田 偉，石曉霞，2，張海燕

（1.內(nèi)蒙古包鋼鋼管有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

隨著鉆井深度的增加以及我國對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度大的油氣田的進(jìn)一步開發(fā)，套管承受的外擠載荷和軸向載荷越來越高，開采過程中的伴生氣體H2S等對(duì)套管的腐蝕現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。近幾年來，國內(nèi)市場對(duì)高抗擠毀抗H2S腐蝕套管需求量日益增多，然而國內(nèi)能夠批量生產(chǎn)此類套管的廠家并不多?？箶D毀抗H2S腐蝕套管主要用于地層條件復(fù)雜、對(duì)套管性能要求苛刻的場合，因此，要求這種套管具有良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)異的抗擠毀能力及良好的耐蝕性能?？箶D毀性能要求套管有高的強(qiáng)度與韌性，而高的強(qiáng)度則容易引起套管高的抗H2S應(yīng)力腐蝕敏感性。在低碳CrMo鋼的基礎(chǔ)上，內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司（簡稱包鋼股份）對(duì)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕套管鋼種及生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過小批量試生產(chǎn)，抗擠毀抗H2S腐蝕性能表現(xiàn)優(yōu)異。

1 技術(shù)要求

影響抗擠毀強(qiáng)度的因素[1-2］有材料強(qiáng)度、壁厚均勻度、外徑橢圓度、外徑與壁厚之比以及管體殘余應(yīng)力等，套管鋼級(jí)越高屈服極限值越大，套管的抗擠能力就越高。降低管體壁厚不均度和橢圓度也將明顯提高管體的抗擠毀強(qiáng)度，管體殘余應(yīng)力越小，則管體抗擠毀強(qiáng)度越大。影響抗H2S腐蝕的材料因素[3-10］主要有組織、非金屬夾雜物、強(qiáng)度、硬度與殘余應(yīng)力，強(qiáng)度及硬度對(duì)套管抗擠毀性能發(fā)揮積極作用，而對(duì)套管抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生消極影響，二者呈現(xiàn)矛盾關(guān)系，可以通過鋼種設(shè)計(jì)、非金屬夾雜物及組織控制，在保證強(qiáng)度達(dá)到110 ksi的前提條件下，提高套管的韌性及抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能。通過壁厚不均度、外徑橢圓度、管體殘余應(yīng)力控制在不影響強(qiáng)度與硬度的前提條件下提高套管的抗擠毀性能。查閱資料顯示[11-13］，高溫回火馬氏體（回火索氏體），H2S應(yīng)力腐蝕敏感性相較于其他組織明顯降低，另外，均勻的回火索氏體組織有良好的綜合力學(xué)性能，調(diào)質(zhì)處理后的套管，回火索氏體占比越高，使用性能的穩(wěn)定性相應(yīng)提高。殘余應(yīng)力越高，則越不利于抗H2S應(yīng)力腐蝕，同時(shí)殘余應(yīng)力也不利于套管的抗擠毀性能。非金屬夾雜物不僅影響材料的力學(xué)性能，還影響抗硫化氫腐蝕套管的應(yīng)力腐蝕性能，硫化氫應(yīng)力腐蝕過程中，氫原子在硫離子、硫氫根離子的毒化作用下向鋼鐵材料基體內(nèi)部擴(kuò)散，聚集于非金屬夾雜等缺陷處，形成氫分子，產(chǎn)生了一定的內(nèi)應(yīng)力，外載應(yīng)力作用下斷裂失效。根據(jù)以上影響因素，結(jié)合API Spec 5CT第10版《油管與套管規(guī)范》對(duì)110 ksi鋼級(jí)油井管的要求，對(duì)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管提出技術(shù)要求，具體見表1～3。

表1 BT110TS套管尺寸及殘余應(yīng)力控制要求

表2 BT110TS套管力學(xué)性能、抗擠毀性能及SSC要求

表3 BT110TS套管非金屬夾雜物控制及組織要求

2 鋼種設(shè)計(jì)

鋼中含碳量增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性能降低，在BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管鋼種設(shè)計(jì)中，為保證強(qiáng)度與淬透性，碳含量不宜過低，但碳含量高韌性及延展性受影響，宜控制在0.26%左右。硅能提高鋼的淬透性，在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，一般控制在0.15%～0.35%。錳降低鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，另外鋼中加入適量錳能改善鋼的熱加工性能，且錳與硫形成熔點(diǎn)較高的MnS，可防止因FeS而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象。磷、硫作為有害元素，應(yīng)盡量控制，特別是硫含量，不利于耐H2S應(yīng)力腐蝕。鉻在調(diào)質(zhì)鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火、回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，鉻對(duì)耐蝕性有一定的正向作用。鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性。在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使鋼材在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力。釩一般有兩個(gè)作用，一是細(xì)化晶粒，二是調(diào)質(zhì)處理時(shí)可以提高回火溫度，從而提高鋼的韌性。鈮能細(xì)化晶粒、降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，低合金鋼中加鈮，可提高氫腐蝕能力。稀土有凈化鋼液、夾雜物變性及提高耐蝕性的作用。據(jù)此設(shè)計(jì)的BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕套管鋼種為26CrMoVNbRE，其化學(xué)成分見表4。

