BSG－65鋼級SEW石油套管的研制

韋 奉， 何石磊， 李遠征， 梁 航， 李敬波

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 寶雞專用管分公司，陜西 寶雞721008）

BSG－65鋼級SEW石油套管的研制

韋 奉1,2， 何石磊1,2， 李遠征1,2， 梁 航1,2， 李敬波3

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 寶雞專用管分公司，陜西 寶雞721008）

為了實現套管性能與成本的合理匹配，采用新型焊管熱機械控制工藝（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）開發了一種低能耗、輕量化的BSG－65鋼級Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。試驗評價了試制套管的理化性能、全尺寸實物性能等多項性能。結果顯示，產品的屈服強度和抗拉強度平均值分別達到490 MPa和692 MPa，0℃時1/2尺寸母材和焊縫橫向沖擊功平均值分別達到42 J和35 J，螺紋連接強度平均值達1 706 kN，抗內壓至失效強度平均值達77.6 MPa，抗外壓擠毀強度平均值達60.1 MPa，產品的各項性能達到相關技術要求。

套管；熱機械控制工藝；熱張力減徑電阻焊；BSG－65

Abstract:In order to achieve the reasonable matching of casing performance and cost,it adopted a new type of welded pipe thermal mechanical control process（thermal stretch-reducing+waste heat online fast cooling）to develop a low power consumption,light weight BSG-65 steel grade Φ139.7 mm×9.17 mm SEW casing.The experiment evaluated the physical and chemical properties of the trial-manufactured casing,full size physical performance and so on.The results showed that the average value of yield strength and tensile strength was 490 MPa and 692 MPa respectively；the average value of transverse absorbed energy for 1/2 size base metal and weld seam at 0℃ respectively reached 42 J and 35 J；the average strength of the threaded connection reached 1 706 kN；the average value of resistance to internal pressure to failure reached 77.6 MPa;the average value of resistance to external pressure to failure reached 60.1 MPa，the various property of product can meet relevant technical requirements.

Key words:casing;thermo mechanical control process;hot stretch-reducing electric welding;BSG－65

套管主要用于油田固井、采油和采氣，是油氣勘探開發的主要消耗材料，在石油工業發展中具有極其重要的地位，約占油氣井鉆采成本的20%~30%。相比于普通無縫油套管，以高壁厚均勻度的熱軋卷板為原料的熱張力減徑電阻焊（SEW）油套管，具有尺寸精度高（壁厚公差≤±4%t）、單井噸耗下降3%~8%、管材強韌性匹配好、抗擠性能優、綜合成材率高等諸多優點。在國際油價長期低迷的嚴峻形勢下，采用低能耗、輕量化、高性能的新型SEW油套管產品，將是油田降本增效、開發油氣資源、提升競爭力的重要手段之一。目前，國內油田一般井深約2 400~3 000 m的油井或由于J55鋼級套管的連接強度不夠，注水井套管柱普遍采用N80鋼級套管或N80鋼級和J55鋼級套管組合。這給現場帶來了操作不便、管理成本增加等問題，而采用N80鋼級套管又造成了強度富余的問題，變相增加了管材成本。

針對以上問題，國內一些無縫管廠曾研制了介于J55和N80鋼級之間的65 ksi鋼級無縫石油套管，但普遍存在采用較高的碳及合金元素含量設計以及離線熱處理等方式提高強度而導致能耗及制造成本高、管材韌性低等問題[1-2]。為有效降低油田鉆采成本，提升管材質量，并滿足井深約2 400~3 000 m的油井或注水井的鉆井、壓裂、采油、注水等作業需要，寶雞石油鋼管有限責任公司采用新型的焊管熱機械控制工藝（TMCP），即“高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻”，開發了低能耗、輕量化的BSG－65鋼級石油套管。

本研究針對BSG－65鋼級SEW石油套管開展了理化性能檢測和全尺寸實物性能試驗研究。

1 原料成分設計

BSG－65鋼級SEW套管是以API SPEC 5CT標準[3]規定的M65鋼級的力學性能指標作為設計基礎，并根據API SPEC 5B、API TR 5C3等標準[4-5]的相關公式計算出該鋼級套管的螺紋連接強度、抗外擠強度等其他指標要求，以Φ139.7 mm×9.17 mm規格的長圓螺紋套管為例，具體要求見表1。

表1 BSG－65鋼級SEW套管的性能要求

根據所采用的新型焊管熱機械控制工藝（TMCP）特點，熱軋卷板原料經鋼帶縱剪、成型焊接、中頻感應加熱及熱張力減徑后，主要依靠余熱在線快速冷卻處理來細化晶粒，提高強韌性，同時可減少原料的合金元素含量、離線熱處理道次等，進而降低綜合制造成本。結合BSG－65鋼級SEW套管的性能指標要求，其原料采用經濟型的中碳錳鋼熔煉成分設計（見表2）。

