国内SEW 石油套管产品性能及标准制修订建议

杨 阳， 付宏强

（1. 中国石油技术开发有限公司， 北京100028；2. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡721008；3. 宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡721008）

0 前 言

随着油气资源开采向深井、 超深井、 岩石蠕变、 地层应力、 H2S、 CO2、 Cl-等苛刻环境发展， 钻采行业对高性能油井管材的需求越来越大。 国内外各制管企业相继开发出无缝和焊接高性能石油套管， 其中高频电阻焊 (high frequency welding， HFW) 石油套管因具有尺寸精度高、 力学性能稳定、 抗内外压性能好、 质量易于控制以及成本低等优势， 在发达国家占到石油套管总用量的30%以上， 美国更达到50%以上， 而我国仅占12%左右[1-2]。 当前国内许多制管企业也开发出了具有较高技术含量的HFW 或SEW (hot stretch reducing electric welding， 高频焊热张减) 焊接石油套管。

为了提高我国焊接石油套管的生产水平，按照SY/T 6951 《实体膨胀管》、 Q/SY 1394 《高抗挤套管》、 API SPEC 5CT 等标准， 国内SEW生产厂家已开发出SEW 工艺的API 系列套管（J55、 N80Q、 P110 和Q125 钢级）、 非API 系列高抗挤套管BSG-80TT/110TT、 膨胀套管BX55/80 以及BJC-1 型特殊螺纹套管等产品。 本研究通过对比国产SEW 套管产品性能与相关标准中技术指标要求， 根据多年的SEW 套管产品研发和生产经验， 提出了国内SEW 石油套管标准制修订建议。

1 SEW 石油套管制造工艺简介

目前市场上， 石油套管产品基本上可分为两类： 无缝套管和HFW 焊接套管。 其中HFW 石油套管以热轧卷板为原料， 经管坯成型、 HFW焊接及焊缝热处理， 再经过管加工等形成最终产品， 具有强韧性好、 尺寸精度高及抗挤强度高等优势； 但不足之处是母材与焊缝显微组织和性能存在差异， 焊缝存在沟槽腐蚀问题。 针对HFW焊接套管焊缝， 美国石油学会API SPEC 5CT 标准第1 版中提出了通过热处理来消除焊缝中的马氏体组织， 在第2 版中提出了通过热张力减径技术， 进一步优化焊缝组织和性能。

通过将HFW 焊接技术、 热张力减径技术和管材热处理技术进行组合， 形成了新型的SEW 石油套管制造工艺。 该制造工艺以内在质量好、 尺寸精度高的热轧卷板为原料， 经高精度管坯成型及HFW 焊接后， 采用中频感应加热快速加热到奥氏体相变温度AC3以上， 再利用热张力减径调整管坯规格和管材后续热处理工艺等来生产高质量和高性能的石油套管产品。 该制造工艺不仅能够优化焊缝组织和性能、 提高HFW 焊缝质量及其可靠性， 而且还可以扩大HFW 焊接钢管产品种类和规格， 实现多种规格钢管高效、 连续制造。

2 SEW 石油套管性能

API SPEC 5CT、 SY/T 6951 《 实 体 膨 胀管》、 Q/SY 1394 《高抗挤套管》 等标准分别制定了相应API 套管、 膨胀管、 高抗挤套管等石油套管产品要求， 主要包括制造工艺、 热处理方式、 化学成分、 几何尺寸、 力学性能、 挤毁强度等。 下面就国内SEW 套管产品关键性能指标进行详细分析。

2.1 几何尺寸

当前标准中对石油套管的几何尺寸都有基本要求。 API SPEC 5CT 标准对无缝钢管和焊接钢管的外径偏差要求为-0.5%～1%， 壁厚偏差要求≥-12.5%。 SY/T 5989 和Q/SY 1572.4 等标准对焊接钢管的外径偏差要求为0～1%， 壁厚偏差要求≥-7.5%。 Q/SY 1394 标准对高抗挤套管的外径偏差要求为-0.25%～1.00%， 壁厚偏差要求为-5%～12.5%， 壁厚不均度要求为≤6%；而对于外径≤244.8 mm 的套管， 外径不圆度要求≤0.35%。

表1 为API J55 钢级的SEW 钢管和无缝钢管的尺寸偏差比较。 表2 为BSG-80TT 高抗挤套管与同规格无缝高抗挤套管尺寸比较。 以Φ139.7 mm 规格套管为例， 通过表1 可以看出，SEW 套管产品的外径偏差范围为0.27%～0.30%，壁厚偏差范围为1.7%～4.3%； 无缝管产品的外径偏差范围为0.31%～0.65%， 壁厚偏差范围为-1.8%～3.63%。 从表2 可以看出， SEW 高抗挤套管产品的外径不圆度＜0.28%， 壁厚不均度＜2.10%； 无缝管产品的外径不圆度＜0.62%，壁厚不均度＜10.60%。 可见， SEW 套管产品的几何尺寸优于无缝套管。 这主要是由于无缝钢管三维穿孔成型较复杂， 无法保证管坯尺寸精度； 而SEW 套管以热轧带钢为原料， 板材的控制精度比无缝钢管的穿孔或轧制精度高， 因此在尺寸控制上， 前者优于后者。

