趙存耀，劉耀恒

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海201900）

石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程的進(jìn)行和完井后整個油井的正常運行。傳統(tǒng)的石油套管通常采用管端螺紋形式兩兩連接下井，其密封性通常依靠內(nèi)外螺紋金屬-金屬密封保證，一方面套管發(fā)生變形或螺紋損傷時，連接處易發(fā)生泄漏，另一方面經(jīng)長期服役后，金屬-金屬的密封結(jié)構(gòu)由于應(yīng)力松弛等原因也會有泄漏風(fēng)險。而管材對焊連接形式則能有效地克服以上問題，確保管柱長期使用中的氣密封性［1-6］。

鋼管采用焊接形式對接并非新事物，同為石油天然氣工業(yè)用管的油氣管線通常就采用焊接形式連接，而在套管上應(yīng)用焊接連接形式一方面需要解決下井效率問題，另一方面套管在下井及服役過程中需要經(jīng)受拉、壓、彎、扭等復(fù)雜應(yīng)力的綜合作用，對套管本體及焊接接頭性能均提出了較高挑戰(zhàn)［7-9］。

對于套管焊接下井而言，若管材可焊性較差，焊接區(qū)域易出現(xiàn)冷裂紋，需要采用預(yù)熱、焊后熱處理等手段保證焊接質(zhì)量和焊接區(qū)域性能，會嚴(yán)重影響下井作業(yè)效率；另一方面，若焊接區(qū)域性能和母材差異較大，套管在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)用也是一種潛在風(fēng)險。為了針對性改善套管母材和焊接后接頭區(qū)域的性能，寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）以目前應(yīng)用較為廣泛的80鋼級套管作為目標(biāo)［10-11］開展了焊接下井型高強(qiáng)度套管的研究工作。

1 80鋼級套管標(biāo)準(zhǔn)要求

目前關(guān)于套管國際上最為通用的標(biāo)準(zhǔn)為API Spec 5CT—2018《套管和油管規(guī)范》，從其對80鋼級套管產(chǎn)品的規(guī)定可以看出正火態(tài)交貨的N80-1產(chǎn)品和N80Q產(chǎn)品的成分并沒有太多限制，性能范圍也相對較寬，具體見表1。

表1 N80-1、N80Q鋼級化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及性能要求

2 試驗方案

2.1 鋼種設(shè)計

基于常規(guī)N80套管的設(shè)計經(jīng)驗，正火態(tài)交貨產(chǎn)品采用C-Mn鋼輔以微合金化的鋼種設(shè)計，調(diào)質(zhì)態(tài)交貨產(chǎn)品采用中碳C-Mn鋼的鋼種設(shè)計，同時基于易焊接型結(jié)構(gòu)鋼鋼種的開發(fā)經(jīng)驗，設(shè)計了低碳的調(diào)質(zhì)交貨鋼種。所有試驗鋼種成分見表2，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中對N80級別的要求［12-15］。

表2 N80套管試驗鋼種成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 試驗工藝

試驗鋼種采用500 kg真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成錠后，將鑄錠鍛造成長圓坯，并進(jìn)行剝皮，最終圓坯尺寸為Φ178 mm，此后在Φ140 mm全浮動芯棒連軋管機(jī)組進(jìn)行軋管，軋制成Φ139.7 mm×12.7 mm規(guī)格管材，并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚韺⑿阅苷{(diào)整到N80鋼級標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間。試驗鋼管熱處理工藝見表3。

表3 N80試驗鋼管的熱處理工藝

2.3 性能檢驗

針對管材進(jìn)行的檢驗主要參考API Spec 5CT—2018進(jìn)行，屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)是將制成的無縫鋼管加工成API弧形試樣，按API標(biāo)準(zhǔn)檢驗后取平均數(shù)得出；全尺寸夏比V型沖擊吸收功數(shù)據(jù)是在制成的鋼管上取縱向V型沖擊試樣，V型缺口垂直于管子縱向，試樣截面積為10 mm×10 mm×55 mm，按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》檢驗后取平均數(shù)得出；金相組織是從樣管上取全壁厚試樣打磨拋光后，使用4%硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡下觀察得出。