表2 BSG－65鋼級SEW套管用鋼的化學成分 %

C是鋼中最基本的強化元素，可溶解在鋼中，形成間隙固溶體，起固溶強化作用，同時又是很強的淬透性元素，有利于顯著提高強度；但是，C含量過高會降低鋼的塑性和韌性，并引起焊接性能惡化。因此，將設計卷板的w（C）控制在0.28%~0.30%。Mn既能以固溶狀態存在，也可以進入滲碳體中取代一部分Fe原子，起到固溶強化作用，還能形成硫化物，但含量過高容易引起嚴重的帶狀偏析，進而導致在線快速冷卻過程，產生冷裂紋傾向的加大，因而為確保優良的高頻焊接性能，將w（Mn）控制在0.80%~1.20%。所以，材料成分設計主要是經濟型的中碳錳鋼，不刻意添加其他合金元素，以降低成本，同時控制卷板晶粒度在8級或更細，嚴格限制有害元素P和S含量，控制夾雜物及帶狀偏析的等級。

2 批量試制工藝

2.1 HFW管坯試制

將熱軋鋼卷經縱剪、銑邊、排輥粗成型、精成型、高頻電阻焊接、焊縫超聲波探傷、定徑和飛鋸制成HFW毛坯管。試制工藝流程為：卷板—縱檢—拆卷—鋼帶對焊—粗成型—精成型—HFW焊接—焊縫超聲探傷—定徑—飛鋸。

2.2 管材熱張力減徑

采用中頻感應裝置將HFW毛坯管快速加熱到管材的奧氏體化溫度，隨即進入多道軋輥機組進行全管體熱張力減徑，然后經旋轉熱鋸得到所需外徑、壁厚和長度的高溫（約800℃）熱張減管坯。試制工藝流程為：中頻感應快速加熱—全管體熱張力減徑—旋轉熱鋸。

2.3 管材在線快速冷卻

將高溫熱張減管坯旋轉，通過在線控制冷卻裝置快速冷卻至所需溫度，然后在冷床上空冷至室溫，得到套管管坯。具體試制工藝流程為：在線控制冷卻—冷床空冷。

3 組織性能分析

3.1 外觀尺寸

依據SY/T 6238.1—1996標準，采用外徑千分尺、壁厚測厚儀及普通長度量具等對BSG－65鋼級套管的管體幾何尺寸進行測量，檢驗位置如圖1所示，具體檢驗數據見表3。

圖1 管體幾何尺寸檢測位置示意圖

表3 BSG－65鋼級SEW套管的幾何尺寸檢測結果

從表3可見，BSG－65鋼級SEW套管幾何尺寸精度高，壁厚均勻，其壁厚偏差和外徑偏差僅分別為0.22%~2.84%和0.59%~0.79%，完全滿足API SPEC 5CT標準要求，同時優于同規格的無縫套管[6]，為提升管體的抗外擠性能和單井噸耗下降奠定了有利的基礎。

3.2 顯微組織

對3種不同狀態試驗管的顯微組織進行光學顯微鏡觀察。圖2為HFW母管的顯微組織。從圖2可以看出，HFW管坯的母材組織為典型的鐵素體+珠光體組織且帶狀偏析較明顯，焊縫中心存在明顯的脫碳層且以鐵素體為主，熱影響區則出現了魏氏體組織和馬氏體、貝氏體等硬相混合組織。圖3為HFW母管經熱張力減徑后直接空冷至室溫（即正火處理）的管體組織。從圖3可以看出，焊縫和熱影響區實現了明顯的組織優化，其硬相組織轉變成了鐵素體+珠光體，進一步縮小了與母材的差異，但鐵素體晶粒尺寸明顯粗化（晶粒度約為8~9級），體積分數顯著增多，帶狀偏析依舊2.5~3級。圖4為HFW母管經熱張力減徑和在線快速冷卻處理后的管體組織。從圖4可以看出，鐵素體晶粒細化并形成仿晶界網狀分布，珠光體的體積分數增多，這是由于快冷工藝對奧氏體中的C、Mn等合金元素的擴散進行了有效抑制，從而使得未達到共析成分的奧氏體被快速過冷到偽珠光體區域，發生偽珠光體轉變，進而獲得大量的“偽珠光體組織”[7-16]，同時還有效抑制了帶狀偏析。

圖2 HFW母管的顯微組織

圖3 高溫熱張減管坯直接正火處理的顯微組織

圖4 高溫熱張減管坯在線快速冷卻處理后的顯微組織

3.3 力學性能

利用設計成分生產的新型BSG－65鋼級SEW套管的力學性能見表4，顯微硬度檢測結果見表5。從表5可見，經過新型的焊管熱機械控制工藝（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）制造的BSG－65鋼級SEW套管的母材、焊縫和熱影響區的顯微硬度接近一致，母材橫向和焊縫中心的沖擊值大幅超出標準要求，同時其屈服強度、抗拉強度和延伸率也達到了標準要求的中上限水平。

