C110鋼級套管的開發生產和API規范的工藝控制要求（上）

李平全，董 仁

（1.西安摩爾石油工程實驗室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發部，新疆 庫爾勒 841000）

C110鋼級套管的開發生產和API規范的工藝控制要求（上）

李平全1，董 仁2

（1.西安摩爾石油工程實驗室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發部，新疆 庫爾勒 841000）

簡要介紹了國外C110鋼級套管的開發背景和冶金制造工藝的技術進步，對比了某些制造廠的生產實際做法與API Spec 5CT規范對該鋼級合金化設計及工藝控制的規定，并進一步介紹了C110鋼級的適用性評價和應用實例，對C110鋼及其套管的開發生產提出了建議。

油井管；高溫高壓低酸性深井；C110鋼級；合金化設計；API Spec 5CT；NACE TM 0177；適用性

20 世紀80—90年代，國外抗酸性油套管的研制與開發相當活躍，日本、歐美等發達國家和地區先后開發了抗酸性油套管系列，API Spec 5CT《油套管規范》（第1版）在1989年列入T95抗酸性油套管后，又開發了C100，C105以及C110鋼級的低合金高強度抗酸性（HSSS）油井管［1-2］。2003年，美國石油學會（API）成立C110鋼級標準化工作組；C110鋼級于2011年列入API Spec 5CT《油套管規范》（第9版）［3］（簡稱API規范）。

1 C110鋼級套管開發背景

20 世紀80年代，T95鋼級是當時可獲得的最高鋼級抗酸性用鋼。隨著高溫、高壓酸性井的勘探開發，適合于酸性環境用的更高強度鋼級套管的研制倍受關注［1-2］。深井套管柱設計要求更高的強度，但由于硫化氫的存在，且受傳統的API抗酸性套管強度級C90和T95的限制，有時為了獲得設計井所要求的較高屈服內壓和抗擠特性，就要求鋼管內徑適應標準鉆頭和其他鉆柱工具及附件尺寸要求，保持API標準通徑的同時，必須采用非標準規格的更厚壁鋼管即非標準外徑套管。為獲得這種厚壁的C90和T95產品，制管廠可能需要對其進行工藝評定，必須簽訂生產準備時間較長的特殊合同。從油氣田用戶的角度來看，這需要采用更大尺寸的井眼和套管柱，以容納特殊的C90和T95管柱，從而增加了產品成本以及整個鉆井和完井的最終成本。油氣田用戶的需求，促使將最低屈服強度為 100 kpsi（689 MPa）、 105 kpsi（724 MPa）和 110 kpsi（758 MPa）的套管的開發研制提上日程。C100、C105、C110一類低合金高強度抗酸性套管，可使油氣井設計者在設計高溫、高壓井時，許多情況下可采用標準的套管外徑規格。這種標準規格套管的成功應用，可使鉆井和完井成本獲得持續改善。

2 C110鋼級套管開發成功的條件

冶金學和鋼管制造工藝技術的進步，為C110鋼級套管的成功開發創造了條件。

20 世紀90年代，由于鋼包精煉工藝和連鑄坯技術［2，4］、先進的熱處理爐溫度控制和淬火系統的采用［2，5］，成功開發出C110鋼級油套管并申請了專利，該鋼級抗硫化物應力腐蝕開裂（SSC）能力的試驗結果分別在1993年和1998年發表，還應用于一些高溫高壓井項目［6-7］。

抗酸性C110鋼級用管材，采用典型的AISI 41XX（Cr-Mo）的改型鋼，是用深脫S、P鐵水轉爐吹氧煉鋼，或用精鐵粉+廢鋼的電爐煉鋼；普遍采用適當的鋼包精煉和真空脫氣工藝，保持超低P、N含量，降低［N］、［H］、［O］氣體含量；采用鋼包電磁攪拌、鋼包吹氬工藝，促進合金均勻化、非金屬夾雜物充分上浮，減少非金屬夾雜物含量，提高鋼水純凈度；采用鋼包噴粉處理或連鑄坯中喂絲鈣處理工藝，使鋼中殘留非金屬夾雜物特別是硫化錳球化。

管坯化學成分明顯的偏析，可造成管材成分在全壁厚或從一端至另一端的波動，導致鋼的最終顯微組織不均勻，對良好的SSC抗力有害。抗酸性C110鋼級管材鋼坯采用連鑄技術生產，顯著地減少化學成分偏析。通過控制連鑄坯鼓肚量，控制澆注溫度和拉坯速度，采用電磁攪拌、輕壓下等技術，顯著減少中心偏析與中心疏松，使連鑄鋼坯質量提高且各向較為同性。連鑄與提高鋼水純凈度、控制夾雜物形態相結合，減小了熱加工時組織的拉長趨向，并使材料的各向異性降至最低，顯著改善了鋼的SSC抗力。

