王冬林，祝光輝，王耀光，王長安，楊專釗，楊紅兵，閆 凱，雷凌云

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；2.長慶油田蘇里格南作業(yè)公司，西安710000）

國外110鋼級(jí)奧氏體合金油管質(zhì)量分析

王冬林1，祝光輝2，王耀光1，王長安1，楊專釗1，楊紅兵1，閆 凱1，雷凌云1

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；2.長慶油田蘇里格南作業(yè)公司，西安710000）

為了了解國外某110鋼級(jí)奧氏體合金油管的質(zhì)量控制情況，對(duì)比了國內(nèi)外奧氏體合金油管的生產(chǎn)工藝，從化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、耐腐蝕性能等幾個(gè)方面對(duì)國外奧氏體合金油管的質(zhì)量性能進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)出了該奧氏體合金油管的質(zhì)量控制情況，得出該奧氏體合金油管的性能遠(yuǎn)高于ISO 13680標(biāo)準(zhǔn)的PSL1水平，并從力學(xué)性能、螺紋加工粘刀、外觀質(zhì)量3個(gè)方面分析了奧氏體合金油管在制造過程中容易出現(xiàn)的缺陷，提出了相應(yīng)的處理和預(yù)防措施。

奧氏體合金油管；質(zhì)量控制；缺陷

隨著石油和天然氣能源開采的日益增加，常規(guī)工況環(huán)境較好的油田已經(jīng)不能滿足日益增長的石油需求。大量高酸性油氣田被開采，而高酸性油氣田工況環(huán)境極其惡劣，Cl-、CO2、H2S含量較高，普通常規(guī)的不銹鋼管已經(jīng)無法滿足此類油氣田的開發(fā)需求[1]，因此世界各國開始生產(chǎn)奧氏體合金油套管以滿足開采需要。奧氏體合金不僅在諸多工業(yè)腐蝕環(huán)境中具有獨(dú)特的抗腐蝕性能，甚至具有抗高溫腐蝕性能[2-3]，而且具有強(qiáng)度高、塑韌性好，可冶煉、鑄造、冷熱變形、加工成型和焊接等性能，被廣泛用于石化、能源、海洋、航天航空等領(lǐng)域[4]。國外各生產(chǎn)廠商在奧氏體合金油套管方面已經(jīng)生產(chǎn)研究了20余年，關(guān)于此類耐蝕合金油套管的生產(chǎn)工藝已經(jīng)較為成熟，油田現(xiàn)場(chǎng)使用效果滿意。因此，本研究主要針對(duì)國外某工廠生產(chǎn)的奧氏體合金油管，從化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、耐腐蝕性能等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)出該工廠對(duì)奧氏體合金油管的質(zhì)量控制情況，找出奧氏體合金油管制造缺陷，并提出了相應(yīng)的處理和預(yù)防措施。

1 奧氏體合金油管生產(chǎn)工藝

奧氏體合金油管和常規(guī)耐蝕油管生產(chǎn)工藝有很大不同，其主要成型工藝為鍛造、熱擠壓、冷軋等，而常規(guī)耐蝕油管成型工藝為熱軋、熱處理等。圖1為國外某公司奧氏體合金油管主要生產(chǎn)工藝流程圖。由圖1可看出，該工藝和國內(nèi)奧氏體合金主要生產(chǎn)工藝基本一樣，其中熱擠壓、冷軋、固溶處理、螺紋加工為重點(diǎn)工序，這些工序的控制將直接影響奧氏體合金油管使用性能[5]。

圖1 國外某公司奧氏體合金油管主要生產(chǎn)工藝流程圖

2 國外奧氏體合金油管性能分析

2.1 化學(xué)成分

對(duì)國外某公司生產(chǎn)的110鋼級(jí)奧氏體合金油管的化學(xué)成分選取200組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表1。

表1 國外某公司奧氏體合金油管化學(xué)成分 %

由表1可以看出，該公司奧氏體合金油管化學(xué)成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了技術(shù)要求范圍，奧氏體為鐵基奧氏體，而國內(nèi)奧氏體合金油管一般采用的成分為鎳基奧氏體，而且該工廠對(duì)各主要元素C、Ni、Cr、Mo和S等控制比技術(shù)要求嚴(yán)格很多，各主要元素平均值均控制在技術(shù)要求中值附近，并且標(biāo)準(zhǔn)差與技術(shù)要求合格范圍區(qū)間的1/2相比，幾乎可以忽略不計(jì)。在奧氏體合金中，C元素是為了生成穩(wěn)定的晶界碳化物，防止高溫下的晶界滑移提高合金的持久強(qiáng)度；Cr元素是穩(wěn)定合金表面的最重要元素，它在基體材料的表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護(hù)層[6]；而Mn元素作用是增加奧氏體鋼的穩(wěn)定性，降低淬火的臨界冷卻溫度；Ni元素可以保證鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性、淬透性和優(yōu)良的耐腐蝕性。因此，該奧氏體合金油管的主要元素控制得相當(dāng)精細(xì)，能有效的保證油管后續(xù)性能，與此同時(shí)，將對(duì)影響耐腐蝕性能的有害元素S控制得低于0.01%，使油管耐蝕性能能夠得到更好的保證。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

