應(yīng)該為小堵錐形，并確保其具體尺寸嚴格符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時還要在和小堵孔中心線成90°方向的母線上打印隔熱管標(biāo)識，主要包括廠標(biāo)、螺紋型號、廠代號和出廠日期，這樣可以在后期出現(xiàn)問題時實現(xiàn)快速追溯。

（6）內(nèi)管噴砂程序。在保證內(nèi)管平頭合格之后還需要對其外壁進行除銹處理。一般采用噴砂機進行操作，操作人員要根據(jù)內(nèi)管實際情況選擇最為科學(xué)合理的細鋼砂進行勻速噴射除銹，在表面光澤恢復(fù)本色沒有鐵銹時，再用抹布除去表面灰塵，并將其送至內(nèi)管暫存區(qū)域。

（7）外管噴砂程序。和內(nèi)管噴砂操作基本相同，要求也大同小異。首先利用外管噴砂機對其表面的鐵銹進行清除，看見金屬本色光澤后用抹布擦去灰塵，并將其送至外管暫存區(qū)域。

（8）烘干程序。將經(jīng)過噴砂處理后暫存區(qū)域的內(nèi)管和外管放在鋼管臺車上，我國目前常用的運輸車輛一般可以承載100 根鋼管，將其運送到廠房后利用吊車將其吊到除氣爐中。在爐中對外管和內(nèi)管進行加熱處理，等到鋼管冷卻好后將其放置到暫存料架上。

（9）利用纏繞機對包扎間的內(nèi)管進行纏繞處理，一般采用鋁箔或玻璃絲布，要保證纏繞操作符合工藝要求。

（10）利用卷揚機將套裝好的內(nèi)管套在外管內(nèi)部，然后將套裝好的組件放置在制定區(qū)域，準(zhǔn)備對其進行焊接處理。

總之，合格的隔熱油管可以更好地促進稠油深度開發(fā)工作的順利開展，希望本文的相關(guān)論述可以為行業(yè)相關(guān)人士提供一定參考和幫助，更好地促進我國石油行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。