C110鋼級套管熱處理大多采用裝備有可編程序邏輯控制器（PLC）電腦監控的步進式加熱爐系統，它可提供極好的溫度控制和均熱處理能力。精確的溫度控制，使C110鋼管的屈服強度始終控制在70 MPa（10 kpsi）的“窗口”范圍（即屈服強度上下限范圍）內。由于鋼管通過爐內移動（在流轉梁上步進）時小幅度旋轉，保證了鋼管與輥梁接觸點沒有冷點。這種加熱方法與傳統氣體燃燒+熱滾筒爐或感應加熱系統相比較，其奧氏體化高溫區設定溫度可降至最低，保證了全壁厚區均溫較長時間內不增大晶粒尺寸，這對于極厚壁接箍坯料管產品特別重要。

通常，制造廠都會根據C110產品規格及其淬火設備的工藝控制能力，對鋼的化學成分細心地加以調整。槽外型層流+內軸向噴射的水淬系統，可通過電腦分段調整層流水量、鋼管通過層流各段移動速度，以彌補內軸向噴射產生的沿鋼管長度方向冷卻的不均勻。鋼管旋轉、管外層流、管內軸向噴射系統，通過電腦控制水流量、壓力和鋼管旋轉移動速度，可獲得最佳的淬火效力，使厚壁接箍坯料管包括內壁表面（在H2S環境中氫擴散起始處）在內的全壁厚材料同時轉變為馬氏體顯微組織。

3 C110鋼級合金化設計及工藝控制

C110鋼級列入API規范之前，一些制造廠按照與API C90和T95類似的工藝控制做法試制C110鋼級套管。

3.1 鋼的化學成分設計及其淬透性

表1是某些制造廠采用C、Mn、Cr、Mo、Ni以及Ti、V、Nb、B等合金化和微合金化的AISI 41XX（Cr-Mo）改型鋼試制、生產C110鋼級套管的實例。Nb等晶粒細化元素，微量Ti作為控制N含量、保證B固溶量的元素，具有提高鋼的淬透性作用［4］。C110鋼級的化學成分，不同的制造廠是不同的，取決于所采用的熱處理和淬火系統。表1給出API規范對C110和C90、T95鋼級化學成分及淬透性的規定和相應的計算值［4，7-11］。

表 2、圖 1 是淬透性檢測的兩個例子［2，4］，表明鋼的化學成分設計、鋼管規格和采用的淬火系統匹配，能保證C110鋼淬火后硬度滿足API規范要求，保證全截面淬透。圖1～3是Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼（0.26%C、0.40%Mn、1.0%Cr、0.70%Mo、0.03%Nb、0.018%Ti、0.001 3%B）C110 鋼級產品淬透性、淬火+回火態硬度和屈服強度控制的又一例子［4］。產品全截面淬透的均勻性保證鋼回火后產品外壁（OD）、中壁（MW）、內壁（ID）位置硬度以至全截面的均勻性，經回火后產品的屈服強度均值781 MPa，標準偏差 12.3 MPa，在 70 MPa（10 kpsi）“窗口”中限之下。滿足API規范統計拉伸試驗補充要求規定的屈服強度統計驗收準則的要求：屈服強度統計驗收均值－1.74倍標準偏差≥API規范規定屈服強度下限值，即781 MPa-1.74×12.3 MPa∧758 MPa。

表1 部分C110鋼級套管的化學成分分析結果及API規范要求

表2 淬透性檢測結果①

圖1 C110鋼級Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火態硬度分布（橫斷面）

圖2 C110鋼級Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火+回火后的硬度分布

3.2 材料性能控制

3.2.1 拉伸性能及硬度控制

圖3 C110鋼級Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火＋回火后的屈服強度

C110鋼級列入API規范之前，部分制造廠對C110鋼級拉伸性能、硬度控制要求及部分文獻的相應控制范圍，以及API規范對C110鋼級拉伸性能、統計拉伸試驗屈服強度及硬度的控制要求，見表 3［4，7，12-16］。表 4 是化學成分經適當控制后的AISI 41XX改型鋼一批C110鋼級產品的硬度和拉伸、屈服強度控制的例子［2］。該爐批鋼管的C含量為0.24%，原始奧氏體晶粒度為8級，淬火后全橫截面第1～4象限的OD、MW、ID位置硬度均勻：最低46.2 HRC，最高48.4 HRC，截面平均硬度47.2 HRC，大于API規范規定的全壁厚的推測硬度43.2 HRC（淬透至95%馬氏體）。經適當回火后鋼的屈服強度為785 MPa（113.8 kpsi），位于屈服強度控制“窗口”（70 MPa/10 kpsi）中限之下。從表3可見，API規范C110鋼級屈服強度的控制要求與部分制造廠產品的內控要求有兩個主要區別：

