張華佳，梁明華，藺衛(wèi)平，李 娜，任繼承，莫子雄

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

在油田對(duì)石油管材的設(shè)計(jì)和使用中，溫度是一個(gè)比較重要的影響因素，材料的性能會(huì)隨著溫度的升高或降低發(fā)生改變。而近年隨著一些深井、超深井的不斷開(kāi)發(fā)，井下的作業(yè)溫度不斷升高，對(duì)油套管等管材的影響日益顯著。尤其是在對(duì)稠油的開(kāi)采中，井下的作業(yè)工具需要經(jīng)歷注氣、燜井、采油等一系列高溫高壓熱循環(huán)過(guò)程，這種過(guò)程很容易造成石油套管的失效，究其原因，即材料的力學(xué)性能在高溫下發(fā)生了變化，并在承受載荷的外因下，管體容易發(fā)生斷裂[1]。

金屬材料斷裂的原因，是因?yàn)橥饬ψ饔孟掳l(fā)生了塑性變形，變形到一定程度進(jìn)而斷裂，而塑性變形的的實(shí)質(zhì)是由于外力作用下，材料內(nèi)部形成的內(nèi)應(yīng)力使晶粒內(nèi)外產(chǎn)生滑移。對(duì)材料進(jìn)行拉伸測(cè)試，就是為了檢查其塑性的好壞。塑性的好壞則受到材料本身的組織、晶格類型、化學(xué)成分以及變形時(shí)的外部條件影響。在外部條件中，溫度也是一個(gè)重要的影響因素[2]。

本文根據(jù)高溫拉伸試驗(yàn)中節(jié)選的一些數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)幾種常用石油管管材的高溫拉伸性能進(jìn)行介紹和分析，并對(duì)相關(guān)現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行探尋，期望找到強(qiáng)度和韌性隨溫度變化的一些規(guī)律。文中數(shù)據(jù)較為豐富和準(zhǔn)確，涵蓋了不同鋼級(jí)不同溫度的強(qiáng)度數(shù)值，相對(duì)于以往文獻(xiàn)中單純的規(guī)律描述，本文更能對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)管材的應(yīng)用提供實(shí)際的幫助[3]。

1 2Cr2Mo1R 直縫埋弧焊鋼管材料不同溫度下的高溫拉伸性能

在對(duì)某12Cr2Mo1R直縫埋弧焊鋼管管材試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)后，得到了相關(guān)的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。試樣斷裂后的形貌如圖1所示，圖中由下至上為7根高溫拉伸斷裂后的試樣，試樣尺寸為直徑12.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣，長(zhǎng)度為300 mm，試樣的表面因?yàn)楦邷刈饔?，出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，顯示了和常溫不同的色澤。

表1 12Cr2Mo1R鋼管高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 高溫拉伸試樣斷后形貌

本實(shí)驗(yàn)是在由低到高不同溫度下，對(duì)加工好的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。首先將試樣的準(zhǔn)確尺寸測(cè)量好，然后裝夾在帶有高溫環(huán)境箱的拉伸試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)置好溫度參數(shù)后，等待高溫箱升至指定溫度，然后保溫15 min，將試樣按3 mm/min的速率拉至斷裂。最后根據(jù)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定的力值和前期測(cè)定的面積，計(jì)算其拉伸強(qiáng)度[4]。

圖2為選取的200、300、400、500 ℃下的拉伸曲線，可以直觀地看到，隨著溫度的升高，試樣的最大力下降，且拉伸曲線變短，到達(dá)最大力和最大力下降的速度變快，拉伸過(guò)程需要的時(shí)間變短。

圖2 高溫拉伸過(guò)程曲線圖

圖3為根據(jù)拉伸強(qiáng)度和溫度作出的曲線圖，從圖中可以看到，隨著溫度的升高，材料的抗拉和屈服強(qiáng)度都出現(xiàn)了明顯的下降。

圖3 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)

由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，450 ℃以內(nèi)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低都比較小，每個(gè)溫度間隔僅10 MPa左右，而由450 ℃到了500 ℃，強(qiáng)度降低了37 MPa，開(kāi)始了加速降低的過(guò)程。

斷后伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)如圖4所示，可以看到，450 ℃之前變化都不明顯，而在500 ℃時(shí)有了明顯增長(zhǎng)。

研究表明，材料在高溫下強(qiáng)度降低，原因主要有兩個(gè)方面，一是材料出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的晶粒，二是沿鐵素體境界會(huì)析出碳化物新相，沿晶界分布的碳化物越多，晶界更加弱化，材料也就更容易開(kāi)裂[5-6]。

圖4 斷后伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)

