BSG110T SEW高抗擠套管生產工藝研究*

田永吉， 蘇 琬， 張 驥， 陳浩明

（寶雞鋼管西安石油專用管公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

高頻焊熱張力減徑 （hot stretch-reducing electric welding， 簡稱SEW） 套管產品具有幾何尺寸精度高、 強韌性好、 抗擠毀性能優異等特點， 比無縫高抗擠套管具有更大的優勢。 為滿足油田需求設計開發了BSG110T SEW高抗擠套管，前期設計及小批量生產順暢， 質量比較穩定，但在工廠批量生產時出現焊管母材開裂、 成型焊接控制不穩定、 加熱時彎曲、 變形、 軋輥異常損壞等問題， 這些問題主要是由于原料卷板強度高、 韌性低、 冷彎不合格以及板型差等原因造成的。

為解決生產中的問題， 在P110 鋼級SEW套管力學性能及抗擠毀強度數據分析基礎上進行生產試驗驗證， 發現采用P110 鋼級SEW 套管原料卷板生產BSG110T 高抗擠套管具有可行性，產品可滿足相關標準要求。

1 BSG110T SEW高抗擠套管生產工藝優化

1.1 原料卷板優化試驗

1.1.1 原料卷板設計目標

對SEW 焊管生產線設備及生產數據進行分析， 發現要解決HFW 制管中出現的問題，包括母材開裂、 成型焊接控制不穩定、 加熱時彎曲、 變形及軋輥異常損壞等， 必須對原料卷板力學性能、 非金屬夾雜物、 晶粒度等進行優化，同時需要充分考慮制管設備的生產能力， 參照Q/SY BG 4007—2012 《高頻焊熱軋 （SEW） 鋼管用鋼帶訂貨技術條件》[1]， 原料卷板性能設計目標見表1。

表1 卷板性能控制目標

1.1.2 設計卷板的性能檢測

經過對SEW 套管卷板檢驗數據進行分析，發現P110 鋼級SEW 套管原料卷板性能非常接近此次工藝試驗的要求， 因此確定采用P110 鋼級SEW 套管原料卷板進行生產試驗。

按照P110 鋼級SEW 套管原料卷板技術要求試制了5 爐卷板， 對訂貨的5 爐卷板進行入廠性能檢驗， 檢驗結果見表2。

從表2 可以看出， 試制原料卷板的屈服強度、 抗拉強度和非金屬夾雜等指標均滿足并優于試制對原料的要求， 可進行下一步HFW 鋼管試制。

表2 試驗卷板入廠性能檢測結果

1.1.3 HFW 焊管試制

參照BSG110T SEW 高抗擠套管技術要求， 設定HFW 管坯幾何精度控制目標， 具體要求見表3。

在HFW 生產線采用試制的5 爐原料進行縱剪、 焊接、 熱張力減徑和精整等工序， 生產出合格的Φ139.7 mm×10.54 mm HFW 管坯， 生產數據見表4。

表3 HFW 管坯精度控制目標

由表4 數據可以看出， 試制原料在HFW制管生產中適應性優良、 焊縫探傷及金相評定合格。 生產的管坯外徑為139.7～141.1 mm， 公差控制范圍在0.3%D～0.7%D； 壁厚為10.54～11.85 mm， 公 差 控 制 范 圍 在+1.9%t ～+9.6%t。管坯各項數據均滿足且優于設定的目標要求，生產順暢， 可進行下一步熱處理工藝試制， 驗證熱處理后管坯的性能。

表4 Φ139.7 mm×10.54 mm HFW 管坯生產數據

1.2 熱處理工藝

1.2.1 BSG110T SEW高抗擠套管目標值

參照Q/SY BG 1027—2017 《高頻焊熱張減高抗擠套管》[2]和API SPEC 5CT[3]標準中的相關要求， 設定熱處理后BSG110T SEW 套管性能目標， 具體指標見表5。

