國內(nèi)SEW 石油套管產(chǎn)品性能及標(biāo)準(zhǔn)制修訂建議

楊 陽， 付宏強(qiáng)

（1. 中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司， 北京100028；2. 國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；3. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

隨著油氣資源開采向深井、 超深井、 巖石蠕變、 地層應(yīng)力、 H2S、 CO2、 Cl-等苛刻環(huán)境發(fā)展， 鉆采行業(yè)對高性能油井管材的需求越來越大。 國內(nèi)外各制管企業(yè)相繼開發(fā)出無縫和焊接高性能石油套管， 其中高頻電阻焊 (high frequency welding， HFW) 石油套管因具有尺寸精度高、 力學(xué)性能穩(wěn)定、 抗內(nèi)外壓性能好、 質(zhì)量易于控制以及成本低等優(yōu)勢， 在發(fā)達(dá)國家占到石油套管總用量的30%以上， 美國更達(dá)到50%以上， 而我國僅占12%左右[1-2]。 當(dāng)前國內(nèi)許多制管企業(yè)也開發(fā)出了具有較高技術(shù)含量的HFW 或SEW (hot stretch reducing electric welding， 高頻焊熱張減) 焊接石油套管。

為了提高我國焊接石油套管的生產(chǎn)水平，按照SY/T 6951 《實(shí)體膨脹管》、 Q/SY 1394 《高抗擠套管》、 API SPEC 5CT 等標(biāo)準(zhǔn)， 國內(nèi)SEW生產(chǎn)廠家已開發(fā)出SEW 工藝的API 系列套管（J55、 N80Q、 P110 和Q125 鋼級）、 非API 系列高抗擠套管BSG-80TT/110TT、 膨脹套管BX55/80 以及BJC-1 型特殊螺紋套管等產(chǎn)品。 本研究通過對比國產(chǎn)SEW 套管產(chǎn)品性能與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)指標(biāo)要求， 根據(jù)多年的SEW 套管產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)， 提出了國內(nèi)SEW 石油套管標(biāo)準(zhǔn)制修訂建議。

1 SEW 石油套管制造工藝簡介

目前市場上， 石油套管產(chǎn)品基本上可分為兩類： 無縫套管和HFW 焊接套管。 其中HFW 石油套管以熱軋卷板為原料， 經(jīng)管坯成型、 HFW焊接及焊縫熱處理， 再經(jīng)過管加工等形成最終產(chǎn)品， 具有強(qiáng)韌性好、 尺寸精度高及抗擠強(qiáng)度高等優(yōu)勢； 但不足之處是母材與焊縫顯微組織和性能存在差異， 焊縫存在溝槽腐蝕問題。 針對HFW焊接套管焊縫， 美國石油學(xué)會API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)第1 版中提出了通過熱處理來消除焊縫中的馬氏體組織， 在第2 版中提出了通過熱張力減徑技術(shù)， 進(jìn)一步優(yōu)化焊縫組織和性能。

通過將HFW 焊接技術(shù)、 熱張力減徑技術(shù)和管材熱處理技術(shù)進(jìn)行組合， 形成了新型的SEW 石油套管制造工藝。 該制造工藝以內(nèi)在質(zhì)量好、 尺寸精度高的熱軋卷板為原料， 經(jīng)高精度管坯成型及HFW 焊接后， 采用中頻感應(yīng)加熱快速加熱到奧氏體相變溫度AC3以上， 再利用熱張力減徑調(diào)整管坯規(guī)格和管材后續(xù)熱處理工藝等來生產(chǎn)高質(zhì)量和高性能的石油套管產(chǎn)品。 該制造工藝不僅能夠優(yōu)化焊縫組織和性能、 提高HFW 焊縫質(zhì)量及其可靠性， 而且還可以擴(kuò)大HFW 焊接鋼管產(chǎn)品種類和規(guī)格， 實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格鋼管高效、 連續(xù)制造。

