TP150TT高強(qiáng)度高韌性抗擠毀套管研制開發(fā)

王福祥 楊寶銀 王華 陳建偉 周家祥 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

TP150TT高強(qiáng)度高韌性抗擠毀套管研制開發(fā)

王福祥 楊寶銀 王華 陳建偉 周家祥 （天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301)

介紹了Ф177.8×12.65 mm規(guī)格深井用高強(qiáng)度高韌性TP150TT抗擠毀套管的開發(fā)情況。研究了與高強(qiáng)度高韌性抗擠毀套管生產(chǎn)相關(guān)的純凈鋼冶煉技術(shù)、高精度無縫管軋制技術(shù)、高韌性套管材料的熱處理技術(shù)及強(qiáng)韌化機(jī)理。該產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度達(dá)到1 100 MPa以上，同時(shí)橫向沖擊功在120～140 J，縱向沖擊功140～160 J，管體實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度在20 000 Psi以上。

強(qiáng)度 韌性 抗擠毀 套管 開發(fā)

1 前言

世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人類對(duì)石油天然氣的需求日益增加，使得深井、超深井等油氣田資源不斷被開發(fā)出來。石油套管下井深度持續(xù)增加，為了保證施工和開采的安全性，必須要求深井服役的套管具有高的屈服強(qiáng)度、良好的沖擊韌性和較高的抗擠毀強(qiáng)度[1]。

高鋼級(jí)石油套管一般都要經(jīng)過最后的調(diào)質(zhì)熱處理，在調(diào)質(zhì)熱處理過程中，回火溫度決定材料的強(qiáng)度和韌性。回火溫度低，強(qiáng)度高韌性低;回火溫度高，則韌性高強(qiáng)度低[2,3]。材料強(qiáng)度與韌性同步增長是當(dāng)今鋼鐵研究的世界性難題。英國能源部指導(dǎo)性技術(shù)文件要求：對(duì)于高鋼級(jí)油井管材，為保證服役安全，其橫向全尺寸0℃沖擊功（J)應(yīng)不低于其屈服強(qiáng)度（MPa)的1/ 10;按照“1/10理論”，對(duì)于 150 ksi鋼級(jí)（屈服強(qiáng)度1034 MPa)的鋼管，其橫向全尺寸0℃沖擊功（J)應(yīng)該在105 J以上。

天津鋼管集團(tuán)公司在高強(qiáng)高韌性管材開發(fā)方面走在了世界的最前列，通過科學(xué)的合金化技術(shù)、先進(jìn)的純凈鋼冶煉技術(shù)、高精度無縫管軋制技術(shù)、高強(qiáng)高韌性管材的熱處理技術(shù)，率先將管材強(qiáng)度和韌性的同步增長提高到“1 100 MPa，110 J”穩(wěn)定水平，管材實(shí)際檢測性能已經(jīng)達(dá)到160 ksi鋼級(jí)，橫向全尺寸沖擊130 J左右，殘余應(yīng)力低于60 MPa，管體實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度20 000 Psi以上。實(shí)物質(zhì)量超過國外同類產(chǎn)品水平，使用效果良好，并將開發(fā)的技術(shù)成功地推廣到其它無縫鋼管產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2 技術(shù)思路

鋼管的抗擠毀性能受屈服強(qiáng)度、壁厚、尺寸精度、殘余應(yīng)力等因素影響較大[4,5]，對(duì)于?177.8 mm×12.65 mm規(guī)格深井用高強(qiáng)度高韌性抗擠毀套管。考慮到生產(chǎn)的實(shí)際情況，我們將TP150TT管材性能和尺寸精度指標(biāo)設(shè)計(jì)見表1、表2。

表1 TP150TT抗擠毀套管力學(xué)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

表2 TP150TT抗擠毀套管尺寸精度設(shè)計(jì)指標(biāo)

鋼鐵材料的成分、工藝、組織決定著材料的最終性能。為了同時(shí)獲得具有超高屈服強(qiáng)度和良好沖擊韌性的鋼管材質(zhì)，在煉鋼、精煉過程中盡可能降低鋼中夾雜物、氣體以及硫、磷等有害元素的含量，真空脫氣后喂入硅鈣絲對(duì)鋼液中的夾雜物進(jìn)行球化變性處理;采用控軋控冷的無縫鋼管連軋技術(shù)，提高熱軋態(tài)鋼管的組織均勻性，細(xì)化晶粒，并提高尺寸精度;優(yōu)化調(diào)質(zhì)熱處理工藝，最終實(shí)現(xiàn)鋼管良好的強(qiáng)韌性匹配。

3 主要技術(shù)方案

3.1 采用Cr，Mo合金作為主要合金化元素，同時(shí)輔以少量的V、Nb微合金元素，保證鋼材淬火后具有超高的強(qiáng)硬度、細(xì)小的晶粒度，回火后具有均勻的組織、良好的沖擊韌性。