表5 熱處理后BSG110T SEW 套管性能目標

1.2.2 熱處理分組試制工藝

為了更合理地制定該鋼種的熱處理工藝， 參照鋼材熱處理工藝設計[4]、 鋼的熱處理[5]、 鋼的熱處理工藝設計經驗公式[6]、 材料科學基礎[7]等文獻， 同時借鑒熱處理工藝規范與數據手冊[8]以往SEW 套管熱處理經驗， 確定分4 組進行熱處理試制， 試制工藝參數見表6。

表6 熱處理工藝參數

1.2.3 工藝試驗結果

本次試驗采用HFW 制管生產的Φ139.7 mm×10.54 mm SEW 套管， 按照表6 確定的四種工藝分組進行了BSG110T 高抗擠套管熱處理工藝試制。

（1） 淬透性。 淬透性試驗在遠離淬火端處取樣， 硬度測試位置如圖1 所示， 四個象限的淬透性檢測結果見表7。

圖1 硬度測試位置示意圖

（2） 金相組織。 分別對原料套管管體母材、淬火后管體母材、 回火后管體母材取樣進行了金相檢測。 熱處理前母材組織形貌如圖2 所示， 淬火后母材金相組織形貌如圖3 所示， 回火后母材金相組織形貌如圖4 所示。 從圖2～圖4 可以看出， 淬火后組織為馬氏體， 回火后組織為回火索氏體。

表7 淬透性檢測結果

圖2 熱處理前母材金相組織

圖3 淬火后母材金相組織

圖4 回火后母材金相組織

（3） 壓扁試驗。 對四組試樣分別在頭、 尾取200 mm 的管環進行壓扁試驗， 壓至117.8 mm 平行板間距， 未出現開裂或斷裂， 壓扁至相對接觸，未出現不良的組織結構、 焊縫未熔合、 分層、 金屬過燒或擠出金屬等現象， 壓扁全部合格。

（4） 力學性能。 按照標準要求對熱處理后管材取樣進行母材拉伸、 母材沖擊和焊縫沖擊試驗， 試驗結果見表8。

表8 熱處理后管材力學性能檢測結果

（5） 非金屬夾雜及晶粒度。 分別對4 組試樣取樣進行了晶粒度和非金屬夾雜檢測試驗， 檢測試驗結果全部合格， 各分組晶粒度和非金屬夾雜檢測數據見表9。

（6） 殘余應力。 在力學性能合格的第2 組工藝試驗管中隨機抽取一根試驗管， 參照API 5C3[9]標準進行了殘余應力檢測， 檢測數據見表10。

（7） 抗擠毀性能。 在進行殘余應力檢測的套管上取樣進行全尺寸外壓擠毀試驗， 檢測數據見表11。

表9 各分組晶粒度和非金屬夾雜檢測數據

表10 殘余應力檢測結果

表11 抗擠毀試驗檢測結果

1.2.4 工藝試驗結果分析

由分組試制檢測結果可以看出， 四組工藝試樣淬火后淬透性指標均符合標準要求， 熱處理后四組試樣金相組織為回火索氏體， 壓至117.8 mm平行板間距未出現開裂或斷裂， 壓扁全部合格，晶粒度和非金屬夾雜均符合目標要求。 四組試樣中第2 組、 第3 組工藝試樣力學性能滿足設定目標， 第1 組工藝試樣屈服強度高于目標值， 第4組工藝試樣屈服強度低于目標值； 第2 組工藝試樣殘余應力及抗擠毀試驗結果均符合目標要求。

由此可見， 除第1 組、 第4 組試樣管坯性能超出標準范圍外， 按照第2 組、 第3 組工藝進行熱處理生產均可得到符合設定目標要求的BSG110T 鋼 級SEW 高 抗 擠 套管。 因 此， 采 用P110 鋼級SEW 套管原料卷板生產的管坯通過熱處理生產BSG110T 鋼級SEW 高抗擠套管工藝是可行的， 可進行批量生產驗證。