表3 部分制造廠和API規范對C110鋼級拉伸性能、硬度的控制要求①

（1）條件屈服強度的試樣標距段總伸長率規定值不同。API規范規定C110鋼級的屈服強度為試樣標距段總伸長率0.7%的拉伸應力，而部分制造廠的內控要求規定為標距段總伸長率0.6%（與API P110鋼級規定相同）的拉伸應力。試樣標距段總伸長率從0.6%變為0.7%，意味著淬火+回火的C110鋼級材料應回火更充分，硬度較低，在材料屈服時，試樣標距段更易延伸變形，總延伸長度增加。API規范的這一規定，表明充分回火的淬火+回火C110鋼級試樣標距段總伸長0.7%時的屈服應力應與Rp0.2的屈服應力一致。需要說明的是，文獻［7］采用的屈服強度為yield strength values（0.2%offset），0.2%offset yield可譯為Rp0.2或Rr0.2；Rp0.2表示規定塑性伸長率（即偏離線性的非比例伸長率）為0.2%的拉伸應力，Rr0.2表示規定殘余伸長率為0.2%的應力，前者適于自動法測量，較方便，后者采用卸載法測量。兩者測定方法不同，但數值上應等效，定義和測量方法見現行版GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。

表4 一批規格為Φ306.4 mm×19.0 mm C110鋼級產品的洛氏硬度HRC

（2）屈服強度的控制“窗口”大小不同。API規范降低了屈服強度上限值，屈服強度“窗口”縮小至70 MPa（10 kpsi），部分制造廠的C110鋼級屈服強度“窗口”則與C90和T95鋼級的屈服強度“窗口”保持一致，為104 MPa（15 kpsi），屈服強度上限值比前者高34 MPa（5 kpsi）。

由此可見，API規范對屈服強度的控制要求意在盡量提高C110鋼級的SSC抗力。此前，為使材料的SSC抗力最大化，文獻［7，12］規定C110鋼級屈服強度“窗口”比傳統的C90和T95鋼級縮小了34 MPa（5 kpsi），文獻［4］則縮小21 MPa（3 kpsi）。API規范規定C110鋼級屈服強度的控制“窗口”更窄，即要求進行更精確的化學成分、淬透性控制，精確的熱處理工藝控制等。為了更嚴格控制鋼的屈服強度范圍，API規范對C110鋼級可以補充統計拉伸試驗要求（見API規范附件A補充要求中A.12 SR38條款）。

鋼管橫截面硬度檢查是酸性套管生產工藝控制的重要方法。

淬透性試驗（淬火橫截面硬度試驗）是鋼的化學成分設計與匹配的淬火加熱爐及淬火系統效力相結合，以證明可接受的最低淬透性的定量評定方法。淬火橫截面硬度平均值達到規定要求和硬度均勻分布，意味著管材全壁厚范圍內，特別是在鋼與H2S氣體接觸的內壁表面獲得均勻分布的全淬火馬氏體顯微組織，而不必利用顯微鏡作馬氏體百分比定量評定，是更適合于材料生產的接受/拒收準則。

由于每個制造廠產品的拉伸性能通常具有一定的屈強比，因而屈服強度和硬度間也存在某種相關性，硬度檢測可間接用于評定每根鋼管的屈服強度。為使C110鋼級SSC抗力最大化，API規范規定C110鋼級的屈服強度“窗口”比C90和T95鋼級窄了34 MPa（5 kpsi），僅為70 MPa（10 kpsi），因此對C110鋼級屈服強度的控制很重要。由于拉伸試驗僅在每熱處理批的代表性樣品上進行，若采用統計拉伸補充要求，則大批量抽樣檢驗甚至對每根鋼管進行拉伸試驗是不經濟的。硬度檢測是評定每批每根鋼管屈服強度分布均勻性的一種經濟方法，對取自管端的鋼管試塊，從全壁厚的OD、MW以及ID位置進行橫截面硬度測量。這種測量不僅反映試驗材料的硬度，而且還反映了產品屈服強度的均勻性。硬度檢測是重要而經濟的工藝控制方法。