表1 J55 钢级SEW 套管和无缝套管尺寸偏差要求

表2 BSG-80TT 高抗挤套管与80TT 无缝套管的几何尺寸要求

2.2 残余应力

Q/SY 1394 《高抗挤套管》 标准有对高抗挤套管残余应力的基本要求。 表3 为不同钢级SEW 高抗挤套管与无缝套管的残余应力值。经对比分析， SEW 高抗挤套管的残余应力低于Q/SY 1394 标准要求值， 明显低于无缝高抗挤套管产品， 表明SEW 高抗挤套管残余应力较小。

表3 不同钢级SEW 与无缝高抗挤套管残余应力要求对比

2.3 管材强韧性

除了API 5CT 对J55 钢级产品冲击功无强制要求， API 5CT、 SY/T 5989 和Q/SY 1572.4 等标准对套管的拉伸强度、 延伸率及冲击功均有明确要求。 以Φ139.7 mm 套管为例， 表4 为国产J55、 N80Q、 P110 和Q125 四种钢级SEW 套管的强度、 延伸率及冲击功性能与不同标准要求的对比。 从表4 可以看出， SEW 套管产品具有优异的强韧性匹配， 产品实测值均远高于不同标准要求值。 原因就在于SEW 套管产品以内在质量好的热轧卷板为原料， 同时采用中频感应加热和热张力减径可细化焊缝晶粒， 并保留热轧卷板晶粒细小特点， 再经后续在线控制冷却或全管体调质热处理等工艺， 不仅提高了管材的强度， 而且也可使管材获得优异的塑性和韧性， 从而实现SEW 套管良好的强韧性匹配。

表4 J55、N80Q、P110 和Q125 四种钢级SEW 套管性能对比

2.4 抗外压挤毁性能

Q/SY 1394 《高抗挤套管》 标准中， 对高抗挤套管的挤毁强度有明确规定。 表5 为不同厂家高抗挤套管产品的外压挤毁性能， 其中试验结果为全尺寸实物试验失效压力。 从表5 可看出BSG-80TT 级SEW 套管抗挤毁性能优异， 明显高于同规格无缝管产品， 并且挤毁强度高于API 5C3标准值40%以上， 高于Q/SY 1394 HC2 标准值12%以上。 其原因在于： 相对无缝套管产品，SEW 套管尺寸精度高、 管体残余应力小、 管体强韧性匹配优异， 因而有利于提高套管的外压挤毁强度。

表5 不同厂家高抗挤套管的外压挤毁性能

2.5 可膨胀性能

SY/T 6951 《实体膨胀管》 标准对膨胀套管性能有明确要求。 表6 和表7 分别为不同类型膨胀套管膨胀前后力学性能。

从表6 可看出， 国产BX80 钢级SEW 套管膨胀后， 管材的屈服强度和抗拉强度提高， 管体伸长率降低， 力学性能和延伸率仍然符合API SPEC 5CT 对N80 钢级套管的要求， 表明SEW 套管具有非常好的强塑性。 从表7 中可见， 进口55 ksi 级膨胀管和BX80 级SEW 套管膨胀前后横向夏比冲击功降幅较低。 表明BX80 级SEW 套管膨胀后其强度、 塑性及韧性良好， 具有较好的可膨胀性能。

表6 国产BX80 钢级SEW 套管膨胀前后力学性能

表7 国产BX80 钢级SEW 套管膨胀前后的横向夏比冲击功

2.6 抗沟槽腐蚀性能

SY/T 5989 等标准对直缝电阻焊套管的焊缝沟槽敏感系数有明确规定。 标准中一般用敏感系数α 表示焊缝沟槽腐蚀的程度。 α＞1.3， 表示管体对沟槽腐蚀敏感； α＜1.3， 表示焊缝对沟槽腐蚀不敏感[9]。 表8 的试验结果表明， HFW 套管的α 小于1.17， SEW 套管的α 小于1.09， 两者的抗沟槽腐蚀性能良好， 但SEW 套管抗沟槽腐蚀敏感性能更好。 其原因在于： 采用焊缝热处理或全管体加热， 均可减小焊缝基体的电位差， 从而降低了焊缝沟槽敏感性。 但SEW 套管经全管体加热后再张力减径变形， 使焊缝区与管体其他区域金相组织更加趋于均匀一致， 因而前者沟槽敏感系数比后者高。

表8 HFW 和SEW 套管焊缝的沟槽腐蚀敏感性对比

3 SEW 石油套管标准及修订建议

经过上述对SEW 石油套管产品与无缝套管性能研究， 显然SEW 石油套管具有一定的性能优势。 而目前SEW 套管在国内尚属研究发展阶段，国内SEW 厂家按照相关标准生产时， 存在标准定位、 标准检验项目不适用（如晶粒度的测定、 硬度试验、 焊缝形貌与尺寸、 焊缝沟槽腐蚀） 问题。以Q/SY 1572.4—2015 为例， 提出以下观点， 进行探讨。

