高鎳合金油管的質(zhì)量控制

李 亮歷建愛曹 峰易曉明上官豐收楊力能

1.中國石油集團 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）2.塔里木油田公司 物資采辦事業(yè)部 （新疆 庫爾勒 841000）

高鎳合金油管的質(zhì)量控制

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1.中國石油集團 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）2.塔里木油田公司 物資采辦事業(yè)部 （新疆 庫爾勒 841000）

介紹了高鎳合金油管的主要生產(chǎn)和檢驗過程，分析了生產(chǎn)和檢驗過程中容易出現(xiàn)的問題，提出了該類油管質(zhì)量控制的要點。

質(zhì)量控制 高鎳合金油管 生產(chǎn)工序 檢驗工序

目前，世界油氣田中大約1／3含有H2S氣體，由于這類油氣井中含有大量的H2S、CO2、C1－等腐蝕性介質(zhì)，普通碳鋼、低合金鋼乃至13Cr鋼、22Cr鋼等材質(zhì)的油井管已經(jīng)無法滿足開采環(huán)境的要求[1]。高鎳合金與一般不銹鋼相比，不僅具有良好的抗全面腐蝕、局部腐蝕以及應(yīng)力腐蝕的能力，還具良好的綜合力學(xué)性能和冷、熱加工性能，近些年在耐蝕油井管的制造中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

在我國，高鎳合金油井管的研發(fā)起步比較晚，但隨著國內(nèi)各鋼管企業(yè)研發(fā)實力的日益增強，高鎳合金油管的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)打破了國外的壟斷。目前，國內(nèi)某管廠已經(jīng)成功生產(chǎn)出了國內(nèi)第一批2830及G3材質(zhì)的高鎳合金油管，由于高鎳合金油管的生產(chǎn)及檢驗工序繁多，質(zhì)量控制過程中應(yīng)抓住關(guān)鍵點、有的放矢。

主要生產(chǎn)工序及其質(zhì)量控制

2830及G3高鎳合金油管的生產(chǎn)主要經(jīng)歷了如下幾個步驟：①坯料的冶煉；②坯料的鍛造；③坯料的熱擠壓；④荒管的固溶處理；⑤荒管的冷軋；⑥光管的管加工；⑦成品管的噴標及包裝等。其中，①、③、④、⑤是最為關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，這些工序的控制將決定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，需要對其進行重點監(jiān)控。

1 坯料的冶煉

與普通油套管鋼不同，2830和G3等高鎳合金的化學(xué)成分有如下特點：①添加了大量的合金元素，如 Cr、Ni、Mo、W 等；②C 含量通常應(yīng)控制在 0.015%以下；③P、S含量通常應(yīng)控制在0.03%以下。鑒于較高的化學(xué)成份要求，高鎳合金坯料的冶煉往往采用下列方式進行：EAF+AOD （VOD）+ESR或 VIM+ESR。

對于高鎳合金油管，坯料冶煉質(zhì)量控制的好壞將直接影響后續(xù)加工工序的實施以及最終產(chǎn)品的性能。當(dāng)坯料冶煉質(zhì)量不合格時，容易出現(xiàn)鍛造開裂（存在夾雜）、熱擠壓分層（氧含量高、存在夾雜）、冷軋開裂（存在夾雜）、產(chǎn)品強度不足（存在氣孔）等現(xiàn)象，給產(chǎn)品的質(zhì)量帶來致命性的危害。因此，為確保產(chǎn)品質(zhì)量及后續(xù)工序的順利進行，在該工序的監(jiān)督過程中，應(yīng)對每個電渣爐次坯料進行如下檢查：①化學(xué)成分檢驗結(jié)果；②夾雜物評定結(jié)果；③有無氣泡、縮孔等缺陷。

