高钢级石油套管热处理性能均匀性研究

刘兴春，陈勇，张尧，秦桂伟

（1.北京科技大学，北京100083；2.鞍钢股份有限公司无缝钢管厂，辽宁鞍山114021）

高钢级石油套管热处理性能均匀性研究

刘兴春1，2，陈勇2，张尧2，秦桂伟2

（1.北京科技大学，北京100083；2.鞍钢股份有限公司无缝钢管厂，辽宁鞍山114021）

针对无缝钢管热处理后性能不均现象进行了分析。现场跟踪观察与检验结果表明，通过采取控制热处理炉炉温均匀性及水淬均匀性等措施，可改善同一支管性能的均匀性，使石油套管的性能处于均匀可控状态。

石油套管；性能均匀性；炉温控制

国内石油开采行业已呈现“更深、更强”的趋势，行业发展趋势对石油套管的性能提出了更高的要求，同一支管纵向、周向及不同热处理批次之间的均匀性决定着钢管最终的强度。石油套管的热处理大多采用连续自动的方式，热处理后产品性能检验采用抽检，而抽检是沿管体圆周或纵向某一位置进行，产品性能不可能100%得到验证，因此严格控制热处理生产过程的各个相关因素是保证钢管性能稳定可靠的关键。

高钢级石油套管热处理性能均匀性评价包括同一支管纵向、周向及不同热处理批次之间的均匀性情况。性能不均不仅会增加石油套管的使用风险性，而且影响石油套管的使用寿命，甚至造成套管滑脱油井报废，损失巨大［1］。为了对石油套管性能均匀性进行精细控制，鞍钢股份有限公司无缝钢管厂在产品性能和几何尺寸完全满足标准的条件下，对石油套管热处理后性能均匀性情况进行了研究，以保证产品性能稳定，使用不出现问题。

1　试验条件及方法

1.1试验材料

试验材料取自鞍钢股份有限公司无缝钢管厂管加工二作业区调质样管，钢号N80Q，规格为139.7 mm×7.72 mm。

1.2试验方法

在合格的钢管上取样，样管长度为10 m，每间隔1 m取一个样，总计取10个试样，然后经锯床及磨床加工成拉伸试样，在拉伸机上做拉伸检验。

2　检验结果及分析

2.1纵向均匀性检验

沿钢管头部至尾部纵向划一直线，按相等距离取10个点，在每个点取样并在拉伸机上做拉伸试验，纵向取样示意图见图1，纵向力学性能检验结果见图2。

从图2看出，纵向抗拉强度波动范围756～812 MPa，最大值与最小值偏差为56 MPa；纵向屈服强度波动范围633～729 MPa，最大值与最小值偏差为96 MPa，波动较大；纵向延伸率为20.5%～29.0%，最大值与最小值偏差为8.5%。整体上看，头部的屈服强度、抗拉强度处在波动范围的上限，尾部的则处在波动范围的下限，钢管的中部性能较均匀，而延伸率则正好相反。

2.2周向稳定性检验

按照2.1取样的方式将钢管周向旋转90°沿相同位置等距离取条状试样，在拉伸机上做拉伸试验，取样示意图见图3，力学性能检验结果见图4。

从图4可以看出，周向抗拉强度波动范围为780～812 MPa，最大值与最小值偏差为32 MPa；周向屈服强度波动范围为667～724 MPa，最大值与最小值偏差为57 MPa，波动较大；周向延伸率为18%～30%，最大值与最小值偏差为12%，同一支钢管在周向上存在较大的性能不均。

3　提高管材性能稳定性的措施

从前期检验结果看，同一支钢管的性能无论从纵向还是周向看，都存在较大的不一致性，钢管中部区域性能偏差较小，钢管头尾两端区域性能偏差较大。

石油套管性能均匀性主要受热处理炉加热温度均匀性及水淬均匀性影响，而热处理炉加热均匀性控制与操作水平、设备运行状态及煤气压力的稳定性等因素有关［2］，水淬的均匀性与喷嘴对中性，内喷、外淋的均匀性等因素有关。为保证炉温和水淬的均匀性，采取了以下措施：

