Cr12MoV膨脹錐在管材膨脹試驗中的應用

張仁勇，施岱艷，陳 軍，陳勇彬，張金鐘

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，成都610017；2.中國石油天然氣集團公司石油管力學和環境行為重點實驗室，成都610017；

①3.勝利油田河口采油廠地質研究所，山東東營257000）

Cr12MoV膨脹錐在管材膨脹試驗中的應用

張仁勇1，2，施岱艷1，2，陳 軍3，陳勇彬1，2，張金鐘1，2

（1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，成都610017；2.中國石油天然氣集團公司石油管力學和環境行為重點實驗室，成都610017；

①3.勝利油田河口采油廠地質研究所，山東東營257000）

膨脹錐是膨脹工具的核心部分，對膨脹管技術的應用和發展意義重大。選用模具鋼Cr12MoV為基材，設計加工了小錐度（6°）的膨脹錐，采用自上而下的膨脹工藝對J55套管和316L不銹鋼管進行徑向膨脹。試驗結果表明：經過1 020℃淬火＋160℃低溫回火處理后，Cr12MoV膨脹錐滿足工作要求，并順利完成對J55套管和316L不銹鋼管的徑向膨脹；2種管材的平均膨脹率分別為9.33%和9.05%，其長度減小幅度分別約為4.4%和3.6%，J55套管的回彈率要略大于316L不銹鋼管。

膨脹錐；Cr12MoV；膨脹試驗；膨脹管

膨脹管技術廣泛應用于鉆井、完井、采油、修井等作業中［1－2］，已解決了不少工程難題，被譽為是21世紀石油鉆采行業的核心技術之一。膨脹工具是膨脹管技術的關鍵技術之一，膨脹錐的材質、形狀尺寸、表面狀態等因素對膨脹管的質量有很大影響。目前，對于自行設計加工膨脹錐用于管材膨脹試驗的報道較少，大部分都是進行軟件模擬或優化設計方面的研究［3－4］。筆者參考相關資料，選擇模具鋼Cr12MoV作為基材，設計加工膨脹錐，并成功對J55套管和316L不銹鋼管進行了徑向膨脹，為膨脹錐的選材、設計加工以及管材膨脹試驗的進行提供參考依據。

1 膨脹錐的設計與加工

1.1 結構及參數

根據金屬冷拔加工的經驗和現有膨脹工具的設計，無論何種膨脹芯頭，其工作的核心部分都應該是錐形結構，這樣可有效減少與套管的接觸面積，降低摩擦阻力。目前的膨脹錐主要有單級、多級和變徑膨脹3種，本文主要針對單級膨脹錐進行討論，其結構如圖1所示。

圖1 單級膨脹錐結構

在膨脹作業過程中，膨脹區給管子內壁施加壓力使其發生塑性變形，定徑區把剛發生塑性變形的管體擴大到需要的尺寸，還能有效防止管壁發生大幅度的回彈。導向區的主要作用是引導膨脹錐直線前進，對即將進入膨脹區的管體起導向作用，以防管材在膨脹過程中發生較大幅度的彎曲而導致膨脹過程無法順利進行；另一個作用是把潤滑劑帶入膨脹區以減小摩擦阻力。膨脹錐的參數關系式為

式中，α為膨脹錐的錐度；l2為膨脹區長度，mm；D2為定徑區的直徑，mm；D1為導向區的直徑，mm。

導向區的直徑D1略小于管子原始內徑d。根據金屬塑性加工學原理，如果是經過退火處理的膨脹管，應滿足d－D1≥0.8［5］，定徑區的長度可在一定范圍內波動。但若是定徑區過長，與管壁的接觸面積會越大，摩擦也越大，綜合考慮將定徑區長度定為15mm，導向區長度為15mm，膨脹錐兩端的倒角均為45°。