對(duì)國外110鋼級(jí)奧氏體合金油管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并選取200組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。

表2 國外某公司奧氏體合金油管拉伸試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表2可知，該奧氏體合金油管的屈服強(qiáng)度與技術(shù)要求相差不大，而且屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差也僅為15.06 MPa，屈服強(qiáng)度控制能力極強(qiáng)；抗拉強(qiáng)度的平均值比技術(shù)要求的最小值大100 MPa；延伸率的控制達(dá)到技術(shù)要求最小值的2倍。因此，該奧氏體合金油管抗拉強(qiáng)度和延伸率控制能力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)要求?？傮w來說，拉伸性能完全滿足生產(chǎn)供貨需要。

2.2.2 沖擊值和硬度

對(duì)該國外生產(chǎn)的110鋼級(jí)奧氏體合金油管進(jìn)行沖擊和硬度試驗(yàn)，各選取200組數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。

表3 國外某公司奧氏體合金油管沖擊和硬度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表3可以看出，該奧氏體合金油管沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足技術(shù)要求；硬度平均值低于技術(shù)要求最大值5.2HRC，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.66HRC，硬度值控制達(dá)到技術(shù)要求，硬度變化平均值僅為技術(shù)要求最大值的1/3，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.49，因此，硬度控制遠(yuǎn)高于技術(shù)要求?？傮w來說，沖擊和硬度性能能夠滿足生產(chǎn)供貨需要。

2.3 金相組織

圖2為冷軋前荒管縱截面基體組織，從圖2可以看出，該組織為典型的奧氏體組織，并且經(jīng)金相觀察無持續(xù)析出相，金屬間化合相、氮化物和碳化物總量也不超過1%，σ相也不超過0.5%，完全滿足技術(shù)要求。

圖2 荒管縱截面基體組織 500×

2.4 耐腐蝕性能

國內(nèi)某油田現(xiàn)場(chǎng)工況：地層溫度90～110℃、地層壓力49～65 MPa、井口流動(dòng)溫度40～61℃、井口流動(dòng)壓力 20～40 MPa、硫化氫含量 11%～17%、二氧化碳含量5.5%～15.6%、最大氯根含量0.1 mg/L、最小pH值3.0、井口關(guān)井壓力40 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)腐蝕環(huán)境非常惡劣，使用國外奧氏體合金油管3年來，一切運(yùn)行正常，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。

3 奧氏體合金油管制造缺陷及分析

3.1 力學(xué)性能不合格

在奧氏體合金油管制造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)力學(xué)性能不合格，尤其是屈服強(qiáng)度難以保證?？梢酝ㄟ^控制奧氏體合金油管的冷軋變形量來保證其力學(xué)性能，當(dāng)冷軋變形量不足時(shí)，特別是對(duì)于110鋼級(jí)接箍產(chǎn)品，極易導(dǎo)致屈服強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的情況。實(shí)踐證明，生產(chǎn)110鋼級(jí)奧氏體合金油管時(shí)，冷加工變形量應(yīng)該以30%～35%為宜[7]，在此范圍內(nèi)能生產(chǎn)出力學(xué)性能優(yōu)良的奧氏體合金油管。

3.2 螺紋加工粘刀

與普通鋼材相比，奧氏體合金油管具有較高的硬度和優(yōu)良的韌性。在切削加工時(shí)，奧氏體合金油管切削力為普通鋼管的2.5～4.0倍，并且切削溫度很高，會(huì)造成刀具嚴(yán)重磨損。奧氏體合金油管的現(xiàn)場(chǎng)使用對(duì)螺紋扣型的氣密性要求很高，因此一般工廠通過采用氣密性特殊扣來保證螺紋連接質(zhì)量。在實(shí)際螺紋加工時(shí)，經(jīng)常容易出現(xiàn)粘刀缺陷，特別是接箍內(nèi)螺紋更不易加工。某接箍粘刀缺陷如圖3所示。

