（材料加工工程专业论文）30mncr22p110无缝钢管热处理特性的研究.pdf

r l l l r lii i l li t l l l l l1 1f j l jj y 17 8 9 5 i , i i in 3 i i h l a o i r l i l l 的研究 指导教师：王竺竺塾堡单位：塑茎壹型垫奎堂 协助指导教师：奎堡塑型鍪壑 论文提交日期：2 0 1 0 年0 6 月5 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位：塑鐾壹型垫奎堂 单位： 研究生姓名：许占海 指导教师姓名：王宝峰 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：x uz h a n h a i s u p e r v i s o r ：w a n gb a o f e n g s c h o o lo fm m e f i ma n dm e t a l l u r g y i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 0 n ；、 创性明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， ，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名： 日期： 加o 占f 一 内蒙占科技人学硕士学位论文 q 摘要 油井管是开采石油天然气必须使用的工程用具。随着我国石油钻采业由东部向 西部及沿海的战略转移，油层的深度也由浅入深，这一转变要求对油井管的钢级和 结构进行合理的调整，并对油井管的强度、性能和质量提出了更高、更新的要求， 因此大力开发高钢级特殊油井管已势在必行。同时，受金融危机及钢铁产能过剩的 影响，各企业不断地降低生产成本，开发适销对路的产品具有重要的现实意义。 本文重点对3 0 m n c r 2 2 这个钢种的热处理相变特性，即连续冷却转变( c c t ) 曲线和淬透性进行了研究，包括：用d t a 法测定c c t 曲线，以确定马氏体临界冷 却速度、奥氏体化温度范围及其显微组织；用末端淬火法测定钢种在不同淬火温 度下的淬透性，研究淬火温度对钢的淬透性的影响规律。 在此基础上，对此钢种进行了热处理工艺参数的研究，其中包括：淬火温 度、淬火保温时间、回火温度、回火保温时间对3 0 m n c r 2 2 的力学性能和显微组织 的影响规律；确定了3 0 m n c r 2 2 的m 1 7 7 8 x 9 1 9 m m 钢管的热处理工艺制度为：在 8 8 0 ，保温5 0 m i n ，水淬：5 3 0 回火，保温6 0 m i n ，空冷。 通过上述热处理工艺参数的研究，3 0 m n c r 2 2 ( p l l 0 ) 各项力学性能指标均符合 a p i 标准。调质处理后组织均匀、晶粒细小、强韧性匹配良好，便于工业化生产。通 过对选定钢种3 0 m n c r 2 2 组织和性能的研究，对于验证钢种选择的合理性及p l l 0 套管 生产工艺的探索具有基础性的重要意义。 关键词：3 0 m n c r 2 2 ；热处理；石油套管 ， 内蒙古科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t o i lw e l lp i p ei ss t r o n g l yu s e di np e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se x p l o r a t i o n a st h es t r a t e g i c o fo i ld r i l l i n gi n d u s t r ys h i f t sf r o me a s tt ow e s ta n dc o a s t a l t h ed e p t ho fo i ll a y e rc h a n g e s f r o ms h a l l o wt od e e pa n dt h i sc h a n g ec a l l sf o rr e a s o n a b l ea d j u s t m e n to ns t e e lg r a d ea n d s t r u c t u r e ，h i g h e ra n dn e w e rr e q u i r e m e n t so i lo i lw e l lp i p es t r e n g t h ，p e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y , t h e r e f o r e ，g r e a te f f o r t st od e v e l o ph i g h g r a d es p e c i a ls t e e l0 i lw e l lp i p e si si m p e r a t i v e m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h ee f f e c to ff i n a n c i a lc r i s i sa n dt h ee x c e s so fs t e e lc a p a c i t y , e n t e r p r i s e sc o n t i n u et or e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，t h ed e v e l o p m e n to fm a r k e t a b l ep r o d u c t sh a s i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h eh e a tt r e a t m e n tp h a s et r a n s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l 3 0 m n c r 2 2 ，t h a ti s ，c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ( c 0 0c u r v ea n dh a r d e n a b i l i t yw e r e s t u d i e d i ti n c l u d e s ：t h ed e t e r m i n a t i o no