（1）调整空气和煤气配比，使每个烧嘴的燃烧一致，保证同一加热段内温度均匀。

（2）调整煤气压力，使其保持在15 kPa以上，减少炉温的波动。

（3）控制炉压，保持炉内正压，避免炉门处炉温比炉内温度低。

（4）对外淋水管的角度进行校正，使外淋喷射水流均匀，呈直线形垂直喷射到钢管的外表面，减小不均匀冷却。

（5）对水淬托辊中心线进行调整，保证中心线相差1 mm以内。调整喷嘴安装位置，使喷嘴中心线与水淬钢管的中心线相差小于2 mm。

（6）调整水淬压辊至同步，防止水淬时钢管轴向串动，造成内喷冷却不均匀。

采取以上措施后，对139.7 mm×7.72 mm N80Q钢管性能均匀性改进后情况进行验证。

4　效果验证

4.1纵向均匀性检验

按照2.1取样方法及图1标注位置，对提高稳定性后的样管取样，然后在拉伸机上做拉伸试验，力学性能检验结果见图5。

由图5可看出，抗拉强度范围为775～795 MPa,抗拉强度最小值比标准要求富余86 MPa，且纵向差值为20 MPa，差值波动值较采取措施前小32 MPa；屈服强度范围为665～695 MPa，屈服强度最小值比标准要求富余113 MPa，纵向差值为30 MPa，差值波动值较采取措施前小66 MPa；纵向延伸率为14%～23%，最大值与最小值偏差为8%。同支管纵向性能差值波动较小。

4.2周向性能检验

在同一试样上沿圆周方向旋转90°取样，按图3标注位置取样并在拉伸机上做拉伸试验，力学性能检验结果见图6。

从图6可看出，周向抗拉强度为760～785 MPa，最小值比标准要求富余71 MPa，差值为25 MPa，较采取措施前周向抗拉强度最大值与最小值偏差小7 MPa；屈服强度范围为655～685 MPa，最小值比标准富余103 MPa，周向差值为30 MPa，较采取措施前周向屈服强度最大值与最小值偏差小27 MPa；周向延伸率为18%～23%，最大值与最小值偏差为5%，同支管周向性能差值波动较小。

5　结论

（1）鞍钢股份有限公司无缝钢管厂在产品性能和几何尺寸满足标准的条件下，对石油套管热处理后性能均匀性情况进行了试验研究，结果表明，同一支钢管在纵向及周向存在性能不均。

（2）通过对热处理炉炉温均匀性控制及水淬系统均匀性控制，可使同一支石油套管的性能均匀性控制在较为稳定的状态，从而提高其使用寿命。

（3）钢管性能稳定性提高后减少了产品质量异议，产生了良好的经济效益。下一步将对产品成分进行分析研究，以将石油套管性能均匀性控制在最佳状态。

［1］杨满.热处理使用技术问答［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］宋维锡.金属学与热处理［M］.北京：冶金工业出版社，1987.

（编辑 袁晓青）

Study on Homogeneity of Properties of High Grade Oil Casings after Heat Treatment

Liu Xingchun1，2，Chen Yong2，Zhang Yao2，Qin Guiwei2
（1.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.Seamless Steel Pipe Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China）

The phenomenon of heterogeneous properties of high grade oil casings after heat treatment is analyzed.According to the results of on-site tracking and observing and subsequent testing,it is concluded that the homogeneity of properties of the same pipe can be improved which means that the properties of oil casings can be controlled uniformly by adopting such measures as controlling the uniformity of the temperature in a heat treatment furnace and the water-quenched homogeneity.

oil casing;homogeneity of property;control of temperature in furnace

TG115

A

1006-4613（2015）03-0022-04

刘兴春，工程师，1998年毕业于鞍山钢铁学院金属压力加工专业。

E-mail：15841241116@139.com

2014-08-14