膨脹錐的錐度α是一個非常重要的幾何參數，其大小直接關系到膨脹力的大小，還會影響到膨脹以后管子內壁的表面質量和管柱的力學性能，其選擇標準［6－7］為：

1） 有利于管子軸線與芯頭軸線重合，保持膨脹力方向正確。

2） 盡量減小膨脹力，降低能耗。

3） 保證變形區內金屬的流動順暢。

4） 能有效減小膨脹過程中的接觸應力，降低膨脹后套管內部的殘余應力。

本文根據大量錐角優化分析的文獻及專家建議，最終采用小角度錐角（α＝6°）。本試驗需把管材的內徑由100mm增大到約110mm，D1的取值范圍為D1≤99.2mm，由于管材本身存在不圓度，D1的取值為97mm，取D2為111mm，計算可得膨脹區長度l2＝66.60mm。

1.2 材料選擇

在膨脹過程中，膨脹錐受到巨大的界面應力和摩擦力，錐體材料的選擇至關重要，必須具有極高的硬度和強度、高的耐磨性、良好的韌性和抗熱變形能力，同時還要具有適宜的摩擦因數?？蛇x擇金剛石、低合金超高強度鋼、硬質合金和高碳高鉻模具鋼等材料來制造膨脹錐。借鑒成都油缸廠長期對油缸膨脹的實踐經驗［8］，綜合考慮后決定選用Cr12MoV作為膨脹錐的基材，其化學成分如表1所示。

表1 試驗用Cr12MoV化學成分wB%

1.3 熱處理

Cr12MoV鋼常采用的熱處理工藝分一次硬化法和二次硬化法2種：一次硬化法主要采用較低的淬火溫度和低溫回火，淬火加熱溫度在980～1 100℃，回火溫度為150～170℃，硬度可以達到61～63HRC，殘余奧氏體量少；二次硬化法是采用較高的淬火溫度然后進行多次高溫回火，相比之下，普遍采用一次硬化法［9］。本試驗中，首先對工件進行預熱處理，500℃保溫0.5h，這樣可以避免溫度驟變引起工件變形，還可以減少碳化物的不均勻分布，為后續的淬火、回火處理提供良好的原始組織［10］。Cr12MoV鋼的淬火工藝為在1 020℃保溫40min，油淬。由于淬火溫度過高會導致碳化物過度溶解使奧氏體變得很穩定，在淬火的過程中不發生轉變而作為殘留奧氏體保留下來，只能得到少量粗大馬氏體，殘余奧氏體很軟，組織不均勻，鋼的硬度會降低［11］。低溫回火工藝為在160℃保溫2h，膨脹錐的熱處理工藝如圖2所示。經過以上熱處理工藝后，Cr12MoV鋼的組織為細粒狀珠光體＋碳化物，實測洛氏硬度達到60HRC。對熱處理后的膨脹錐進行表面磨光，粗糙度為0.8。本試驗加工的膨脹錐如圖3所示。

圖2 Cr12MoV膨脹錐的熱處理工藝

圖3 Cr12MoV膨脹錐

2 膨脹試驗

2.1 試驗材料

J55鋼是石油工業中常用的套管鋼種之一，其用量約達石油套管總量的1／2。316L是低碳奧氏體不銹鋼，由于具有良好的力學性能、焊接性能和耐蝕性能而常用于制造石油化工行業中的容器、管道等。從J55套管和316L不銹鋼管上各截取2節管材，打磨端面，分別編號1＃、2＃待用。

2.2 試驗方法

選用Cr12MoV膨脹錐，采用自上而下的膨脹方式，通過YQ41型單臂液壓機完成2種管材的徑向膨脹（如圖4所示）。液壓機底座固定，壓頭向下施加與管子軸向一致的載荷，膨脹錐在導向區段的引導下緩慢進入管子，管子在巨大的接觸應力下開始膨脹。在膨脹試驗前，對2＃管子進行潤滑處理，1＃管子只清除管壁內的雜質。

