王 軍，李 超

（1.關(guān)天工程研究院，陜西 寶雞 721000；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展，深井、高溫井、 高壓井、 非常規(guī)井、 富含 CO2、 H2S 及Cl-等腐蝕介質(zhì)的油氣井愈來愈多，常規(guī)的油套管材料已經(jīng)無法滿足大多數(shù)油田的使用要求[1-2]。近年來，13Cr 油管以其高強(qiáng)度、 低溫韌性及耐蝕性能良好的特點(diǎn)在油氣田開采過程中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。 殘余應(yīng)力是影響油管性能的重要指標(biāo)之一[5-7]。 當(dāng)管體內(nèi)的殘余應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度時會引起油管變形，超過抗拉強(qiáng)度時會導(dǎo)致油管開裂，而且殘余應(yīng)力與油管所受外力疊加，不僅降低了油管的承載能力和疲勞性能，還加速了油管在H2S 等腐蝕介質(zhì)中的失效速率[8-10]。

目前，13Cr 油管設(shè)計(jì)中很少考慮殘余應(yīng)力的影響，還未有13Cr 油管殘余應(yīng)力方面的研究報(bào)道。 殘余應(yīng)力測量方法也主要采用環(huán)切法，其他方法研究較少[11-16]。 如李霄[17]對焊管殘余應(yīng)力的研究方法、 研究成果進(jìn)行了綜述，得出由成型及焊接過程造成的殘余應(yīng)力降低了焊管的承壓能力，易造成焊管的耐腐蝕能力降低，使焊管產(chǎn)生疲勞破壞； 童星[18]從304 不銹鋼鋼管表面殘余應(yīng)力測定、 消除殘余應(yīng)力熱處理、 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、 金相分析和力學(xué)性能測試幾個方面入手，確定了消除鋼管表面殘余拉應(yīng)力的熱處理工藝，從而提高不銹鋼薄壁管抗應(yīng)力腐蝕能力。 本研究采用環(huán)切法和盲孔法對13Cr 油管的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，旨在為油氣田生產(chǎn)中13Cr 油管的使用提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為13Cr 油管，其規(guī)格為Φ88.9 mm×6.45 mm 和 Φ114.3 mm×12.7 mm，測試位置及管段編號見表1。

表1 試驗(yàn)用13Cr 油管測試位置及管段編號

先對試驗(yàn)材料的拉伸性能進(jìn)行測試，然后采用環(huán)切法和盲孔法測量殘余應(yīng)力，具體方法如下：

（1） 拉伸性能測試

參照API SPEC 5CT—2018[19]的要求加工拉伸試樣，試樣標(biāo)矩為50.8 mm。 采用拉力試驗(yàn)機(jī)測試試樣的屈服強(qiáng)度Rp0.2、 抗拉強(qiáng)度Rm、 伸長率A和彈性模量 E，拉伸試驗(yàn)方法參照 ASTM A370—19e1 進(jìn)行[20]。

（2） 環(huán)切法測試

參照GB/T 20657—2011[21]進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。環(huán)切法原理及試驗(yàn)方法為： 管段有周向殘余應(yīng)力存在時，沿軸向采用線切割切縫后管段會張開（負(fù)的殘余應(yīng)力） 或閉合 （正的殘余應(yīng)力），用周長尺測量管段切縫前后的周長，計(jì)算出平均外徑，并代入公式 （1） 計(jì)算殘余應(yīng)力。

式中： E——彈性模量，N/m2；

tc——平均壁厚，mm；

Dbc、 Dac——切割前后試樣平均外徑，mm；

υ——泊松比。

（3） 盲孔法測試

盲孔法原理及試驗(yàn)方法為： 假設(shè)油管某一區(qū)域存在殘余應(yīng)力，在該區(qū)域表面粘貼應(yīng)變花，并用盲孔法測試儀裝置在應(yīng)變花中心鉆孔，引起鉆孔區(qū)域應(yīng)力釋放，根據(jù)應(yīng)變花測量的釋放應(yīng)變計(jì)算殘余應(yīng)力。 盲孔法測試方法參照GB/T 31310—2014[22]，采用方法 B 和 B 型應(yīng)變花，并進(jìn)行常數(shù)A、 B 標(biāo)定，計(jì)算見公式 （2） ～公式 （7）。 經(jīng)標(biāo)定后的常數(shù) A、 B 分別為-0.069 52 和-0.157 12。