3.2 根據(jù)鋼管的外徑、壁厚值以及鋼管要達(dá)到的強(qiáng)度預(yù)期選擇合理的碳含量，碳含量的增加能顯著提高鋼的淬透性和淬硬性，但同時(shí)削弱鋼的韌性，應(yīng)根據(jù)鋼管的規(guī)格和鋼級(jí)對(duì)碳含量進(jìn)行調(diào)整。

3.3 鉻合金含量控制在1%左右，既能保證鋼的淬透性，同時(shí)又不至于產(chǎn)生粗大碳化物析出。

3.4 添加0.5%左右的鉬元素和0.03%左右的釩元素和鈮元素。鉬元素在奧氏體化過程中能夠固溶，產(chǎn)生良好的固溶強(qiáng)化效果，在高溫回火時(shí)候能緩慢析出，產(chǎn)生細(xì)小的第二相沉淀粒子，改善調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度和韌性;釩和鈮元素都是強(qiáng)碳化物性能元素，在控軋和奧氏體化過程中均能釘扎晶界、提高鋼的晶粒度;在調(diào)質(zhì)回火過程中能沉淀強(qiáng)化，提高回火穩(wěn)定性。

3.5 錳的合金含量控制在小于0.5%。雖然錳元素能穩(wěn)定奧氏體區(qū)，提高淬火硬度，但在連鑄過程中錳容易引起鑄坯的成分偏析。錳還是強(qiáng)的硫化物形成元素，硫化錳在軋管過程中沿鋼管內(nèi)壁呈帶狀分布，惡化鋼管的橫向沖擊性能。

3.6 高鋼級(jí)管材對(duì)非金屬類夾雜物異常敏感，夾雜物的控制是實(shí)現(xiàn)管材高強(qiáng)高韌性能的關(guān)鍵。要控制夾雜物數(shù)量，改善夾雜物形態(tài)，細(xì)化夾雜物粒度。成品管中A類和C類夾雜物不能超過0.5級(jí)，B類和D類夾雜物不超過1.0級(jí)。因此，在純凈鋼冶煉過程中，喂入充分的鋁絲進(jìn)行脫氧，并適量喂入硅鈣絲對(duì)夾雜物球化處理。真空脫氣吹氬弱攪拌后保持至少5 min鎮(zhèn)定時(shí)間，促進(jìn)夾雜物充分上浮。

3.7 控制軋制。根據(jù)尺寸精度要求，采用無縫管熱連軋工藝。根據(jù)該鋼的熱塑性曲線，控制軋制溫度，調(diào)整環(huán)形爐加熱溫度，控制初軋溫度、終軋溫度和熱定徑溫度。

3.8 整管全長調(diào)質(zhì)熱處理，步進(jìn)式加熱爐加熱，外淋、內(nèi)噴、管子旋轉(zhuǎn)的水冷方式淬火;回火溫度600℃～650℃，出回火爐以后快速入矯直機(jī)高溫矯直，盡可能降低殘余應(yīng)力。

4 工藝流程

4.1 煉鋼工藝

煉鋼→精煉→脫氣→喂絲→鎮(zhèn)定→連鑄→管坯檢驗(yàn)

4.2 軋管工藝

管坯加熱→斜軋穿孔機(jī)穿孔→連軋→定徑→冷卻→鋸切→矯直→無損探傷→檢驗(yàn)

4.3 管加工工藝

奧氏體化→淬火→回火→矯直→空冷→無損檢測→螺紋車絲→上接箍→檢查通徑→靜水壓→定尺→稱重→涂漆→噴標(biāo)→烘干→成品

5 實(shí)物檢驗(yàn)

對(duì)成品管分別進(jìn)行化學(xué)元素分析、小樣力學(xué)檢測、低溫沖擊性能試驗(yàn)、金相組織觀察等。分析表明，成品管材具有良好的宏觀力學(xué)性能和優(yōu)良的顯微組織。

5.1 化學(xué)成分分析

在生產(chǎn)過程中分別對(duì)材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、微觀組織等進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)。體現(xiàn)冶金質(zhì)量控制水平的鋼中化學(xué)元素分析結(jié)果見表3。

3 鋼中化學(xué)元素分析 /%

分析表明有害元素含量低，殘留P元素只有0.008%，S含量0.001%。酸溶鋁占全鋁比重90%，保證脫氧效果的同時(shí)減少了氧化鋁夾雜。氣體元素氧含量≤20×10-6，氮含量≤80×10-6，氫含量≤1×10-6。

5.2 材料相變特性分析

C曲線（見圖1)連續(xù)冷卻曲線，表明該鋼種具有良好的淬透性。

圖1 超強(qiáng)高韌鋼的CCT曲線

5.3 微觀組織

見圖 2、圖 3。

圖2 金相組織

圖3 晶粒度

管體金相為回火索氏體，組織細(xì)小而均勻;平均晶粒度直徑在10μm左右，晶粒度等級(jí)≥9級(jí)。

5.4 力學(xué)性能

經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后的鋼管力學(xué)性能見表4。

表4 管體力學(xué)性能

從表4可以看出，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理以后，屈服強(qiáng)度達(dá)到1 100 MPa以上（160 ksi鋼級(jí))，全尺寸0℃橫向沖擊功穩(wěn)定在130 J，縱向沖擊功150 J左右。平均硬度HRC值在40左右，力學(xué)性能穩(wěn)定，波動(dòng)較小，鋼管力學(xué)性能達(dá)到了非常理想的強(qiáng)韌性匹配效果。