2 TP140V 套管材料不同取樣位置下高溫拉伸性能

在對(duì)某Ф244.5 mm×11.9 mm 140V 套管管體材料進(jìn)行的高溫拉伸試驗(yàn)中，在試樣初始加工時(shí)，選擇從0°縱向、90°縱向、180°縱向、270°縱向四個(gè)不同的位置進(jìn)行取樣，并對(duì)常溫拉伸和195 ℃拉伸下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，常溫下的抗拉和屈服強(qiáng)度明顯高于195 ℃，但不同取樣位置同一溫度下的試樣，高溫和常溫下的數(shù)據(jù)都比較接近，說(shuō)明高溫下材料的拉伸性能和取樣位置無(wú)關(guān)，導(dǎo)致其強(qiáng)度變化的影響因素為溫度。其室溫下組織為回火索氏體，溫度的升高使得材料組織和性能發(fā)生變化，進(jìn)而材料的強(qiáng)度發(fā)生下降[7]。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 P110套管材料不同批次的高溫拉伸性能

在對(duì)某Φ177.8 mm×10.4 mm P110套管試樣的高溫拉伸試驗(yàn)中，試樣取自相同規(guī)格不同批次的管體和接箍，分別為管體1#、管體2#、管體3#、接箍1#、接箍2#、接箍3#。其常溫下和高溫下的拉伸結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，接箍和管體高溫下的強(qiáng)度均出現(xiàn)了下降，其中，接箍的抗拉強(qiáng)度下降的不明顯，僅差10 MPa左右，屈服強(qiáng)度則比較明顯，相差50 MPa左右。P110套管材料常溫下為回火索氏體。而管體的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比較明顯，分別相差60 MPa和120 MPa左右，推測(cè)原因，接箍自身常溫下強(qiáng)度大于管體，而常溫強(qiáng)度越大，則高溫下強(qiáng)度降低越少，說(shuō)明同種材料強(qiáng)度越高，組織性能越好，高溫下組織變化越小，保持強(qiáng)度的能力越好[8]。

表3 140V 套管高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4 管體與焊接接頭的高溫性能比較

在對(duì)某HP295 油氣鋼瓶的高溫拉伸試驗(yàn)中，試樣取自臨近位置的管體和焊接接頭，分別200、400和600 ℃下的高溫試驗(yàn)，拉伸結(jié)果數(shù)據(jù)如見(jiàn)表4，可以看到，管體和焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均出現(xiàn)了明顯下降，200 ℃升溫至 400 ℃后抗拉強(qiáng)度均降低了約150 MPa，400 ℃升溫至 600 ℃后抗拉強(qiáng)度均降低了約350 MPa，管體的屈服強(qiáng)度也同樣出現(xiàn)了明顯的階梯下降趨勢(shì)。

值得注意的是，從斷后伸長(zhǎng)率來(lái)看，隨著溫度的升高，斷后伸長(zhǎng)率出現(xiàn)了明顯的升高，400 ℃下的伸長(zhǎng)率是200 ℃下伸長(zhǎng)率的140%，而600 ℃下的伸長(zhǎng)率是400 ℃下伸長(zhǎng)率的280%，并且在試驗(yàn)過(guò)程中，600 ℃下試樣已經(jīng)有紅熱現(xiàn)象，說(shuō)明溫度越高，材料軟化越嚴(yán)重。

表4 HP295鋼瓶試樣高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

5 幾種鋼級(jí)材料的高溫拉伸性能比較

表5為幾種不同鋼級(jí)材質(zhì)的試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)，表中涵蓋了不同溫度不同強(qiáng)度測(cè)試指標(biāo)下的高溫拉伸結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看到，材料的拉伸強(qiáng)度都有隨著溫度升高而下降的規(guī)律，即軟化現(xiàn)象。表中的相關(guān)數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)獲得，可為油田現(xiàn)場(chǎng)石油管材的應(yīng)用提供直接可靠的數(shù)據(jù)支撐，有比較重要的意義。表6中選取了若干不同鋼材的斷后伸長(zhǎng)率，和前文數(shù)據(jù)一起對(duì)比分析后看到，80S抗硫套管在450 ℃斷后伸長(zhǎng)率有了明顯的升高，Q125 Cr鋼在600 ℃斷后伸長(zhǎng)率明顯升高，HP295鋼瓶400 ℃時(shí)斷后伸長(zhǎng)率就有了較大提高，但大部分材料400 ℃以下變化不明顯，趨勢(shì)比較平穩(wěn)，差別不大。因此推測(cè)石油管材的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)隨著溫度升高而增長(zhǎng)，但溫度較低時(shí)候變化并不明顯，只是到達(dá)一定溫度后，引起了材料晶粒度的變化和碳化物的析出，強(qiáng)度下降速度才會(huì)較快增長(zhǎng)，根據(jù)本文數(shù)據(jù)，推測(cè)大部分材料的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)在400 ℃高溫以上顯著升高。

表5 不同鋼級(jí)高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 不同材質(zhì)的斷后伸長(zhǎng)率

6 結(jié)束語(yǔ)

1) 同種石油管材料高溫拉伸的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而降低。溫度越高，這種降低效應(yīng)越明顯。高鋼級(jí)材料隨溫度升高強(qiáng)度降低的速度要小于低鋼級(jí)材料。

2)由于溫度的升高會(huì)導(dǎo)致管材在高溫深井中的性能降低，建議在高溫深井的管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)中考慮材料的溫度效應(yīng)。