fc c tc u l v ew i t ht h em e t h o do fd t ai no r d e rt o d e t e r m i n et h em a r t e n s i t ec r i t i c a l c o o l i n gr a t e ，a u s t e n i t et e m p e r a t u r er a n g ea n dt h e m i c r o s t r u c t u r e ；t h em e a s u r e m e n to fh a r d e n a b i l i t yo nd i f f e r e n tq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e sw i t h t h em e t h o do fe n d q u e n c h i n g i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c tr u l e so fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e o nt h es t e e lh a r d e n a b i l i t y o nt h i sb a s i s ，h e a tt r e a t m e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h i ss t e e lw e r es t u d i e d ，w h i c h c o n t a i n e dt h ee f f e c tr u l e so fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m eo fq u e n c h i n g , t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m e o ft e m p e r i n go n3 0 m n c r 2 2m e c h a n i c a l p r o p e a i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e s o ，t h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so f3 0 m n c r 2 2o ff 1 7 7 8 x 9 1 9 m ms t e e li s d e t e r m i n e da sf o l l o w s ：a t8 8 0 。c ，h o l d i n gt i m e5 0 m i n , w a t e rq u e n c h e d ；5 3 0 ct e m p e r e d , h o l d i n gt i m e6 0 m i n , a i r - c o o l e d b yt h er e s e a r c ho fh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r s ，a l lt h em e c h a n i c a lp r o p e a i e so f 3 0 m n c r 2 2 ( p 11 0 ) a r ei nc o i n c i d e n c et oa p is t a n d a r d s a f t e rq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g , m o r p h o l o g yi sh o m o g e n e o u s ，g r a i ni ss m a l l ，s t r e n g t ha n dt o u g h n e s sh a s a g o o dm a t c ha n di t i ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h er e s e a r c ho fs t e e l3 0 m n c r 2 2m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e sh a sb a s i ci m p o r t a n c eo nv e r i f ys t e e lr e a s o n a b l e n e s sa n dt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s s e a r c ho fp 1 】0 k e yw o r d s ：3 0 m c r 2 2 ；h e a tt r e a t m e n t ；o i lc a s i n g n 内蒙古科技人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】1 弓i言1 1 文献综述3 1 1 我国油井管的现状和发展：3 1 1 1 我国油井管生产现状3 1 1 2 我国油井管的使用情况6 1 1 3 我国油井管的发展方向6 1 2 钢管热处理8 1 2 1 钢管热处理工艺8 1 2 2 我国钢管热处理的现状9 1 2 3 包钢无缝热处理线及工艺概况9 1 3a p is p e c5 c t 对p l1 0 的规定1 0 1 3 1 化学成分1 0 1 3 2 力学性能1 1 1 3 3 理化性能1 1 1 4 国内外p l l 0 的常用钢种及发展方向。1 1 1 4 1 国外常用的钢种1 2 1 4 2 国内常用的钢种1 3 1 4 3 国内油井管钢种分析及发展方向1 4 1 5 国内p l1 0 的常用水淬钢种1 5 1 6 选题的目的和意义。1 7 2 钢种基础相变特性研究1 8 2 1 钢种选择与确定1 8 2 2 连续冷却转变曲线的测定1 8 2 2 1 热膨胀法测定c c t 曲线的基本原理1 8 2 2 2 实验方案及实验设备2 0 2 2 3 实验材料原始状态及成品的化学成分2 0 2 2 4 实验步骤2 1 2 3 实验结果分析2 2 2 3 13 0 m n c r 2 2 钢的c c t 曲线2 2 2 3 23 0 m n c r 2 2 钢c c r 曲线的分析及过冷奥氏体转变机理2 2 2 43 0 m n c r 2 2 钢淬透性的测定3 3 2 4 1 实验方法3 3 2 4 2 实验结果3 4 ， ， 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 3 热处理工艺对组织性能的影响规律研究3 5 3 1 实验研究方法及试样制备3 5 3 1 1 实验研究方法3 5 3 1 2 试样制备3 5 3 2 回火温度对3 0 m n c r 2 2 组织及性能的影响。