几种常用石油管材料的高温拉伸性能试验研究

张华佳，梁明华，蔺卫平，李 娜，任继承，莫子雄

(中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

0 引 言

在油田对石油管材的设计和使用中，温度是一个比较重要的影响因素，材料的性能会随着温度的升高或降低发生改变。而近年随着一些深井、超深井的不断开发，井下的作业温度不断升高，对油套管等管材的影响日益显著。尤其是在对稠油的开采中，井下的作业工具需要经历注气、焖井、采油等一系列高温高压热循环过程，这种过程很容易造成石油套管的失效，究其原因，即材料的力学性能在高温下发生了变化，并在承受载荷的外因下，管体容易发生断裂[1]。

金属材料断裂的原因，是因为外力作用下发生了塑性变形，变形到一定程度进而断裂，而塑性变形的的实质是由于外力作用下，材料内部形成的内应力使晶粒内外产生滑移。对材料进行拉伸测试，就是为了检查其塑性的好坏。塑性的好坏则受到材料本身的组织、晶格类型、化学成分以及变形时的外部条件影响。在外部条件中，温度也是一个重要的影响因素[2]。

本文根据高温拉伸试验中节选的一些数据，来对几种常用石油管管材的高温拉伸性能进行介绍和分析，并对相关现象和规律进行探寻，期望找到强度和韧性随温度变化的一些规律。文中数据较为丰富和准确，涵盖了不同钢级不同温度的强度数值，相对于以往文献中单纯的规律描述，本文更能对油田现场管材的应用提供实际的帮助[3]。

1 2Cr2Mo1R 直缝埋弧焊钢管材料不同温度下的高温拉伸性能

在对某12Cr2Mo1R直缝埋弧焊钢管管材试样进行高温拉伸试验后，得到了相关的数据，见表1。试样断裂后的形貌如图1所示，图中由下至上为7根高温拉伸断裂后的试样，试样尺寸为直径12.7 mm的标准圆棒试样，长度为300 mm，试样的表面因为高温作用，出现氧化现象，显示了和常温不同的色泽。

表1 12Cr2Mo1R钢管高温拉伸试验结果

图1 高温拉伸试样断后形貌

本实验是在由低到高不同温度下，对加工好的标准试样进行拉伸性能测试。首先将试样的准确尺寸测量好，然后装夹在带有高温环境箱的拉伸试验机上，设置好温度参数后，等待高温箱升至指定温度，然后保温15 min，将试样按3 mm/min的速率拉至断裂。最后根据试验机测定的力值和前期测定的面积，计算其拉伸强度[4]。

图2为选取的200、300、400、500 ℃下的拉伸曲线，可以直观地看到，随着温度的升高，试样的最大力下降，且拉伸曲线变短，到达最大力和最大力下降的速度变快，拉伸过程需要的时间变短。

图2 高温拉伸过程曲线图

图3为根据拉伸强度和温度作出的曲线图，从图中可以看到，随着温度的升高，材料的抗拉和屈服强度都出现了明显的下降。

图3 抗拉强度和屈服强度变化趋势

由试验结果可以看到，450 ℃以内，抗拉强度和屈服强度降低都比较小，每个温度间隔仅10 MPa左右，而由450 ℃到了500 ℃，强度降低了37 MPa，开始了加速降低的过程。

断后伸长率的变化趋势如图4所示，可以看到，450 ℃之前变化都不明显，而在500 ℃时有了明显增长。

研究表明，材料在高温下强度降低，原因主要有两个方面，一是材料出现了动态再结晶，形成了细小的晶粒，二是沿铁素体境界会析出碳化物新相，沿晶界分布的碳化物越多，晶界更加弱化，材料也就更容易开裂[5-6]。