3.1 标准定位

Q/SY 1572.4—2015 标准适用于普通用途的直缝电阻焊套管， 而从标准全文内容来看， 化学成分、 冲击功、 晶粒度和非金属夹杂物等多项指标均严于API SPEC 5CT； 而在API SPEC 5CT 多版次中均未删除PSL1 质量等级产品， 证明在管材实际服役中有普通用途油管和套管的实际需求和合理性。 因此从标准经济性和实用性考虑， 应考虑这方面的需求。

目前标准较API SPEC 5CT 增加的检验项目已与Q/SY 1394 等特殊工况相同， 使得普通用途与特殊用途管材标准之间技术项目和指标没有层级差别， 建议在考虑质量、 经济性、 管材适用服役范围的前提下， 以API SPEC 5CT 为基础， 参考API SPEC 5CT PSL1， 同时兼顾经济性和适用性原则， 适当将部分指标严于国家标准和行业标准， 将部分检验项目以可选择性或补充要求（购方或者合同规定时） 的形式体现， 构建不同用途不同要求的系列标准。

3.2 焊缝晶粒度测定

因高频焊热张减套管 （SEW） 经过热张减后， 焊缝组织为针状、 块状、 网状的铁素体和珠光体非平衡组织， 腐蚀后无法观察到明显的晶界， 没有在检测区域内， 没有固定的晶粒特征。采用GB/T 6394 《金属平均晶粒度测定方法》，无法选出满足测试要求的区域， 每个区域的晶粒个数较少， 无法和标准图谱进行比对， 因此无法测量晶粒度。 而高频焊管 （HFW） 焊缝腐蚀后也经常无法观察到明显晶界。 建议高频焊热张减套管（SEW） 不做晶粒度检测评价， 如果高频焊管 （HFW） 焊缝腐蚀后无法观察到明显晶界时，也不进行晶粒度检测评价评定。

3.3 硬度试验

由于高频焊热张减套管（SEW） 和高频焊套管（HFW） 焊缝非常窄， 仅为0.02～0.12 mm 之间，硬度压痕横贯焊缝、 热影响区和母材， 无法单独测出焊缝的硬度。 对于调质SEW 套管， 焊缝腐蚀后在显微镜下几乎找不见， 因此无法准确确定焊缝位置， 以及焊缝与母材的边界。 建议不对焊缝进行硬度检测， 或修改焊缝处的硬度试验要求。

3.4 焊缝形貌与尺寸

焊缝形貌与尺寸受到各制管厂焊接工艺及参数、 钢管外径、 壁厚及原材料等诸多因素的影响， 且焊接过程本身是复杂的冶金过程， 其形貌更无法精确统一， 因此长期以来， API SPEC 5CT只是规定各制管厂有自己的金相检验规则。

Q/SY 1572.4—2015 规定的电阻焊套管焊缝金属流线升角等几何形貌尺寸在生产厂测量非常困难 （实际腐蚀面往往模糊不清）， 且测量误差比较大。 由于焊缝断面形貌尺寸属于制造商工艺控制范畴， 建议依照API SPEC 5CT 多年的通行做法， 由制造厂根据经验自行控制， 不做统一要求， 可作为型式检验项目提供参考， 待有科研成果和实践经验积累和支持后再写入标准。

3.5 焊缝沟槽腐蚀要求

沟槽腐蚀试验的检测周期较长， 仅腐蚀试验时间就需要6 天， 加上制样， 出具报告时间更长， 将影响发货周期， 不宜作为生产检测条款。

GB/T 2001.10—2014 中4.2.6 规定“如果没有一种试验方法能在相对较短的时间内证实产品是否符合稳定性、 可靠性或寿命等要求， 则标准中不应规定这些要求”。 因此， 目前还不具备将沟槽腐蚀检测作为标准检测项目的条件， 建议删除沟槽腐蚀试验。

4 结 论

（1） 产品通过鉴定后， 大规模的生产前应提前制定产品标准， 并且应严格执行标准组织新品的生产、 检验。 标准的制定的范围应明确、 清晰， 同时应考虑当前国内外技术发展现状、 国内法律法规、 企业实际以及未来技术发展水平。

（2） 协调一致性。 包括多方面的内容， 如现行国家法律法规、 国家标准行业标准之间的层级关系和技术内容等不能与所编制的标准冲突。

（3） 可证实性原则。 内容合理， 有利于生产控制及检验， 标准的技术指标的可重复性较高， 检验方法通用性强。 标准涉及到的检验项目应在全行业内有统一的认识和判断标准， 如果缺乏大量科学验证证据和生产检验数据， 在标准编制中应将试验科学研究与实际检验予以区分对待， 并以实践经验为准。

（4） 性能原则。 产品标准中， 应以性能特性来表示产品的技术要求， 避免设计特性、生产工艺等。

（5） 经济性。 标准是各方利益协商的产物， 在保证质量、 安全、 环境的前提下， 标准的制定应考虑各方的成本因素。