表4 試驗管坯的力學性能檢測結果

表5 試驗管坯顯微硬度檢測結果（HV10）

3.4 全尺寸實物性能

表6 試驗管坯全尺寸實物性能檢測結果

表6所示為新型的BSG－65鋼級SEW套管的全尺寸實物性能，圖5為試樣管抗外壓擠毀試驗形貌。從表6可以看出，該管材具有良好的使用性能，其螺紋連接強度、抗內壓至失效強度和抗外壓至擠毀強度性能均超出指標要求11%以上，有效保障了滿足工程的應用需要。

圖5 試樣管抗外壓擠毀試驗形貌

4 結 論

（1）BSG－65鋼級套管是介于API SPEC 5CT J55鋼級和N80鋼級之間的一種非API標準系列套管產品。

（2）采用熱機械控制工藝TMCP（高頻電阻焊+焊管熱張力減徑+余熱在線快速冷卻）制造的BSG－65鋼級套管的外觀尺寸、理化性能和全尺寸實物性能均滿足相關要求；同時，管體的焊縫、熱影響區和母材的組織性能接近一致，達到了工程無縫化水平。

[1]付繼成，孫開明，張傳友，等.TP65石油套管的設計開發[J].鋼鐵，2001，36（7）：27-29.

[2]羅先登.K55的生產工藝特點及M65的開發[J].四川冶金，2002，34（5）：34-36.

[3]API SPEC 5CT，套管和油管規范[S].

[4]API SPEC 5B，套管、油管和管線管螺紋的加工、測量和檢驗規范（15版）[S].

[5]API TR 5C3，Technical Report on Equations and Calculations for Casing，Tubing，and Line Pipe Used as Casing or Tubing；and Performance Properties Tables for Casing and Tubing First Edition[S].

[6]畢宗岳，何石磊，李周波，等.新型P110鋼級SEW石油套管研制[J].焊管，2013，36（4）：5-9.

[7]康煜平.金屬固態相變及應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[8]徐永康，劉耀恒.微合金化在正火態管線用無縫鋼管中的應用[J].鋼管，2015（4）：11-15.

[9]趙小婷，姚連登，李紅斌.正火溫度對鐵素體珠光體型高強鋼力學性能的影響[J].熱加工工藝，2013（18）：187-188.

[10]曹雷.30Mn2鋼HFW焊管焊縫淬火后在線熱處理工藝的選擇[J].鋼管，2011（4）：67-69.

[11]唐帥，劉振宇，王國棟，等.正火溫度對低碳微合金鋼Z 向性能的影響[J].金屬熱處理，2009（7）：46-49.

[12]劉雅政，劉照，徐進橋，等.非調質N80石油套管軋制工藝優化的實驗研究[J].鋼鐵，2006（7）：41-44.

[13]周曉光，劉振宇，吳迪，等.控制冷卻對C-Mn鋼力學性能的影響[J].東北大學學報（自然科學版），2010（3）：362-365.

[14]方琪，韓峰，孫偉，等.控制冷卻參數對普碳鋼組織性能的影響[J].內蒙古科技大學學報，2009（4）：307-309.

[15]周曉光，邢偉，龔福建，等.控制冷卻對C-Mn雙相鋼組織與力學性能的影響[J].材料熱處理學報，2015（10）：66-71.

[16]呂衛東，程杰鋒，唐廣波.控制冷卻技術的發展及其在熱軋鋼管過程的應用[J].上海金屬，2015（2）：45-48.

編輯：李紅麗

《中國焊管50年》征訂啟事

由中國金屬學會軋鋼學會第五屆焊管學術委員會組織編撰,《焊管》期刊社負責資料收集、整理、編輯,中國工程院李鶴林院士擔任主編，焊管制管企業和相關科研院所50余位學者、專家共同參與編寫的大型歷史文獻《中國焊管50年》，發行以來，受到廣大讀者的廣泛好評。

《中國焊管50年》充分展現了50年來中國焊管工業的發展歷程及所取得的輝煌成就；真實記載了我國焊管產品、工藝、設備、材料、相關標準、質量檢測及控制技術的設計、制造、應用的發展過程；客觀反映了我國焊管行業的現狀；科學分析了未來我國及國際焊管工業的發展趨勢。它既是一部我國焊管工業的發展史，同是又是一部焊管行業生產技術的現行教科書。

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聯系人：謝淑霞 聯系電話：0917－3398448

Development of BSG－65 Grade SEW Petroleum Casing

WEI Feng1,2， HE Shilei1,2， LI Yuanzheng1,2， Liang Hang1,2， Li Jingbo3
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods， Baoji 721008，Shaanxi， China； 2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co．， Ltd．， Baoji 721008， Shaanxi， China；3.Baoji OCTG Company of Baoji BSG Group,Baoji 721008， Shaanxi， China）

TE931.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.004

2017－03－15

韋 奉（1977—），男，碩士，工程師，主要從事新型油氣管材及制造工藝技術研究工作。