圖4 膨脹示意圖

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 確定膨脹率

套管膨脹后，徑向增大幅度叫做膨脹的變形程度，也叫做膨脹率，用膨脹系數E表示為

式中，DE為管材膨脹后的內徑，mm；D為管材膨脹前的內徑，mm。

可以看出，E值越大，膨脹變形程度就越大。顯然當變形程度超過材料本身的極限時，管材就會發生破裂，所以每種材料都存在一個極限值Emax，即管材自身的最大允許膨脹率。為避免管材因為膨脹程度過大而引起裂紋甚至破裂，本試驗設定的膨脹率約為10%，具體試驗數值如表2。J55套管膨脹管膨脹前后實物如圖5所示。

表2 試驗用J55套管和316L不銹鋼管膨脹前后的參數

圖5 J55套管膨脹前后實物

2.3.2 管材的長度變化

2種管材經膨脹后，其長度的變化情況如表3所示。由于內徑的增大，材料在長度和厚度方面的消耗用于增加管體的容積。J55套管長度的減小幅度約為4.4%，要略大于316L不銹鋼管的縮短比例。

表3 試驗用J55套管和316L不銹鋼管的長度變化

2.3.3 管材的回彈

由于殘余應力的存在，管材膨脹后會出現回彈現象，膨脹錐定徑區經過后的管體部分內徑會縮小。由于內表面的壓應力和外表面的次生拉應力消失，管材就發生了彈性回復［12－13］。本試驗中，膨脹錐定徑區的實測平均值為?111.16mm，根據試驗結果得出管材的回彈率，如表4所示。2種管材的2＃管樣的回彈率都低于1＃管樣，是由于2＃管樣均經過潤滑處理使膨脹過程更易進行，變形程度更均勻，所以殘余應力更小。

表4 J55套管和316L不銹鋼管的回彈率

3 結論

1） 選用Cr12MoV作為膨脹錐的材料，經過1 020℃淬火＋160℃低溫回火處理后，其性能滿足對膨脹錐的要求。

2） 試驗采用小錐度的膨脹錐，順利完成了對J55套管和316L不銹鋼管的徑向膨脹，平均膨脹率分別為9.33%和9.05%。

3） 膨脹以后，J55套管和316L不銹鋼管的長度減小幅度分別約為4.4%和3.6%，前者的回彈率要略大于后者。

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Application of Cr12MoV Expansion Cone in the Experiment to Expand Tubing

ZHANG Ren-yong1，2，SHI Dai-yan1，2，CHEN Jun3，CHEN Yong-bin1，2，ZHANG Jin-zhong1，2
（1.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Southwest Company，Chengdu610017，China；2.The CNPC Key Laboratory for Mechanical and Environmental Behavior of Tubular Goods，Chengdu610017，China；3.Institute of Geology in Hekou Oil Production Plant，Shengli Oilfield，Dongying257000，China）

Expansion cone is the core part of expansion tool，it is significant to expansion tubing technology.The die steel Cr12MoV was chosen as the substrate，an expansion cone with small cone angle（6°）was designed and processed.The J55casing and 316Lstainless steel tube were radial swelled by top-down expandable craft.The test result shows：the expansion cone made by Cr12MoV meets the job requirements after the heat treatments that quenched at 1 020℃and tempered at 160℃.The experiment to expand J55casing and 316Lstainless steel tube was completed successfully.The average expansion ratio of J55casing and 316Lstainless steel tube are 9.33%and 9.05%，the length of them decrease about 4.4%and 3.6%.The rebound ratio of J55 is more than the 316Lstainless steel tube’s.

expansion cone；Cr12MoV；expansion experiment；expandable tubular

TE931.2

A

1001-3482（2012）05-0048-04

2011-11-21

張仁勇（1984-），男，四川德陽人，碩士，主要從事油氣田材料應用和腐蝕防護研究，E-mail：zhangreny84＠126.com。