5.5 系列溫度沖擊韌性

從圖4、圖5可以看出材料系列溫度的夏比沖擊情況。鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度-45℃，低溫韌性良好。

圖4 橫向系列溫度沖擊曲線

5.6 尺寸精度及殘余應(yīng)力

管體外徑及壁厚尺寸精度見表5、表6、圖6。

表5 管體外徑尺寸測量值/mm

表6 管體壁厚尺寸測量值/mm

圖6 外徑壁厚測量點(diǎn)示意圖

可以看出，實(shí)測管體的外徑、壁厚值均勻而穩(wěn)定，尺寸精度滿足設(shè)計(jì)精度要求，從A點(diǎn)位置沿管體縱向方向開槽鋸切，管體被切開以后，C1G1、C2G2、C3G3外徑測量值由于受開槽應(yīng)力脹大的影響，外徑值分別增大為179.2 mm、179.4 mm、179.3 mm。利用殘余應(yīng)力開槽法計(jì)算公式測得鋼管的宏觀殘余應(yīng)力30 MPa，鋼管實(shí)物性能優(yōu)良。

式中：σ——?dú)堄鄳?yīng)力，MPa;

E——2.06×105，MPa;

t——壁厚平均值，mm;

μ——泊松系數(shù)0. 30;

CG前——開槽前CG外徑值，mm;

CG后——開槽后CG外徑值，mm。

5.7 TP150TT套管管體抗擠毀評(píng)價(jià)

生產(chǎn)的 Φ177.8 mm×12.65 mm，TP150TT套管在天津鋼管公司工程試驗(yàn)室和中國石油管材研究所進(jìn)行了抗擠毀實(shí)物性能的評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，管體抗擠毀強(qiáng)度都在20 000 psi以上，遠(yuǎn)超出API標(biāo)準(zhǔn)值（16 230 psi)和內(nèi)控設(shè)計(jì)值。見表7。

6 結(jié)論

6.1 TPCO開發(fā)的TP150TT抗擠毀套管，強(qiáng)度和韌性匹配良好，實(shí)物抗擠毀性能優(yōu)良，生產(chǎn)流程科學(xué)合理，在生產(chǎn)超高強(qiáng)度高韌性油井管領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)

TIANJIN METALLURGY先水平。

表7 管體抗擠毀評(píng)價(jià)情況

6.2 該高抗擠毀套管尺寸精度高，殘余應(yīng)力低，擁有較高的沖擊韌性、較低的殘余應(yīng)力和優(yōu)良的低溫沖擊韌性，可以滿足套管在不同苛刻環(huán)境中的使用條件。

6.3 TPCO在研發(fā)高鋼級(jí)抗擠毀套管過程中，從合金化設(shè)計(jì)、純凈鋼冶煉、夾雜物控制、無縫管軋制、熱處理優(yōu)化等各方面對(duì)高強(qiáng)高韌性材料進(jìn)行了深入研究，形成了自己獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，可以生產(chǎn)最高到170 ksi鋼級(jí)的油管、套管、鉆桿料，以及各種特殊環(huán)境中服役的高鋼級(jí)油井管材。

[1]張國政，張平生，馮耀如.V150套管破裂原因及超深井套管套管選材探討[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[2]孫珍寶，朱譜藩.合金鋼手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

[3]張俊善.材料強(qiáng)度學(xué) [M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4]American Petroleum Institute,Production Department.API Bulletin 5C3.Formulas and Calculations for Casing,Tubing,Drillpipe and Line Pipe Properties.Houston:API,1983.

[5]American Petroleum Institute,Production Department.API Specification 5A.Specification for Casing,Tubing and Drillpipe.Houston:API,1982.

Trail and Development of TP150TT High Strength High Toughness Anti-collapse Oil Casing

Wang Fuxiang,Yang Baoyin,Wang Hua,Chen Jian- wei,Zhou

The paper introduces the development of TP150TT high strength high toughness anti-collapse oil casing for Ф177.8×12.65 mm deep well application and studies clean steel smelting technology,high precision seamless pipe rolling technology,the heat treatment technology and strengthening and toughening mechanism of high toughness oil casing,which all relate to the production of the said oil casing.The yielding strength of the product is over 1 100 MPa with 120～140 J lateral impact work and 140～160 J longitudinal impact work,and its actual anti-collapse strength,more than 20 000 Psi.

high strength,high toughness,anti-collapse,oil casing,development

（收稿 2010－10－22 責(zé)編 崔建華)

王福祥，男，工程師。現(xiàn)在天津鋼管集團(tuán)股份有限公司工作，主要從事高強(qiáng)韌性管材的合金成分設(shè)計(jì)和熱處理生產(chǎn)工藝研究。