圖3 嚴(yán)重粘刀缺陷的接箍

由圖3可看出，粘刀缺陷一般出現(xiàn)在整個(gè)螺紋牙側(cè)面，將對(duì)螺紋連接氣密性造成嚴(yán)重影響。因此，奧氏體合金油管的螺紋加工刀具及切削工藝的選擇尤為重要。實(shí)踐證明，奧氏體合金油管加工宜選用TiAlN涂層高溫合金刀具，該刀具對(duì)奧氏體合金油管螺紋的車削最為有效[8]，切削速度優(yōu)選 90～140 m/min， 切削深度 0.03～0.1 mm[9]。

3.3 外觀質(zhì)量缺陷

冷軋后光管外觀檢查時(shí)，容易在內(nèi)、外表面出現(xiàn)折疊、裂紋等表面缺陷，嚴(yán)重影響成品管的抗腐蝕性能。圖4為光管內(nèi)外表面缺陷照片，由圖4可看出，該類缺陷主要表現(xiàn)為沿管子長度方向上延伸，經(jīng)過對(duì)該類缺陷進(jìn)行滲透檢測(cè)、金相組織分析可以得知，該類缺陷一般在冷軋過程形成，而非淬火形成，并且深度一般不超過0.5 mm，因此，如果該類缺陷出現(xiàn)面積大，要對(duì)光管進(jìn)行拋丸處理，如果僅是個(gè)別該缺陷，要進(jìn)行修磨，如果缺陷修磨造成壁厚超標(biāo)，應(yīng)該進(jìn)行切除或者判廢處理。

圖4 光管內(nèi)外表面缺陷照片

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)國外某110鋼級(jí)奧氏體合金油管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、耐腐蝕性4個(gè)方面的質(zhì)量控制進(jìn)行分析，得出該奧氏體合金油管的性能遠(yuǎn)高于ISO 13680標(biāo)準(zhǔn)的PSL1水平，并且已超過了PSL2水平[10]。

（2）從力學(xué)性能、螺紋加工粘刀、外觀質(zhì)量3個(gè)方面剖析了奧氏體合金油管的制造缺陷，并提出了相應(yīng)的處理和預(yù)防措施。

[1]肖國章，高霞，庫宏剛.高酸性氣田鎳基耐蝕合金油套管的生產(chǎn)工藝[J].鋼管，2014，43（5）：8-11.

[2]REBAK R B，CROOK P.Nickel alloys for corrosive environments[J].Advanced Materials&Processes，2000，157（2）：37-42.

[3]HERDA W R.Evolutionary development in Ni alloys and stainless steel metallurgy for meeting the industry’s corrosive challenges:the last 50 years[J].Stainless Steel，1999（2）：117-125.

[4]王成，巨少華，荀淑玲，等.奧氏體合金研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（2）：71-76.

[5]衛(wèi)棟，趙強(qiáng)，李昱坤，等.奧氏體合金油管加工工藝及質(zhì)量控制研究[J].熱加工工藝，2012，41（15）：221-223.

[6]常連華.主要合金元素對(duì)奧氏體合金組織和性能的影響[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2001，43（5）：319-320.

[7]蘇玉華.高酸性氣田用鎳基耐蝕合金G3油管的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2008.

[8]JINDAL P C，SANTHANAM A T，SCHLEINKOFER U，et al.Performance of PVD TiN，TiCN，and TiAlN coated cemented carbide tools in turning[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，1999(17)：163-170.

[9]楊軍，陳云，單星，等.奧氏體合金耐蝕井管可加工性評(píng)述[J].工具技術(shù)，2014，48（4）：11-13.

[10]ISO 3183—2007，石油和天然氣工業(yè)：管道運(yùn)輸系統(tǒng)用鋼管[S].

Quality Analysis of Foreign Steel Grade 110 Austenitic Alloy Oil Tube

WANG Donglin1， ZHU Guanghui2， WANG Yaoguang1， WANG Changan1， YANG Zhuanzhao1，YANG Hongbing1， YAN Kai1， LEI Lingyun1
（1.Key Laboratory of Oil Pipeline Project,CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.Sulige South Operation Company of Changqing Oilfield,Xi’an 710000,China）

In order to know the quality control situation of foreign certain steel grade 110 austenitic alloy tube,it contrasted production technologies of austenitic alloy oil tube at home and abroad.The quality performance of foreign austenitic oil tube were analyzed from several aspects,such as chemical composition,mechanical properties,metallographic structure,corrosion resistance and so on.The quality control situation was obtained.It is concluded that the performance of austenitic alloy oil tube is much higher than PSL1 level of ISO 13680 standard.It also analyzed the defects easily occurred in manufacturing course of austenitic oil alloy tube from mechanical properties,threading machining stick knife,appearance quality,and put forward corresponding treatment and preventive measures.

austenitic alloy tube;quality control;defect

TG161

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.013

王冬林（1985—），男，工程師，主要從事石油管材的質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)工作。

2016-03-03

李 超