2 熱處理批量生產驗證

2.1 批量生產工藝確定

對比分組工藝試驗數據可以看出， 第2 組熱處理工藝生產的管坯性能最穩定， 各項指標最優，因此可以采用第2 組熱處理工藝進行小批量試制。但考慮到第2 組工藝試樣力學性能稍微偏高， 借鑒以往的生產經驗， 將回火溫度提高10 ℃， 最終確定進行小批量試制的熱處理工藝見表12。

表12 小批量試制熱處理工藝

2.2 批量生產檢驗結果

將HFW 焊管試制的Φ139.7mm×10.54mm SEW 管坯按照表12 的熱處理工藝進行批量生產驗證， 熱處理后對管坯性能進行檢測。

（1） 力學性能。 按照標準要求對試制SEW管坯取樣進行了母材拉伸、 母材沖擊、 焊縫沖擊試驗， 檢測結果見表13。

（2） 壓扁試驗。 對批量生產管坯按照標準要求每20 根進行壓扁試驗， 300 組試樣壓至117.8 mm 平行板間距， 未出現開裂或斷裂， 壓扁至相對接觸， 未出現不良的組織結構， 焊縫未熔合、 分層、 金屬過燒或擠出金屬等現象， 壓扁試驗全部合格。

（3） 非金屬夾雜及晶粒度。 對批量生產管坯按爐取樣進行了晶粒度和非金屬夾雜檢測， 檢測結果見表14， 檢測結果全部合格。

表13 批量試制的SEW 套管力學性能檢測結果

（4） 殘余應力。 按照標準抽樣進行環向平均殘余應力檢測， 檢測結果見表15， 檢測結果全部合格。

（5） 抗擠毀性能。 按照標準取樣進行全尺寸外壓擠毀試驗， 試驗結果見表16， 抗擠毀試驗合格。

表14 批量生產套管晶粒度和非金屬夾雜檢測數據

表15 批量生產套管殘余應力檢測結果

表16 批量生產套管抗擠毀試驗檢測數據

（6） 靜水壓、 全長通徑試驗。 按照標準要求逐根對生產的Φ139.7 mm×10.54 mm BSG110T SEW 套管進行靜水壓及全長通徑試驗， 套管在規定的壓力試驗過程中未滲漏， 水壓檢測全部合格， 具體試驗結果見表17。

靜水壓試驗 全長通徑試驗水壓壓力/MPa 保壓時間/s 判定 通徑頭直徑/mm 判定Φ139.7×10.54 BSG110T 逐根 103 10 合格 ≥115.4 合格規格/mm×mm 鋼級 檢驗頻次

2.3 批量生產檢驗結果及分析

在批量生產時工廠生產順暢、 工藝穩定， 對熱處理后套管進行性能檢測， 所有檢驗項目檢驗結果均達到了設定目標及標準的要求， 性能穩定，該工藝可以生產出滿足標準要求的Φ139.7 mm×10.54 mm BSG110T SEW 高抗擠套管。

3 結 論

（1） P110 鋼級SEW 套管原料卷板在HFW 制管生產中焊接適應性優良、 焊縫探傷及金相評定合格， 生產的管坯外徑公差控制在0.3%D～0.7%D、壁厚公差控制在+1.9%t～+9.6%t， 各項數據均滿足且優于設定的目標要求， 生產順暢， 解決了HFW制管生產中母材開裂頻發、 成型焊接控制不穩定、加熱時彎曲、 變形以及軋輥異常損壞等問題。

（2） 采用P110 鋼級SEW 套管原料卷板生產的Φ139.7 mm×10.54 mm SEW 管坯采用熱處理調質可生產出合格的BSG110T 高抗擠套管， 生產工藝穩定， 熱處理后產品達到了BSG110T 高抗擠套管設定目標及標準的要求， 抗擠毀性能優良。