140HC鋼級高強度高抗擠毀石油套管研制

孫 晶，梁紅星，馬繼順，藏中山

（山東墨龍石油機械股份有限公司，山東 壽光 262700）

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程進行和完井后整個油井的正常運行。油井根據不同的鉆井深度和地質情況，設計采用不同的套管層數。套管下井后要采用水泥固井，其與油管、鉆桿不同，不可以重復使用。隨著深井、超深井的開發(fā)量日益增大，采油條件越來越惡劣，對油井管的性能要求也越來越高，高鋼級套管的需求量也在加大。新疆地區(qū)油田的井深超過5 000 m后，地質條件十分復雜，井溫120℃以上，下套管的層數增多，對在鉆井完井中起關鍵作用的石油套管的要求也更加特殊和苛刻，為了減輕套管柱的質量，增加套管環(huán)隙，需要盡可能使用高強度高抗擠毀的石油套管，API標準中的最高鋼級——Q125鋼級已不能滿足使用要求。為適應該新情況，國內的無縫鋼管生產廠家先后開始了140～170鋼級等非API高鋼級套管的研發(fā)，并形成了各自的非API產品系列[1-4］?，F介紹山東墨龍石油機械股份有限公司（簡稱山東墨龍）試制的140HC鋼級Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格高強度高抗擠毀石油套管的情況。

1 技術思路

1.1 產品設計指標

鋼管的抗擠毀性能受屈服強度、實際壁厚、不圓度、壁厚不均度及殘余應力等因素影響，對于861.875 MPa及以上的鋼級，在厚壁規(guī)格區(qū)域，提高壁厚獲得的擠毀值效果顯著，較小的壁厚偏差能夠降低組織應力及管體彎曲度，有利于控制矯直殘余應力[5-7］。對于Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格套管，普通140鋼級的抗擠毀強度要求僅為44.1 MPa，遠低于140HC高抗擠毀的要求；因此，結合國內西部某油田的采購規(guī)范，山東墨龍設計的140HC鋼級管材的性能和尺寸精度指標要求見表1～2。

表1 140HC鋼級石油套管性能要求

表2 140HC鋼級石油套管尺寸精度要求%

1.2 化學成分設計

添加Cr，Mo，V作為主要合金化元素，保證鋼材調質處理后具有超高的強度、細小的晶粒度及均勻的索氏體組織。C含量控制在0.30%以下，同時控制P、S、“五害”元素和氣體含量，保證鋼材在調質處理后具備高強度的同時還具有良好的沖擊韌性。設計鋼種為26CrMoV，140HC鋼級石油套管化學成分要求見表3。

表3 140HC鋼級石油套管化學成分（質量分數）要求 %

1.3 管坯控制

為降低鋼中殘余元素和氣體的含量，管坯采用“全鐵水轉爐煉鋼+爐外精煉+真空脫氣”的煉鋼工藝和帶電磁攪拌的弧形連鑄圓管坯生產方式，真空脫氣吹氬弱攪拌后至少保持5.5 min鎮(zhèn)定時間，保證夾雜物充分上浮。

1.4 軋管控制

為保證該套管具有較高的抗擠毀強度，需要在熱軋過程嚴格控制尺寸精度。壁厚均勻度和外徑均勻度對管體的抗擠毀強度影響顯著[8-9］，因此應盡量減小壁厚不均度與不圓度。為保證140HC鋼級石油套管的壁厚不均度≤10%的要求，管坯橫截面上打中心孔定位，穿孔機和軋管機均采用低轉速軋制。為減少鋼管內螺紋深度，軋管機軋輥采用自主設計的熱擴毛管專用軋輥。為實現不圓度≤0.4%D（D為外徑）的要求，使用橢圓系數較小的圓孔型系列，既防止內多邊形出現提高壁厚精度，又能提高鋼管的外徑精度[10］，并且成品機架由原來的3機架增加為4機架，最后兩架均為尺寸相同的圓孔型。

1.5 熱處理控制

淬火+高溫回火前先進行正火預處理，可使碳化物得以溶解與析出，削弱了組織遺傳性及成分偏析，析出的碳化物可以作為再次奧氏體化的形核和淬火時位錯增值源，細化了奧氏體晶粒，保證淬火后獲得更細小的組織晶粒，提高了鋼材熱處理后的強度和韌性。同時，通過正火預處理可減少熱軋鋼管內部應力，改善淬火狀態(tài)下鋼管的直線度和不圓度，通過較小的矯直量即可保證回火后鋼管的直線度和外徑滿足要求，有助于降低矯直殘余應力[11-14］。因此，制定的熱處理溫度為：正火溫度870～890℃；淬火溫度880～900℃，采取內噴外淋水冷方式，淬火保溫時間50 min；高溫回火溫度為660～680℃，采取室溫空冷方式，回火保溫時間80 min。

2 工藝流程

140HC鋼級石油套管的生產工藝流程為：全鐵水轉爐煉鋼→爐外精煉→真空脫氣→連鑄圓管坯→鑄坯堆冷→切定尺→環(huán)形爐加熱→穿孔→精密斜軋管機軋管→定（減）徑→冷卻→預精整→無損探傷→正火→淬火→高溫回火→溫矯→無損探傷→外觀檢驗→螺紋加工→通徑→水壓試驗→測長、稱重→噴漆、噴標→打捆。

3 管坯生產

26CrMoV管坯熔煉成分各元素含量均滿足表3設計要求，體現冶金質量控制水平的化學元素分析結果見表4，有害元素含量低，P、O、N控制良好。26CrMoV管坯內部低倍未見異常，低倍缺陷級別全部小于1級，管坯質量良好。