2 SEW 石油套管性能

API SPEC 5CT、 SY/T 6951 《 實(shí) 體 膨 脹管》、 Q/SY 1394 《高抗擠套管》 等標(biāo)準(zhǔn)分別制定了相應(yīng)API 套管、 膨脹管、 高抗擠套管等石油套管產(chǎn)品要求， 主要包括制造工藝、 熱處理方式、 化學(xué)成分、 幾何尺寸、 力學(xué)性能、 擠毀強(qiáng)度等。 下面就國內(nèi)SEW 套管產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 幾何尺寸

當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中對石油套管的幾何尺寸都有基本要求。 API SPEC 5CT 標(biāo)準(zhǔn)對無縫鋼管和焊接鋼管的外徑偏差要求為-0.5%～1%， 壁厚偏差要求≥-12.5%。 SY/T 5989 和Q/SY 1572.4 等標(biāo)準(zhǔn)對焊接鋼管的外徑偏差要求為0～1%， 壁厚偏差要求≥-7.5%。 Q/SY 1394 標(biāo)準(zhǔn)對高抗擠套管的外徑偏差要求為-0.25%～1.00%， 壁厚偏差要求為-5%～12.5%， 壁厚不均度要求為≤6%；而對于外徑≤244.8 mm 的套管， 外徑不圓度要求≤0.35%。

表1 為API J55 鋼級的SEW 鋼管和無縫鋼管的尺寸偏差比較。 表2 為BSG-80TT 高抗擠套管與同規(guī)格無縫高抗擠套管尺寸比較。 以Φ139.7 mm 規(guī)格套管為例， 通過表1 可以看出，SEW 套管產(chǎn)品的外徑偏差范圍為0.27%～0.30%，壁厚偏差范圍為1.7%～4.3%； 無縫管產(chǎn)品的外徑偏差范圍為0.31%～0.65%， 壁厚偏差范圍為-1.8%～3.63%。 從表2 可以看出， SEW 高抗擠套管產(chǎn)品的外徑不圓度＜0.28%， 壁厚不均度＜2.10%； 無縫管產(chǎn)品的外徑不圓度＜0.62%，壁厚不均度＜10.60%。 可見， SEW 套管產(chǎn)品的幾何尺寸優(yōu)于無縫套管。 這主要是由于無縫鋼管三維穿孔成型較復(fù)雜， 無法保證管坯尺寸精度； 而SEW 套管以熱軋帶鋼為原料， 板材的控制精度比無縫鋼管的穿孔或軋制精度高， 因此在尺寸控制上， 前者優(yōu)于后者。

表1 J55 鋼級SEW 套管和無縫套管尺寸偏差要求

表2 BSG-80TT 高抗擠套管與80TT 無縫套管的幾何尺寸要求

2.2 殘余應(yīng)力

Q/SY 1394 《高抗擠套管》 標(biāo)準(zhǔn)有對高抗擠套管殘余應(yīng)力的基本要求。 表3 為不同鋼級SEW 高抗擠套管與無縫套管的殘余應(yīng)力值。經(jīng)對比分析， SEW 高抗擠套管的殘余應(yīng)力低于Q/SY 1394 標(biāo)準(zhǔn)要求值， 明顯低于無縫高抗擠套管產(chǎn)品， 表明SEW 高抗擠套管殘余應(yīng)力較小。