2.4 焊接試驗

分析套管焊接下井工況可知，鋼管垂直對接，焊接位置為橫焊。在實際焊接過程中，由于熔池金屬在力的作用下（重力、表面張力等）有下垂傾向。在焊道上方易產(chǎn)生咬邊，在焊道下方易產(chǎn)生焊瘤，特別是采用多道焊時，容易造成焊瘤、夾渣、未焊透等缺陷。因此，現(xiàn)場打底焊采用單面焊雙面成形的鎢極氬弧焊（GTAW），這樣焊絲可以順利地送入坡口中，減少熱輸入，減小熔池體積，降低熔池液態(tài)金屬及熔渣下墜程度，可為后續(xù)的填充焊打好基礎(chǔ)。填充、蓋面焊采用焊條電弧焊（SMAW）的焊接工藝，以保證焊接接頭具有良好的性能。

實驗室焊接試驗主要目的為評價不同材質(zhì)、工藝套管的可焊性，因此相對現(xiàn)場工藝進(jìn)行了一定程度的簡化，試驗選用的焊接設(shè)備為Lincoln Invertec V350-Pipe；焊前堿性焊條要在350～400℃下烘干約2 h。對焊焊接均采用手工電弧焊，直流反接，立向下焊接方式，焊接工藝見表4。

表4 N80試驗鋼管對焊焊接工藝

為模擬現(xiàn)場焊接過程要求，焊前不進(jìn)行預(yù)熱，焊后也不進(jìn)行熱處理，管子坡口后對焊，采用的焊接坡口設(shè)計及焊接道次如圖1所示。

圖1 焊接坡口設(shè)計及焊接道次

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同鋼種、工藝設(shè)計對組織性能影響分析

3個試驗鋼管的力學(xué)性能見表5，金相組織如圖2所示。3個試驗鋼管的性能均完全滿足標(biāo)準(zhǔn)對N80級別的要求，N1鋼的屈強(qiáng)比和沖擊功顯著低于N2、N3，這是由于其交貨狀態(tài)為正火態(tài)，微觀組織與調(diào)質(zhì)態(tài)交貨的N2、N3鋼差異較大所致。

圖2 N80試驗鋼管金相組織

表5 N80試驗鋼管的力學(xué)性能

可見，N1鋼為典型的F+P組織，N2鋼為回火索氏體組織，N3則為貝氏體+少量的馬氏體、鐵素體等的混合組織，N2、N3晶粒遠(yuǎn)細(xì)于N1。

3.2 焊接性評價分析

由于焊接下井套管現(xiàn)場施工條件有限，且對下井效率要求較高，因此對管材的可焊性提出了較高要求，通常要求不進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。因此首先從成分角度對三種鋼進(jìn)行了篩選，按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量Ceq以及焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm計算公式進(jìn)行計算［16］，結(jié)果見表6。

表6 N80試驗鋼管碳當(dāng)量及焊接冷裂紋敏感指數(shù)%

從數(shù)據(jù)可以看出，N1鋼的碳當(dāng)量及裂紋敏感系數(shù)明顯高于其他鋼種，這是因為F+P型組織主要依靠合金元素的固溶強(qiáng)化和碳化物的析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度，需要添加更多的合金元素所致。N2鋼則屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，通過淬火+回火的調(diào)質(zhì)處理來得到更為細(xì)化的晶粒和組織，合金添加量相比N1鋼有一定降低。N3鋼則為低碳貝氏體型調(diào)質(zhì)鋼，添加了V、Mo等元素后，利用其析出強(qiáng)化效果進(jìn)一步提升強(qiáng)度，故大幅降低了碳當(dāng)量水平［17］。

參考API Standard 1104—2013《管線及相關(guān)設(shè)施焊接規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，對3種試驗鋼管進(jìn)行焊接性評價試驗，焊接材料及工藝見表4，焊后對焊縫區(qū)域進(jìn)行手工超聲波檢測（UT）探傷，并按標(biāo)準(zhǔn)取樣進(jìn)行性能檢驗，結(jié)果見表7。