表4 26CrMoV管坯化學成分（質量分數） %

4 產品熱處理后性能分析

4.1 尺寸精度

140HC鋼級石油套管在熱處理后超聲波測厚100%覆蓋檢驗，壁厚偏差完全滿足設計指標要求（-4.0%～15.0%）。為測定鋼管同一截面的不圓度和壁厚均勻度，隨機抽取并檢驗了熱處理后8支鋼管頭端、尾端、中間部分的外徑及壁厚，測量結果見表5～6。結果顯示，取樣鋼管的外徑在273.6～275.3 mm，符合設計指標，同一截面最大外徑不圓度為0.36%；壁厚在13.72～15.72 mm，同一截面最大壁厚不均度為8.9%?？梢姡?40HC鋼級石油套管的外徑不圓度及壁厚不均度達到了設計指標≤0.4%和≤10%的要求。

表5 140HC鋼級石油套管的外徑測量結果

表6 140HC鋼級石油套管的壁厚測量結果

4.2 力學性能

檢測熱處理后的140HC鋼級石油套管的力學性能，結果見表7。可以看出，經過正火+淬火+高溫回火后，套管的屈服強度和抗拉強度均滿足設計指標要求；全尺寸0℃縱向沖擊功在110 J左右，橫向沖擊功約105 J，橫縱比達到了95%；硬度變化范圍較小，單個值在35～37 HRC，平均值在36.1 HRC左右。

表7 140HC鋼級石油套管的力學性能

采用系列沖擊的方法測定熱處理后的140HC鋼級石油套管的韌-脆轉變溫度，具體結果如圖1所示，以FATT50（沖擊試樣斷口上出現50%纖維狀斷口時的溫度）或者ETT50（最大沖擊功的一半所對應的溫度，或最大沖擊功與最小沖擊功的平均值所對應的沖擊溫度）作為判定準則的情況下，140HC鋼級石油套管的韌-脆轉變溫度在-40～-35℃，材料具有良好的低溫韌性。

圖1 140HC鋼級石油套管的韌-脆轉變曲線

4.3 金相檢驗

140HC鋼級石油套管的非金屬夾雜物等級較低，細系總和0.5級，粗系總和1.0級，沒有DS類夾雜物；基體組織為均勻的回火索氏體，奧氏體晶粒度為9級。140HC鋼級石油套管的金相組織如圖2所示。

圖2 140HC鋼級石油套管的金相組織

4.4 殘余應力

使用環(huán)樣切割法檢測殘余應力，試樣環(huán)長度至少是套管外徑的兩倍。殘余應力σ計算公式為：

式中E——彈性模量，MPa，取206.9×104MPa；

t實——實測平均壁厚，mm；

D前——切割前試樣平均外徑，mm；

D后——切割后試樣平均外徑，mm；

ν——泊松比，取0.28。

該試樣環(huán)的t實、D前、D后依次為14.85 mm、277.51 mm、274.65 mm，代入公式（1）可計算出140HC鋼級石油套管的最大殘余應力為125 MPa，是規(guī)定最小屈服強度的12.9%，滿足設計要求外，還達到了文獻[15］提出的殘余應力應不超過最小規(guī)定屈服強度的15%的推薦值。

4.5 高溫拉伸強度

新疆某油田的采購規(guī)范中要求檢測140HC鋼級石油套管的150℃和180℃高溫拉伸性能。這與該地區(qū)的環(huán)境井溫較高有關。因此，在同一140HC鋼級石油套管管體周向取樣，并進行室溫和高溫拉伸試驗，具體結果見表8。從表8可以看出，與室溫相比，150℃時的屈服強度和抗拉強度降低幅度為2.9%和1.4%，180℃時的屈服強度和抗拉強度降低幅度為3.8%和2.7%，表明140HC鋼級石油套管具有良好的高溫強度，強度隨溫度升高時的衰減幅度較小。主要原因為：26CrMoV鋼中添加了較多的Cr、Mo及V等熱強合金元素，保證了鋼材具有良好的熱穩(wěn)定性，在高溫下強度下降幅度小。文獻[16-20］中也介紹，普通C-Mn鋼套管在350℃的溫度下，其強度降低18%左右，螺紋的接觸壓力會大幅度下降；而含有Cr、Mo、V等元素的套管在350℃的溫度下，其強度降低幅度一般不超過14%，螺紋的接觸壓力不會下降或下降的幅度小。

表8 140HC鋼級石油套管的室溫和高溫拉伸性能MPa

4.6 抗擠毀強度

在生產的Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格140HC鋼級石油套管上取樣，并在具有國家資質的第三方評價機構進行了4組抗擠毀實物性能評價，試驗結果見表9。結果顯示，管體抗擠毀強度在72.1～76.4 MPa，達到了60.1 MPa設計要求，實際試驗數值超過設計值15%以上。

表9 140HC鋼級石油套管擠毀試驗結果

5 結 語

經過Cr、Mo、V多合金化設計，嚴格控制鋼坯冶煉過程，采取合理的鋼管軋制及正火+淬火+高溫回火組合熱處理方式，生產出了滿足設計要求的Φ273.05 mm×13.84 mm規(guī)格140HC鋼級石油套管。該套管產品的外徑不圓度≤0.4%，壁厚不均度≤10%，橫向沖擊功與縱向之比約95%，殘余應力125 MPa，抗擠毀強度72.1 MPa以上，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性及衰減極低的高溫強度，可以在苛刻環(huán)境中使用。