2 坯料的熱擠壓

高鎳合金油管往往依靠熱擠壓方式來成型，但其熱擠壓難度較大，在熱擠壓過程中需要綜合考慮設(shè)備的擠壓能力、溫度對合金變形抗力的影響、擠壓速率對合金變形抗力的影響等，才能設(shè)計出合理的熱擠壓工藝。高鎳合金的變形抗力對溫度和應(yīng)變速率的敏感性較高，通常來說，其流變應(yīng)力將隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增大而迅速增大。試驗證明，高鎳合金在1 100℃以上溫度區(qū)間變形，能夠有效降低流變應(yīng)力，減小設(shè)備負荷，因此高鎳合金的熱擠壓溫度常常在設(shè)置在該區(qū)域。在該工序中，如果熱擠壓工藝控制不當(dāng)，通常會在熱擠壓荒管內(nèi)外表面上出現(xiàn)裂縫、折疊、龜裂、裂紋、離層和結(jié)疤等缺陷。因此，質(zhì)量控制過程中應(yīng)重點檢查荒管的內(nèi)外表面是否存在上述缺陷。

3 荒管的固溶處理

ISO 13680《石油天然氣工業(yè)用耐蝕合金油套管及接箍無縫管供貨技術(shù)條件》規(guī)定[3]，高鎳合金油管析出相總量不能超過1%，σ析出相不能超過0.5%。由于高鎳合金管成分的特殊性，經(jīng)過熱擠壓工序后，往往會出現(xiàn)沿晶界分布的第二相，如氮化物相、碳化物相、σ相等，這些析出相的出現(xiàn)會對材料的耐腐蝕性、塑韌性等產(chǎn)生嚴重的危害，因此必須通過固溶處理工藝予以消除。此外，固溶處理還能夠起到消除加工硬化的作用，以便于二道冷軋工序的進行。在該工序的質(zhì)量控制過程中，要著重對熱處理爐的溫度、保溫時間以及冷卻水壓力進行檢查。

4 荒管的冷軋

一般來說，普通油管的力學(xué)性能是通過熱軋（熱處理）工藝來保障的，而高鎳合金油管在熱加工過程中往往會出現(xiàn)有害的第二相，因此需要通過其他途徑實現(xiàn)其力學(xué)性能。目前，2830和G3等高鎳合金油管通常采用冷軋的方式來控制管體的力學(xué)性能，采用冷軋方式成型的優(yōu)勢大致有如下三方面：①可避免產(chǎn)生有害的第二相；②通過設(shè)置合理的軋制變形量，便可生產(chǎn)出高強度、良好沖擊韌性的產(chǎn)品；③產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好、光潔度高。

在該工序中的監(jiān)督過程中，需要進行如下兩個方面的檢查：①冷軋光管的尺寸，如外徑、壁厚；②冷軋光管的表面質(zhì)量，如：有無凹坑、劃痕、表面裂紋。

主要檢驗工序及其質(zhì)量控制

按照ISO 13680標準要求[3]，高鎳合金油管需要進行如下幾個方面檢驗：①理化性能檢驗；②無損探傷檢驗；③成品管表面質(zhì)量檢驗；④管體直度檢驗。筆者根據(jù)自身質(zhì)量控制經(jīng)驗，將上述各檢驗項目容易出現(xiàn)的問題進行了匯總。

1 理化性能檢驗

高鎳合金油管的理化性能是判斷其質(zhì)量是否合格的重要依據(jù)，任何一項理化性能出現(xiàn)問題，都可能會對管體的安全性帶來致命的威脅，因此在質(zhì)量控制過程中應(yīng)該格外重視。 按照ISO 13680標準要求，高鎳合金油管的理化性能檢驗主要包括如下七個方面：化學(xué)成分分析、拉伸試驗、沖擊試驗（或壓扁試驗）、硬度試驗、水壓試驗（可選擇不做）、金相檢驗、抗CO2、H2S腐蝕試驗[3]。筆者發(fā)現(xiàn)在拉伸試驗、金相檢驗過程中，常常會出現(xiàn)檢驗結(jié)果不滿足ISO 13680標準的現(xiàn)象，在此對其進行簡要分析。