管段有周向殘余應(yīng)力存在時，沿軸向切縫后管段會張開或閉合，通過測量、 計(jì)算管段切縫前后平均外徑，并代入計(jì)算公式即可算出該殘余應(yīng)力。 將13Cr 油管測量位置分為 4 部分，如圖1所示。 13Cr 油管按8 等分進(jìn)行外徑和壁厚測量，外徑和壁厚測量過程如圖2 所示。 考慮到油管周向性能的差異，環(huán)切和鉆孔測試均位于A 線，鉆孔測試點(diǎn)為圖2 中的實(shí)心點(diǎn)。 環(huán)切采用軸向線切縫方式，鉆孔采用盲孔法，使用殘余應(yīng)力測試儀檢測，鉆頭直徑為1.5 mm，鉆孔深度為2 mm。

圖1 油管測量位置示意圖

圖2 油管幾何尺寸測量過程示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 拉伸試驗(yàn)

13Cr 油管拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。 由表2 可見，2#油管與1#油管相比，屈服強(qiáng)度高2.7%，伸長率高23.8%，彈性模量低3.5%； 1#油管與3#油管相比，屈服強(qiáng)度高 49 MPa，抗拉強(qiáng)度高25 MPa，伸長率低28%。

表2 13Cr 油管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 環(huán)切法測試

環(huán)切法殘余應(yīng)力測量結(jié)果見表3 和圖3。 由表3 可見，1#油管1/4 和1/2 處的殘余應(yīng)力約占材料屈服強(qiáng)度的23%，工廠端殘余應(yīng)力較1/4 和1/2 處低 80 MPa 左右； 2#油管各處殘余應(yīng)力基本一致，約占材料屈服強(qiáng)度的24%； 3#油管各處殘余應(yīng)力基本一致，約占材料屈服強(qiáng)度的10%。 由圖3 可見，1#油管不同測試位置殘余應(yīng)力差異很大，1/4 處較工廠端高71%，2#和3#油管各位置殘余應(yīng)力相近。

表3 環(huán)切法殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖3 不同位置環(huán)切法殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2.1.3 盲孔法測試

盲孔法殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表4 和圖4。 由表4 可以看出，13Cr 油管不同部位軸向殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，周向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力。1#油管工廠端軸向拉應(yīng)力較1/4 處高19 MPa，較1/2 處高53 MPa； 2#油管1/4 處軸向拉應(yīng)力約占材料屈服強(qiáng)度25%，較工廠端高102 MPa，較1/2 處高 120 MPa； 3#油管 1/2 處軸向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，工廠端和1/4 處為拉應(yīng)力，且應(yīng)力值大小低于 70 MPa。 圖4 （a） 中 3 根 13Cr 油管不同位置軸向殘余應(yīng)力差異均較大，2#油管最大、3#油管最小； 圖4 （b） 中 1#油管不同位置周向殘余應(yīng)力差異較大，2#和3#油管不同位置殘余應(yīng)力差異較小，試驗(yàn)結(jié)果與環(huán)切法一致。

表4 盲孔法殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖4 不同位置盲孔法殘余應(yīng)力測試結(jié)果

2.1.4 環(huán)切法與盲孔法測試結(jié)果對比

環(huán)切法與盲孔法周向平均殘余應(yīng)力對比結(jié)果如圖5 所示。 由圖5 可以看出，環(huán)切法和盲孔法檢測的周向殘余應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。

圖5 環(huán)切法與盲孔法周向殘余應(yīng)力對比

2.2 分析討論

2.2.1 環(huán)切法殘余應(yīng)力測試結(jié)果分析

（1） 不同規(guī)格 13Cr 油管

1#油管殘余應(yīng)力平均值較3#油管高90 MPa（107%），最大值高出 116 MPa （132%）。 環(huán)切法測得1#和3#油管周向平均拉應(yīng)力分別占材料屈服強(qiáng)度的20%和10%，因此Φ88.9 mm×6.45 mm油管殘余應(yīng)力比 Φ114.3 mm×12.7 mm 的高，對13Cr 油管性能影響更大。 3#油管殘余應(yīng)力較低的原因是厚壁管采用的熱處理工藝、 矯直工藝等與薄壁管不同，一般厚壁管所需回火溫度和矯直溫度更高、 回火保溫時間更長。 3#油管強(qiáng)度較低，也是其殘余應(yīng)力較低的原因之一。