表4 BT110TS鋼種的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 工藝設(shè)計(jì)及控制

根據(jù)目前包鋼股份中低合金鋼冶煉連鑄、軋制及后續(xù)加工處理情況，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF鋼包精煉爐精煉→VD真空脫氣爐真空處理→圓坯連鑄→堆垛緩冷→環(huán)形加熱爐加熱→斜軋穿孔機(jī)穿孔→PQF三輥連軋管機(jī)軋制→定（減）徑→冷卻→鋸切→淬火→回火→熱矯直→冷床冷卻。具體工藝控制如下。

（1）高爐鐵水挑選低磷鐵水，將高爐鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫處理，使得鐵水中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.008%以下；

（2）將預(yù)處理之后的鐵水兌入頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，采用單渣煉鋼工藝冶煉，控制終渣堿度不大于3.0，出鋼過程中加入Cr、Mo合金進(jìn)行合金化，出鋼過程擋渣或扒渣；

（3）將鋼水轉(zhuǎn)入LF鋼包精煉爐進(jìn)行精練，精煉全程吹氬，加入釩鐵鈮鐵進(jìn)行微合金化，采樣，對(duì)鋼水成分進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行造渣脫硫及其他合金元素成分調(diào)整；

（4）LF鋼包精煉爐精煉結(jié)束將鋼水送入VD真空脫氣爐進(jìn)行真空處理，真空度≤0.10 kPa，深度抽真空時(shí)間≥15 min，抽真空之后采用壓入法加入稀土鐵合金；

（5）經(jīng)過VD真空脫氣爐真空處理后的鋼水靜置5～8 min，送入鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行圓坯連鑄，采用低拉速恒速控制，為保證鑄坯質(zhì)量，結(jié)晶器和末端電磁攪拌同時(shí)進(jìn)行，全程氮?dú)獗Ｗo(hù)澆注，控制鋼水過熱度ΔT≤30℃；

（6）鑄坯經(jīng)過矯直之后進(jìn)行火焰切割，圓管坯放入緩冷坑緩冷，緩冷時(shí)間不小于48 h；

（7）連鑄圓管坯運(yùn)送到環(huán)形加熱爐進(jìn)行加熱，環(huán)形加熱爐各段溫度的控制范圍見表5；

表5 BT110TS套管環(huán)形加熱爐溫度控制制度 ℃

（8）將加熱好的管坯進(jìn)行熱定心，采用斜軋穿孔機(jī)穿孔，利用PQF三輥連軋管機(jī)組進(jìn)行連續(xù)軋制，先后經(jīng)過張力減徑、冷床冷卻和定尺鋸切，制備成軋管；

（9）經(jīng)檢查幾何尺寸及表面質(zhì)量合格的鋼管進(jìn)行水淬調(diào)質(zhì)熱處理，熱處理制度為（890±10）℃，鋼管出爐進(jìn)行水淬到室溫（720±20）℃回火、空冷；

（10）熱處理后執(zhí)行高溫矯直，鋼管矯直時(shí)的溫度≥590℃。

4 試制結(jié)果及分析

采用設(shè)計(jì)鋼種及生產(chǎn)工藝對(duì)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕套管進(jìn)行試制，冶煉連鑄圓坯為Φ200 mm坯型，軋制規(guī)格為Φ139.7 mm×7.72 mm×1 150 mm，首次試制30支。隨機(jī)抽取1支樣管對(duì)其尺寸、力學(xué)性能、顯微組織、殘余應(yīng)力、抗擠毀性能及H2S應(yīng)力腐蝕性能進(jìn)行檢測，取樣位置及方法如圖1所示。

圖1 取樣位置及方法

4.1 尺寸控制檢測結(jié)果

分別對(duì)1、2及3號(hào)試樣不同位置外徑及壁厚進(jìn)行測量，測量工具采用游標(biāo)卡尺及測厚儀，管體幾何尺寸測量位置如圖2所示。

圖2 管體幾何尺寸測量位置示意

鋼管不圓度可以根據(jù)2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin）×100%公式計(jì)算，壁厚不均勻度可以根據(jù)2（tmax-tmin）/（tmax+tmin）×100%公式計(jì)算。其中，Dmax為實(shí)測鋼管同一橫截面外徑的最大值，Dmin為實(shí)測鋼管同一橫截面外徑的最小值，tmax為實(shí)測鋼管同一橫截面壁厚的最大值，tmin為實(shí)測鋼管同一橫截面壁厚的最小值。根據(jù)公式，計(jì)算的樣管不同位置不圓度及壁厚不均度見表6。