（1）拉伸試驗的監(jiān)督。對于高鎳合金油管，在拉伸試驗過程中常會遇到強度不合格的現(xiàn)象，而且這現(xiàn)象在高鋼級、大壁厚高鎳合金油管的檢驗過程中更為常見，在質(zhì)量控制過程中需要我們加大控制力度。高鎳合金油管的力學(xué)性能通常是通過冷軋變形來實現(xiàn)的，當(dāng)冷軋變形量不足時，常常會導(dǎo)致其強度達不到規(guī)定的要求。對于薄壁、低鋼級管材，其變形量比較容易控制，出現(xiàn)因變形量不足而導(dǎo)致強度不足的機率較小；當(dāng)管材的壁厚較厚、鋼級較高時，控制其變形量就變得較為困難，此時非常容易出現(xiàn)強度不達標的現(xiàn)象，如：接箍等大壁厚產(chǎn)品。

（2）金相檢驗的監(jiān)督。按照ISO 13680標準要求，高鎳合金成品管的析出相總量應(yīng)低于1%，σ相總量應(yīng)低于0.5%。 如前所述，在高鎳合金油管熱擠壓過程中，奧氏體晶界間會出現(xiàn)大量的金屬間析出相，當(dāng)固溶處理工藝不恰當(dāng)時 （如溫度設(shè)置不合理、保溫時間過短），大量的晶界間析出相將無法消除。因此，在質(zhì)量控制過程中，應(yīng)注意鑒定金相照片，甄別析出相是否超標。

2 無損探傷檢驗（超聲）

冷軋態(tài)交貨的高鎳合金油管的微觀組織通常是粗大的奧氏體組織，且組織不均勻，同時聲學(xué)性能各向異性，致使高鎳合金油管在超聲探傷過程中存在雜亂的晶間、晶界草狀回波，且信噪比低，給超聲探傷帶來許多困難。在高鎳合金油管的探傷過程中，需要對如下三類缺陷進行探測：縱向缺陷、橫向缺陷、分層缺陷。該工序的質(zhì)量控制過程中，應(yīng)注意如下兩個方面：①超聲探傷樣管必須采用同種高鎳合金材質(zhì)制作；②縱向、橫向和分層缺陷的靈敏度標定是否合格。

此外，由于以冷軋態(tài)交貨的高鎳合金油管內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，因此放置一段時間后可能會出現(xiàn)延遲裂紋，質(zhì)量控制過程中應(yīng)格外注意。

3 成品管表面質(zhì)量及管體直度檢驗

由于高鎳合金油管的硬度一般較低，其HRC一般在35以下，在生產(chǎn)、吊裝過程中很容易出劃痕、凹坑等缺陷（欠）。此外，由于高鎳合金油管的交貨狀態(tài)是冷軋態(tài)，成品油管在應(yīng)力作用下，管體容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致管體直度超標。因此，成品管入庫前，質(zhì)檢人員應(yīng)對其表面質(zhì)量和直度進行抽查。

結(jié) 語

目前，國內(nèi)高鎳合金油管的生產(chǎn)技術(shù)雖已打破了國外的壟斷，但該類產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗工序繁多，生產(chǎn)工藝控制難度較大，在生產(chǎn)過程中存在產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要加大監(jiān)督力度進行質(zhì)量控制，以確保交付油田的鋼管質(zhì)量。

[1]張忠鏵，唐豪清，張春霞,等．抗CO2和H2S腐蝕油套管的開發(fā)與展望[J]．世界鋼鐵,2007，7（4）：5-10．

[2]楊瑞成，聶福榮．鎳基耐蝕合金特性、進展及其應(yīng)用[J]．甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002，28（4）：29-33．

[3]ISO 13680（2008）石油天然氣工業(yè)用耐蝕合金油套管及接箍無縫管供貨技術(shù)條件[S]．

An introduction is given to the major production and inspection process at first.And then the analysis focuses on the problems easily appearing in the process of production and inspection.Based on the above analysis,some critical points of controlling the quality of this type of pipes are suggested at last.

quality control;high-nickel alloy pipes;production procedure;inspection procedure

李亮（1982-），男，碩士，工程師，主要從事油井管質(zhì)量監(jiān)督工作。

??簫鈴

2010-04-12