图4 断后伸长率变化趋势

2 TP140V 套管材料不同取样位置下高温拉伸性能

在对某Ф244.5 mm×11.9 mm 140V 套管管体材料进行的高温拉伸试验中，在试样初始加工时，选择从0°纵向、90°纵向、180°纵向、270°纵向四个不同的位置进行取样，并对常温拉伸和195 ℃拉伸下的数据进行对比，结果见表2。由试验结果可以看到，常温下的抗拉和屈服强度明显高于195 ℃，但不同取样位置同一温度下的试样，高温和常温下的数据都比较接近，说明高温下材料的拉伸性能和取样位置无关，导致其强度变化的影响因素为温度。其室温下组织为回火索氏体，温度的升高使得材料组织和性能发生变化，进而材料的强度发生下降[7]。

表2 拉伸试验结果

3 P110套管材料不同批次的高温拉伸性能

在对某Φ177.8 mm×10.4 mm P110套管试样的高温拉伸试验中，试样取自相同规格不同批次的管体和接箍，分别为管体1#、管体2#、管体3#、接箍1#、接箍2#、接箍3#。其常温下和高温下的拉伸结果数据见表3。从表3可见，接箍和管体高温下的强度均出现了下降，其中，接箍的抗拉强度下降的不明显，仅差10 MPa左右，屈服强度则比较明显，相差50 MPa左右。P110套管材料常温下为回火索氏体。而管体的抗拉强度和屈服强度都比较明显，分别相差60 MPa和120 MPa左右，推测原因，接箍自身常温下强度大于管体，而常温强度越大，则高温下强度降低越少，说明同种材料强度越高，组织性能越好，高温下组织变化越小，保持强度的能力越好[8]。

表3 140V 套管高温拉伸试验结果

4 管体与焊接接头的高温性能比较

在对某HP295 油气钢瓶的高温拉伸试验中，试样取自临近位置的管体和焊接接头，分别200、400和600 ℃下的高温试验，拉伸结果数据如见表4，可以看到，管体和焊接接头的抗拉强度均出现了明显下降，200 ℃升温至 400 ℃后抗拉强度均降低了约150 MPa，400 ℃升温至 600 ℃后抗拉强度均降低了约350 MPa，管体的屈服强度也同样出现了明显的阶梯下降趋势。

值得注意的是，从断后伸长率来看，随着温度的升高，断后伸长率出现了明显的升高，400 ℃下的伸长率是200 ℃下伸长率的140%，而600 ℃下的伸长率是400 ℃下伸长率的280%，并且在试验过程中，600 ℃下试样已经有红热现象，说明温度越高，材料软化越严重。

表4 HP295钢瓶试样高温拉伸试验结果

5 几种钢级材料的高温拉伸性能比较

表5为几种不同钢级材质的试样进行高温拉伸试验后的数据，表中涵盖了不同温度不同强度测试指标下的高温拉伸结果。由表中数据可以看到，材料的拉伸强度都有随着温度升高而下降的规律，即软化现象。表中的相关数据均为试验获得，可为油田现场石油管材的应用提供直接可靠的数据支撑，有比较重要的意义。表6中选取了若干不同钢材的断后伸长率，和前文数据一起对比分析后看到，80S抗硫套管在450 ℃断后伸长率有了明显的升高，Q125 Cr钢在600 ℃断后伸长率明显升高，HP295钢瓶400 ℃时断后伸长率就有了较大提高，但大部分材料400 ℃以下变化不明显，趋势比较平稳，差别不大。因此推测石油管材的断后伸长率会随着温度升高而增长，但温度较低时候变化并不明显，只是到达一定温度后，引起了材料晶粒度的变化和碳化物的析出，强度下降速度才会较快增长，根据本文数据，推测大部分材料的断后伸长率会在400 ℃高温以上显著升高。

表5 不同钢级高温拉伸试验结果

表6 不同材质的断后伸长率

6 结束语

1) 同种石油管材料高温拉伸的抗拉强度和屈服强度会随着温度升高而降低。温度越高，这种降低效应越明显。高钢级材料随温度升高强度降低的速度要小于低钢级材料。

2)由于温度的升高会导致管材在高温深井中的性能降低，建议在高温深井的管柱强度设计中考虑材料的温度效应。