3.2.2 夏比沖擊試驗

C110鋼級鋼管、接箍毛坯、接箍材料和接箍半成品具有內外螺紋特殊端部加工的附件和附件材料，橫向沖擊功要求：YSmax（0.001 18 t+0.012 59）或20 J，取二者之間的較大者；縱向沖擊功要求：YSmax（0.002 36 t+0.025 18）或41 J，取二者較大者；式中，YSmin和YSmax分別代表規定最小、最大屈服強度，t代表產品規定壁厚或產品的臨界壁厚。

C110鋼級采用淬火+回火的AISI 41XX改型鋼，在設計鋼的化學成分時，采用Nb等細化晶粒元素，控制淬火加熱、均溫溫度和保溫時間，使奧氏體晶粒較均勻、細小，同時考慮鋼管規格與淬火設備效力和淬透性的匹配，保證鋼管全壁厚淬透；因此只要正確回火，鋼的OD、MW、ID位置的沖擊韌性都非常好，完全滿足API規范要求。

夏比沖擊試驗結果的最小剪切面積百分比應為75%。當鋼管規定壁厚取不出規定試樣時，應采用文件化程序（至少考慮化學成分、定徑和壁厚的變化）和沖擊試驗結果，來證明在規定試驗溫度時夏比V型缺口沖擊轉變曲線已達到上平臺。

3.2.3 SSC評定試驗控制

SSC評定試驗按API標準和NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》［17］規定采用A、D法進行。SSC評定試驗是產品質量控制的方法，是評定材料在規定環境條件下的特性的方法，而不是材料在任何特定酸性環境應用的合格評定。

對每批C110鋼級產品，應證明從該批生產流程前、中、后各1/3產品組成的3個子批抽取的3件不同產品，從端頭截取的每個試樣都滿足或超過85%YSmin臨界應力的要求。試樣應取自該批3個子批中硬度最高的一根鋼管、硬度最高的一端、硬度最高的位置（OD、MW或ID）。

對于C110鋼級，如果初次試驗中僅有1個試樣未通過，可以進行一次復驗。復驗可以在兩個補充試樣上進行，補充復驗試樣應取自未通過試驗的該產品初次取樣區的相鄰區域［3］。如果初次試驗中有1個以上的試樣未通過，則該批鋼管應拒收。如果復驗試驗的2個試樣有1個未通過，則該批鋼管應拒收。被拒收的試驗批鋼管可以重新進行熱處理，并作為新的一批鋼管進行檢驗。

評定試驗控制包括對抽取試樣準則（代表性），試樣制備（過熱、變形、過渡圓角大小、表面光潔度），試驗溶液濃度、pH值、飽和溶液H2S氣體或混合氣分壓，試樣加載操作，載荷、位移測定，試驗溫度等因素的控制。對于高強度低合金C110鋼級產品，取樣準則和試樣制備控制尤其重要。

硬度檢測不僅在套管生產工藝控制方面起重要的作用，在SSC評定試驗中的作用也是不可替代的。這是因為全壁厚硬度試驗、表面硬度控制檢驗平均硬度值，是SSC評定試驗抽樣的準則，即從組成一批的3個子批產品中硬度值最高的一根鋼管、一端、一個位置（OD、MW或ID）各取1個試樣；為加快篩除不能通過SSC試驗的產品，硬度試驗是捕獲必選鋼管的有效方法。根據產品試樣的硬度值，就可對該產品的SSC試驗是否能通過進行預判；SSC試驗前、后試樣相應位置的硬度檢測，有助于對SSC試驗的結果進行分析和評判。

油田經驗和實驗室試驗都證明硬度達到特定極限以上，套管將出現開裂。雖然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003《石油與天然氣工業在油氣生產中含H2S環境下使用的材料》［18］規定C110鋼級的最終回火硬度必須不超過30 HRC，但實際上要具有好的SSC抗力，必須具有相對低的硬度值，其極限可能在27.7～28.8 HRC以下［12］。采用通過標準檢驗程序的C90和C110鋼級商用套管產品，重回火向下微調硬度后，按NACE TM 0177標準A法，以實際屈服強度的某一百分比正常施加應力進行若干個SSC試驗，將試驗數據匯集在一起，并進行粗略擬合的失敗評估曲線（即SSC極限應力與硬度的關系曲線），如圖 4 所示［19］。