表3 不同鋼級SEW 與無縫高抗擠套管殘余應(yīng)力要求對比

2.3 管材強(qiáng)韌性

除了API 5CT 對J55 鋼級產(chǎn)品沖擊功無強(qiáng)制要求， API 5CT、 SY/T 5989 和Q/SY 1572.4 等標(biāo)準(zhǔn)對套管的拉伸強(qiáng)度、 延伸率及沖擊功均有明確要求。 以Φ139.7 mm 套管為例， 表4 為國產(chǎn)J55、 N80Q、 P110 和Q125 四種鋼級SEW 套管的強(qiáng)度、 延伸率及沖擊功性能與不同標(biāo)準(zhǔn)要求的對比。 從表4 可以看出， SEW 套管產(chǎn)品具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配， 產(chǎn)品實(shí)測值均遠(yuǎn)高于不同標(biāo)準(zhǔn)要求值。 原因就在于SEW 套管產(chǎn)品以內(nèi)在質(zhì)量好的熱軋卷板為原料， 同時采用中頻感應(yīng)加熱和熱張力減徑可細(xì)化焊縫晶粒， 并保留熱軋卷板晶粒細(xì)小特點(diǎn)， 再經(jīng)后續(xù)在線控制冷卻或全管體調(diào)質(zhì)熱處理等工藝， 不僅提高了管材的強(qiáng)度， 而且也可使管材獲得優(yōu)異的塑性和韌性， 從而實(shí)現(xiàn)SEW 套管良好的強(qiáng)韌性匹配。

表4 J55、N80Q、P110 和Q125 四種鋼級SEW 套管性能對比

2.4 抗外壓擠毀性能

Q/SY 1394 《高抗擠套管》 標(biāo)準(zhǔn)中， 對高抗擠套管的擠毀強(qiáng)度有明確規(guī)定。 表5 為不同廠家高抗擠套管產(chǎn)品的外壓擠毀性能， 其中試驗(yàn)結(jié)果為全尺寸實(shí)物試驗(yàn)失效壓力。 從表5 可看出BSG-80TT 級SEW 套管抗擠毀性能優(yōu)異， 明顯高于同規(guī)格無縫管產(chǎn)品， 并且擠毀強(qiáng)度高于API 5C3標(biāo)準(zhǔn)值40%以上， 高于Q/SY 1394 HC2 標(biāo)準(zhǔn)值12%以上。 其原因在于： 相對無縫套管產(chǎn)品，SEW 套管尺寸精度高、 管體殘余應(yīng)力小、 管體強(qiáng)韌性匹配優(yōu)異， 因而有利于提高套管的外壓擠毀強(qiáng)度。

表5 不同廠家高抗擠套管的外壓擠毀性能

2.5 可膨脹性能

SY/T 6951 《實(shí)體膨脹管》 標(biāo)準(zhǔn)對膨脹套管性能有明確要求。 表6 和表7 分別為不同類型膨脹套管膨脹前后力學(xué)性能。

從表6 可看出， 國產(chǎn)BX80 鋼級SEW 套管膨脹后， 管材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高， 管體伸長率降低， 力學(xué)性能和延伸率仍然符合API SPEC 5CT 對N80 鋼級套管的要求， 表明SEW 套管具有非常好的強(qiáng)塑性。 從表7 中可見， 進(jìn)口55 ksi 級膨脹管和BX80 級SEW 套管膨脹前后橫向夏比沖擊功降幅較低。 表明BX80 級SEW 套管膨脹后其強(qiáng)度、 塑性及韌性良好， 具有較好的可膨脹性能。

表6 國產(chǎn)BX80 鋼級SEW 套管膨脹前后力學(xué)性能

表7 國產(chǎn)BX80 鋼級SEW 套管膨脹前后的橫向夏比沖擊功

2.6 抗溝槽腐蝕性能

SY/T 5989 等標(biāo)準(zhǔn)對直縫電阻焊套管的焊縫溝槽敏感系數(shù)有明確規(guī)定。 標(biāo)準(zhǔn)中一般用敏感系數(shù)α 表示焊縫溝槽腐蝕的程度。 α＞1.3， 表示管體對溝槽腐蝕敏感； α＜1.3， 表示焊縫對溝槽腐蝕不敏感[9]。 表8 的試驗(yàn)結(jié)果表明， HFW 套管的α 小于1.17， SEW 套管的α 小于1.09， 兩者的抗溝槽腐蝕性能良好， 但SEW 套管抗溝槽腐蝕敏感性能更好。 其原因在于： 采用焊縫熱處理或全管體加熱， 均可減小焊縫基體的電位差， 從而降低了焊縫溝槽敏感性。 但SEW 套管經(jīng)全管體加熱后再張力減徑變形， 使焊縫區(qū)與管體其他區(qū)域金相組織更加趨于均勻一致， 因而前者溝槽敏感系數(shù)比后者高。