表7 N80試驗鋼管焊接試驗情況

從焊縫超聲波檢測探傷結(jié)果可以看出，N1鋼和N2鋼焊接后出現(xiàn)了冷裂紋，這是因為其合金元素尤其是C含量較高，焊接區(qū)域冷卻時產(chǎn)生較大應(yīng)力所致。此外N2鋼拉伸試驗斷裂位置在熱影響區(qū)，且其抗拉強(qiáng)度已低于標(biāo)準(zhǔn)中N80鋼級的要求，這是因為N2鋼組織為回火馬氏體，在焊接過程的高溫影響下，組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，加之其主要合金元素為C、Mn，相變后沒有足夠的強(qiáng)化效果，故熱影響區(qū)強(qiáng)度明顯下降。此外N1及N2鋼彎曲試驗均發(fā)現(xiàn)裂紋，未能通過檢驗。

從焊縫區(qū)域沖擊功看，N1鋼及N2鋼均無法滿足標(biāo)準(zhǔn)中對N80級別的沖擊性能要求，N3鋼則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。整體而言，N3鋼種焊接性明顯好于N1、N2鋼，根據(jù)該產(chǎn)品的使用工況要求，最終選用N3鋼進(jìn)行產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。

4 大生產(chǎn)及實物性能情況

結(jié)合以上試驗情況，實際生產(chǎn)采用150 t電爐煉鋼，生產(chǎn)了一批規(guī)格為Φ177.8 mm×9.19 mm的易焊接N80套管，其熱處理工藝為890～940℃淬火+水冷+600～700℃回火，其成分為0.07C-1.65Mn-適量Mo、Nb、V等，A、B、C爐的屈服強(qiáng)度依次為586～653，595～636，578～650 MPa。

批量生產(chǎn)的產(chǎn)品性能完全滿足N80鋼級套管的要求，過程控制能力良好。隨機(jī)選取大生產(chǎn)的鋼管兩段，參照文中的焊接工藝對焊后產(chǎn)品進(jìn)行靜水壓爆破試驗，加壓到失效，最大壓力為76.4 MPa（理論計算極限值為75 MPa），說明該產(chǎn)品管體及焊接接頭均具有良好的抗內(nèi)壓能力和密封性。

5 應(yīng)用情況

某儲氣庫用戶在前期建設(shè)階段發(fā)現(xiàn)完井管柱（螺紋連接）在運行一段時間后出現(xiàn)天然氣進(jìn)入套管環(huán)空的問題，說明螺紋連接經(jīng)過長期運行后，有應(yīng)力松弛導(dǎo)致密封失效的情況，因此決定選用焊接連接方式進(jìn)行套管完井作業(yè)。

下井套管選用寶鋼生產(chǎn)的Φ177.8 mm×9.19 mm易焊接N80套管，為提升焊接效率，現(xiàn)場采用先在地面完成套管兩兩對接焊后再起吊進(jìn)行焊接的方式進(jìn)行，焊接施工流程包括：起吊、對中、焊接（氬弧焊+電弧焊）、焊縫探傷（射線+超聲波）。

6 結(jié) 論

（1）套管對焊連接相比傳統(tǒng)的螺紋連接方式具有一定優(yōu)勢，但對管材可焊性要求較高，焊接接頭質(zhì)量決定了焊接后管柱的使用安全性。

（2）對于N80鋼級套管而言，其鋼種及生產(chǎn)工藝可以有多種選擇，本文重點針對不同鋼種及工藝生產(chǎn)的鋼管的可焊性進(jìn)行評價試驗，篩選出了焊接性最為良好的產(chǎn)品路徑，并成功實現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用。

（3）相比傳統(tǒng)的螺紋連接方式，套管對焊連接下井工藝尚屬新事物，后續(xù)需要對焊接接頭質(zhì)量如何保證、坡口形式設(shè)計、焊材及焊接工藝選配、焊接接頭在套管使用工況下的服役行為等進(jìn)行更深入地研究，建立更適用于該工藝的產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。