表6 BT110TS樣管不圓度及壁厚不均度 %

從表6可以看出，不同位置不圓度及壁厚不均度均滿足技術(shù)要求，樣管不圓度0.10%～0.44%，壁厚不均度在4.40%～10.75%，套管壁厚不均度及不圓度控制良好。

4.2 力學(xué)性能及顯微組織

對(duì)1、2、3號(hào)試樣進(jìn)行力學(xué)性能及顯微組織檢測，檢測結(jié)果見表7。沖擊完成的試樣沿橫向進(jìn)行拋磨及腐蝕，采用蔡司顯微鏡對(duì)組織原始奧氏體晶粒進(jìn)行觀察，顯微組織如圖3所示，原始奧氏體晶粒照片如圖4所示。

表7 BT110TS樣管力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖3 BT110TS樣管顯微組織

圖4 BT110TS樣管原始奧氏體晶粒度

從表7力學(xué)性能檢測結(jié)果可以看出，屈服強(qiáng)度在790 MPa左右，處于技術(shù)要求758～828 MPa中限，抗拉強(qiáng)度超過技術(shù)要求60 MPa，伸長率在22.5%以上，超出技術(shù)要求40%以上，3/4尺寸的0℃沖擊功約為81 J，換算成全尺寸沖擊值約100 J，超出技術(shù)要求25%以上，硬度檢測值為25～27 HRC，滿足不大于30 HRC的技術(shù)要求。從圖3看出，BT110TS調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體，碳化物均勻分布在鐵素體基體上。從圖4晶粒度照片可以看出，原始奧氏體晶粒細(xì)小均勻，晶粒度10級(jí)以上。

4.3 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

使用開槽法測量殘余應(yīng)力，其計(jì)算公式為：

式中σ殘——管體表面殘余應(yīng)力，MPa；

E——彈性模量，取206.9×109Pa；

S平——平均壁厚，mm；

D前——開縫前的鋼管外徑平均值，mm；

D后——開縫后的鋼管外徑平均值，mm；

ν——泊松比，取0.3。

從表8可以看出，殘余應(yīng)力非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于技術(shù)要求50 MPa以下。

表8 BT110TS套管殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.4 抗擠毀性能測試結(jié)果

對(duì)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管抗擠毀性能進(jìn)行檢測，抗擠毀性能表征為外壓至失效壓潰值。試驗(yàn)設(shè)備采用SW LPTS-200水壓增壓系統(tǒng)，外壓至失效的壓潰值檢測結(jié)果顯示抗壓潰值78.6 MPa以上，高于技術(shù)要求51.6 MPa 52%以上。

4.5 抗H2S腐蝕檢測結(jié)果

采用NACE 0177—2005《金屬H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂及應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》A法光滑拉伸試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件見表9。在A溶液（5%NaCl+0.5CH3COOH蒸餾水混合溶液中通入H2S氣體）中浸泡720 h，試樣未斷裂，且試樣表面無裂紋，腐蝕后的試樣形貌如圖5所示。

圖5 H2S應(yīng)力腐蝕后的試樣形貌

表9 BT110TS樣管SSC試驗(yàn)條件

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管技術(shù)要求，結(jié)合化學(xué)元素在鋼中的作用，設(shè)計(jì)的鋼種為26CrMoVNbRE；

（2）根據(jù)包鋼股份生產(chǎn)圓坯及無縫管現(xiàn)有設(shè)備及生產(chǎn)低合金CrMo油套管工藝，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管的生產(chǎn)工藝為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→圓坯連鑄→堆垛緩冷→環(huán)形爐加熱→斜軋穿孔→PQF連軋→定（減）徑→冷卻→鋸切→淬火→回火→熱矯直→冷床冷卻；

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)好的鋼種及生產(chǎn)工藝，試制了BT110TS抗擠毀抗H2S腐蝕專用套管，其不圓度0.10%～0.44%，壁厚不均度4.40%～10.75%，殘余應(yīng)力控制在10 MPa左右，力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高韌性技術(shù)要求，抗擠毀檢測值高于技術(shù)要求52%以上，通過NACE 0177—2005標(biāo)準(zhǔn)A法80%YSminH2S應(yīng)力腐蝕門檻要求。