表8 HFW 和SEW 套管焊縫的溝槽腐蝕敏感性對比

3 SEW 石油套管標(biāo)準(zhǔn)及修訂建議

經(jīng)過上述對SEW 石油套管產(chǎn)品與無縫套管性能研究， 顯然SEW 石油套管具有一定的性能優(yōu)勢。 而目前SEW 套管在國內(nèi)尚屬研究發(fā)展階段，國內(nèi)SEW 廠家按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)時， 存在標(biāo)準(zhǔn)定位、 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目不適用（如晶粒度的測定、 硬度試驗(yàn)、 焊縫形貌與尺寸、 焊縫溝槽腐蝕） 問題。以Q/SY 1572.4—2015 為例， 提出以下觀點(diǎn)， 進(jìn)行探討。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)定位

Q/SY 1572.4—2015 標(biāo)準(zhǔn)適用于普通用途的直縫電阻焊套管， 而從標(biāo)準(zhǔn)全文內(nèi)容來看， 化學(xué)成分、 沖擊功、 晶粒度和非金屬夾雜物等多項(xiàng)指標(biāo)均嚴(yán)于API SPEC 5CT； 而在API SPEC 5CT 多版次中均未刪除PSL1 質(zhì)量等級產(chǎn)品， 證明在管材實(shí)際服役中有普通用途油管和套管的實(shí)際需求和合理性。 因此從標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮， 應(yīng)考慮這方面的需求。

目前標(biāo)準(zhǔn)較API SPEC 5CT 增加的檢驗(yàn)項(xiàng)目已與Q/SY 1394 等特殊工況相同， 使得普通用途與特殊用途管材標(biāo)準(zhǔn)之間技術(shù)項(xiàng)目和指標(biāo)沒有層級差別， 建議在考慮質(zhì)量、 經(jīng)濟(jì)性、 管材適用服役范圍的前提下， 以API SPEC 5CT 為基礎(chǔ)， 參考API SPEC 5CT PSL1， 同時兼顧經(jīng)濟(jì)性和適用性原則， 適當(dāng)將部分指標(biāo)嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 將部分檢驗(yàn)項(xiàng)目以可選擇性或補(bǔ)充要求（購方或者合同規(guī)定時） 的形式體現(xiàn)， 構(gòu)建不同用途不同要求的系列標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 焊縫晶粒度測定

因高頻焊熱張減套管 （SEW） 經(jīng)過熱張減后， 焊縫組織為針狀、 塊狀、 網(wǎng)狀的鐵素體和珠光體非平衡組織， 腐蝕后無法觀察到明顯的晶界， 沒有在檢測區(qū)域內(nèi)， 沒有固定的晶粒特征。采用GB/T 6394 《金屬平均晶粒度測定方法》，無法選出滿足測試要求的區(qū)域， 每個區(qū)域的晶粒個數(shù)較少， 無法和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對， 因此無法測量晶粒度。 而高頻焊管 （HFW） 焊縫腐蝕后也經(jīng)常無法觀察到明顯晶界。 建議高頻焊熱張減套管（SEW） 不做晶粒度檢測評價， 如果高頻焊管 （HFW） 焊縫腐蝕后無法觀察到明顯晶界時，也不進(jìn)行晶粒度檢測評價評定。

3.3 硬度試驗(yàn)

由于高頻焊熱張減套管（SEW） 和高頻焊套管（HFW） 焊縫非常窄， 僅為0.02～0.12 mm 之間，硬度壓痕橫貫焊縫、 熱影響區(qū)和母材， 無法單獨(dú)測出焊縫的硬度。 對于調(diào)質(zhì)SEW 套管， 焊縫腐蝕后在顯微鏡下幾乎找不見， 因此無法準(zhǔn)確確定焊縫位置， 以及焊縫與母材的邊界。 建議不對焊縫進(jìn)行硬度檢測， 或修改焊縫處的硬度試驗(yàn)要求。