圖4 SSC極限應力與硬度的關系曲線

失敗評估曲線表明：低硬度值時，SSC極限應力稍高于90%AYS（實際屈服強度）；硬度值約27 HRC時，SSC極限應力開始顯著下降；硬度值28/29 HRC以上時，SSC極限應力跌落變得很陡；至32 HRC時，極限應力大約僅是實際屈服強度的20%。據文獻［11］介紹，厚壁接箍坯料的全橫截面OD和MW位置硬度值為29.5～30.2 HRC，標準直徑6.35 mm拉伸試樣在A溶液、94%AYS條件下的SSC試驗12～207 h失敗。高品質的不同產品間的SSC極限應力與硬度關系的曲線形狀預測不會有顯著的變化。

圖5是Nb鋼（屈服強度765～779 MPa，即111～113 kpsi）和 Cr-Mo-Nb-B-Ti鋼（屈服強度 806～820 MPa，即 117～119 kpsi）的 HRC 硬度與 NACE TM0177標準A法SSC試驗失敗率的關系［4］。SSC試驗條件：用1 bar（1 bar=0.1 MPa）H2S飽和A溶液，試樣加載應力為85%SMYS（規定最低屈服強度）［4］。圖5表明，硬度大于29 HRC時，材料的SSC抗力很差。

文獻［4，12，19］所提供硬度限制，其套管化學成分、制造工藝參數可能有差異，但與SSC試驗不通過的極限硬度基本吻合，比NACE MR 0175及API規范規定的硬度最高值（30 HRC）低2～3 HRC，實際生產中為使SSC抗力最大化，套管材料都控制在較低的硬度水平。因此產品硬度檢測結果可以幫助制造廠及時調整回火工藝參數控制淬火+回火態產品硬度范圍。

圖5 材料硬度對SSC試驗失敗率的影響

3.3 制造工藝控制

3.3.1 加 厚

除非購方要求加厚并與制造廠協商一致，否則產品不應加厚［3］。加厚會使加厚區和管體的淬火態、淬火+回火態的組織和性能不均勻，盡管淬透性要求可考慮加厚區壁厚，但加厚后熱處理加熱和均溫時，加厚區和管體區難以協調。如加厚要進行工藝評定，生產控制應保證SSC抗力最差部位符合API規范要求。

3.3.2 矯直和校正

在最終熱處理后，如需矯直，應采用熱旋轉矯直，并控制矯直終了溫度低于最終回火溫度，不超過165℃；如采用冷旋轉矯直，應在低于規定最終回火溫度30～56℃的溫度下進行消除應力處理。如需進行校正，應采用小型壓力機進行輕微校正［3］。鋼管在191℃下0.3%～0.9%的塑性應變，可使其SSC 抗力顯著下降［19］。

3.3.3 螺紋內外表面噴砂處理

C110鋼級管端的內外螺紋均需噴砂處理，除非經由購方與制造廠協商確定包括螺紋加工在內的管端加工可采用任何適當工藝技術進行處理，以避免上緊時出現材料對撕裂的敏感性或導致黏結［3］。

3.3.4 錘壓印標記

產品標記通常不采用冷錘壓標記，若采用標準字模具和圓面字模具冷錘壓標記，標記后應進行熱處理［3］。C110鋼級套管通常不采用API標準螺紋，沒有對鋼管有損傷的上緊三角形標記；如需上緊標記，可采用非錘壓、不損傷鋼管的上緊標記代替。

（待 續）

Development&Production of C110 Casing and Process Control Requirements of API Specification（PartⅠ）

LI Pingquan1，DONG Ren2
（1.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.Survey and Development Department，CNPC Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China）

Briefly introduced in the paper are the background for R&D of C110 casing and technical progress of metallurgical manufacturing process abroad.Actual operations of some manufacturers are compared with the requirements of API Spec 5CT for alloying design and process control of this grade.Also introduced are the applicability evaluation and actual application cases of C110 casing，and proposed are the relevant suggestions for the development and production of C110 steel and C110 casing.

tubing and casing；high-temperature high-pressure mildly sour deep well，C110 grade；alloying design，API Spec 5CT；NACE TM 0177；fit-for-purpose environment；SSC test

環境；SSC試驗

TG335.7；TE931+.2

A

1001-2311（2014）03-0021-08

李平全（1943-），男，教授級高級工程師，長期從事石油管的應用研究、檢測、技術監督、失效分析及預防預測、石油管標準化工作；近年從事非API油井管、抗酸性油井管、管線鋼管、抗CO2/H2S腐蝕石油管的研究開發和應用研究工作。

2014-01-05；修定日期：2014-04-30）