（2） 新舊 13Cr 油管

由以上分析可知，13Cr 油管儲存過程中殘余應(yīng)力逐步釋放，3 年后平均殘余應(yīng)力降低約19%，且端部殘余應(yīng)力釋放更快，降低約45%。在回火熱處理之前，由于軋制、 定減徑和淬火過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可通過回火加以減輕或消除，而矯直工序是鋼管產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要來源。 油管在矯直過程中受到環(huán)向壓縮作用，因此殘留的應(yīng)力為拉應(yīng)力，這也是環(huán)切后殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力的主要原因。 油管在內(nèi)壓作用下，與周向殘余應(yīng)力疊加，不僅降低了油管承載能力，而且當(dāng)有H2S 等腐蝕介質(zhì)時，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的傾向顯著增大。

2.2.2 盲孔法殘余應(yīng)力測試結(jié)果分析

（1） 不同規(guī)格 13Cr 油管

1#油管軸向最大拉應(yīng)力、 周向最大拉應(yīng)力和平均殘余應(yīng)力分別較3#油管高出 38 MPa、68 MPa、 41MPa，說明 Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr油管殘余應(yīng)力較Φ114.3 mm×12.7 mm 油管高，對性能影響更大。

（2） 新舊 13Cr 油管

2#油管軸向最大拉應(yīng)力、 平均殘余應(yīng)力和周向最大拉應(yīng)力分別較 1#油管高出 111 MPa、61MPa 和 73MPa，說明儲存過后 13Cr 油管的殘余應(yīng)力降低，與環(huán)切法測試結(jié)果相同。

本次盲孔法測得的周向殘余應(yīng)力與環(huán)切法差值在23%以內(nèi)，表明盲孔法測得的殘余應(yīng)力具有較高的可靠性，因此推斷盲孔法測得的軸向殘余應(yīng)力較為準(zhǔn)確。 盲孔法測得1#油管最大軸向拉伸應(yīng)力為105 MPa，是材料屈服強(qiáng)度的12%，即13Cr 油管實(shí)際承載能力降低了約12%； 2#油管最大軸向拉伸應(yīng)力為216 MPa，是材料屈服強(qiáng)度24%，即 13Cr 油管實(shí)際承載能力降低了約24%； 3#油管最大軸向拉伸應(yīng)力為 67 MPa，占材料屈服強(qiáng)度8%，油管實(shí)際承載能力降低了約8%。 13Cr 油管柱承受的拉應(yīng)力與軸向殘余拉應(yīng)力疊加，與前述類似，不僅使13Cr 油管軸向承載力下降，而且還增大了13Cr 油管的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

綜上所述，環(huán)切法可以宏觀反映油管環(huán)向殘余應(yīng)力，影響因素少，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但卻無法反映軸向殘余應(yīng)力大小，盲孔法彌補(bǔ)了環(huán)切法這一缺點(diǎn)，但因盲孔法影響因素多，實(shí)際操作復(fù)雜，結(jié)果再現(xiàn)性較差，因此建議作為殘余應(yīng)力輔助測試手段。

3 結(jié) 論

（1） 新生產(chǎn)的 Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr 油管周向平均殘余應(yīng)力超過200 MPa，軸向平均殘余應(yīng)力超過140 MPa，一方面降低了油管的承載能力，另一方面增大了應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

（2） Φ88.9 mm×6.45 mm 13Cr 油管殘余應(yīng)力較 Φ114.3 mm×12.7 mm 高出 105%以上，隨著儲存時間的推移，平均殘余應(yīng)力降低，端部殘余應(yīng)力釋放更快。

（3） 盲孔法與環(huán)切法殘余應(yīng)力測試結(jié)果具有較好的相關(guān)性，可用于油管軸向殘余應(yīng)力的測試。