3.4 焊縫形貌與尺寸

焊縫形貌與尺寸受到各制管廠焊接工藝及參數(shù)、 鋼管外徑、 壁厚及原材料等諸多因素的影響， 且焊接過程本身是復(fù)雜的冶金過程， 其形貌更無法精確統(tǒng)一， 因此長期以來， API SPEC 5CT只是規(guī)定各制管廠有自己的金相檢驗(yàn)規(guī)則。

Q/SY 1572.4—2015 規(guī)定的電阻焊套管焊縫金屬流線升角等幾何形貌尺寸在生產(chǎn)廠測量非常困難 （實(shí)際腐蝕面往往模糊不清）， 且測量誤差比較大。 由于焊縫斷面形貌尺寸屬于制造商工藝控制范疇， 建議依照API SPEC 5CT 多年的通行做法， 由制造廠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行控制， 不做統(tǒng)一要求， 可作為型式檢驗(yàn)項(xiàng)目提供參考， 待有科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和支持后再寫入標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 焊縫溝槽腐蝕要求

溝槽腐蝕試驗(yàn)的檢測周期較長， 僅腐蝕試驗(yàn)時間就需要6 天， 加上制樣， 出具報告時間更長， 將影響發(fā)貨周期， 不宜作為生產(chǎn)檢測條款。

GB/T 2001.10—2014 中4.2.6 規(guī)定“如果沒有一種試驗(yàn)方法能在相對較短的時間內(nèi)證實(shí)產(chǎn)品是否符合穩(wěn)定性、 可靠性或壽命等要求， 則標(biāo)準(zhǔn)中不應(yīng)規(guī)定這些要求”。 因此， 目前還不具備將溝槽腐蝕檢測作為標(biāo)準(zhǔn)檢測項(xiàng)目的條件， 建議刪除溝槽腐蝕試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

（1） 產(chǎn)品通過鑒定后， 大規(guī)模的生產(chǎn)前應(yīng)提前制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)， 并且應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)組織新品的生產(chǎn)、 檢驗(yàn)。 標(biāo)準(zhǔn)的制定的范圍應(yīng)明確、 清晰， 同時應(yīng)考慮當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、 國內(nèi)法律法規(guī)、 企業(yè)實(shí)際以及未來技術(shù)發(fā)展水平。

（2） 協(xié)調(diào)一致性。 包括多方面的內(nèi)容， 如現(xiàn)行國家法律法規(guī)、 國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的層級關(guān)系和技術(shù)內(nèi)容等不能與所編制的標(biāo)準(zhǔn)沖突。

（3） 可證實(shí)性原則。 內(nèi)容合理， 有利于生產(chǎn)控制及檢驗(yàn)， 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)的可重復(fù)性較高， 檢驗(yàn)方法通用性強(qiáng)。 標(biāo)準(zhǔn)涉及到的檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)在全行業(yè)內(nèi)有統(tǒng)一的認(rèn)識和判斷標(biāo)準(zhǔn)， 如果缺乏大量科學(xué)驗(yàn)證證據(jù)和生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)， 在標(biāo)準(zhǔn)編制中應(yīng)將試驗(yàn)科學(xué)研究與實(shí)際檢驗(yàn)予以區(qū)分對待， 并以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)。

（4） 性能原則。 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中， 應(yīng)以性能特性來表示產(chǎn)品的技術(shù)要求， 避免設(shè)計(jì)特性、生產(chǎn)工藝等。

（5） 經(jīng)濟(jì)性。 標(biāo)準(zhǔn)是各方利益協(xié)商的產(chǎn)物， 在保證質(zhì)量、 安全、 環(huán)境的前提下， 標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)考慮各方的成本因素。