3 6 3 3 回火保温时间对3 0 m n c r 2 2 组织及性能的影响3 7 3 - 4 淬火温度对3 0 m n c r 2 2 组织及性能的影响4 1 3 5 淬火保温时间对3 0 m n c r 2 2 组织及性能的影响4 4 3 6 确定3 0 m n c r 2 2 的推荐水淬调质工艺。4 6 3 7 工业化试验。4 7 3 7 1 生产工艺及技术要求4 7 3 7 2 组织性能统计分析4 8 3 7 3 实验室实验与工业化试验结果对比4 9 l 砉论5 3 参考文献5 4 附录a 各个冷速下试件的显微硬度值。5 8 在学研究成果6 0 一 ， 内蒙占科技人学硕七学位论文 引言 世界各国油井管的钢级发展都是由k 5 5 、j 5 5 、n 8 0 、c 9 0 、p l l 0 、q 1 2 5 、v 1 5 0 依次开发生产的。另外，随着油田开采向海洋和更恶劣的地方发展，a p i 标准的油井 管已不能满足油田的使用，因此，各国在发展a p i 标准的油井管基础上，也相继同时 开发非a p i 标准的各钢级油井管来满足油田的使用要求。如天津生产的t p 系列油井 管、宝钢生产的b g 系列油井管都是针对特殊油田使用的。 针对a p i 标准各钢级油井管生产，热处理制度可大致分为：在线常化、油淬和水 淬三大类。在7 0 年代以前，各国的油井管都是油淬，但是，油淬的成本高，对环境 污染严重。7 0 年代末，从环保这个世界整体概念来看，日本首先成功开发高级油井 管水淬钢种，川崎、日本钢管、新同铁、住友金属等纷纷建立了水淬热处理设施。 然后，欧美各国也相继开发油井管水淬钢种。在国内，我国油井管生产企业由过去 的3 家发展到现在的天津钢管厂、宝钢钢管厂、攀钢钢管厂、鞍钢钢管厂、宝鸡石油 钢管厂等1 1 家骨干企业。但是在这1 1 家企业中能生产水淬钢油井管仅有天津钢管公 司和宝钢钢管公司。其它钢级如c 9 5 、t 9 5 、q 1 2 5 、v 1 5 0 尚不能批量提供。 包钢从1 9 9 3 年开始组建1 8 0 无缝钢管厂，至u 1 9 9 9 年开始正式生产。目前能够生产 k 5 5 、j 5 5 、n 8 0 、n 8 0 q 、p l l 0 、c 9 0 等钢级石油套管。目前包钢生产p l l 0 钢级石油套 管所采用的钢种为3 0 c r m n m o ，在比较高的回火温度范围内，其屈服强度仍可达到相应 的a p i 标准中上限，且抗拉强度也超出a p i 标准1 2 以上，这说明其强度的潜力很大，但 其生产成本也相对较高。由于a p i 标准只对p l l 0 钢级成分中的p 、s 含量和力学性能等指 标进行了限定，因此对于p l l 0 钢级，可以开发一种更为经济的新钢种，通过热处理工艺 的调整，达到a p i 标准所要求的性能。从而增强企业的市场竞争力具有重要的现实意 义。 p 1 1 0 钢级石油套管是世界各国技术套管和油层套管的主要管材之一，仅我国年需求 量就在5 0 万吨以上。p l l 0 钢级石油套管一般用于深层油井( 60 0 0 米左右) ，一些油f f l 也用之于较浅( 30 0 0 米左右) 的稠油热采井。随着世界各国油气钻采力度的不断加 大，p l l 0 石油套管的需求量近年内将呈现持续增长念势，市场i j 景广阔。 本课题重点对3 0 m n c r 2 2 这个钢种的热处理相变特性，即连续冷却转变( c c r ) 曲线和淬透性进行了研究，包括：用d t a 法测定c c t 曲线，以确定马氏体临界冷却速 度、奥氏体化温度范围及其显微组织；用末端淬火法测定钢种在不同淬火温度下的 淬透性，研究淬火温度对钢的淬透性的影响规律。 在此基础上，对此钢种进行了热处理工艺参数的研究，其中包括：淬火温度、淬 火保温时间、回火温度、回火保温时间对3 0 m n c r 2 2 的力学性能和显微组织的影响规 律；并对不同规格的管子提出了推荐热处理工艺。 内蒙古科技人学硕十学位论文 通过上述热处理工艺参数的研究，经调质处理后的3 0 m n c r 2 2 无缝钢管的各项 力学性能指标均符合a p i 标准。调质处理后组织均匀、晶粒细小、强韧性匹配良好，便 于工业化生产。通过对选定钢种3 0 m n c r 2 2 组织和性能的研究，对于验证钢种选择的合 理性及p l1 0 套管生产工艺的探索具有基础性的重要意义。 内蒙古科技人学硕十学位论文 l 文献综述 无缝钢管是国民经济建设的重要原材料之一，是一种经济型钢材品种，被广泛应用 于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业，世界各国、特别是工业发 达国家都十分重视无缝钢管的生产与贸易。石油钢管主要包括油井管( 钻杆、钻铤、 套管、油管等) 和油气输送管两大类。石油勘探开发的钻井作业必需钻杆和钻铤， 固井必需套管，采油必需油管。根据统计数据【，油井每钻进1 m ，约需油井管 6 2 k g ，其中套管4 8 k g 、油管1 0 k g 、钻杆3 k g 、钻铤0 5 k g 。近年来，中国每年消耗 油井管约1 3 0 万吨。管道输送是石油天然气最经济合理的运输方式。随着管道建设 迅猛发展，中国油气输送钢管的需求量大幅度增加，几年之前，还不足油井管的 1 3 ，现已超过油井管，去年达到1 4 0 万吨。2 0 0 3 年，中国无缝钢管表观消费量6 6 0 万吨，其中无缝钢管油井管1 2 6 万吨，占1 9 ；焊管表观消费量约10 0 0 万吨，其 中油气输送焊管1 4 0 万吨，占1 4 。可见石油行业是仅次于建筑行业的钢管消费大 户。 石油钢管在石油工业中的地位，首先表现为用量大、花钱多，每年中国石油管 的投资约占石油工业总投资的1 5 。其次，石油钢管的质量、性能对石油工业的发展 意义重大。石油专用钢管工况条件恶劣，例如油管柱和套管柱通常要承受几百甚至 上千个大气压的内压或外压、几百吨的拉伸载荷，还有高温及严酷的腐蚀介质的作 用。1 9 8 5 年以前，中国每年仅钻柱断裂掉井事故即达10 0 0 起左右。据国际钻井承 包商协会( i a d c ) 统计，每起钻柱断裂事故平均直接损失为1 0 6 万美元。中国西 部油田一口油井的成本约几千万元甚至上亿元人民币，而钻柱或套管柱损坏有时会 导致油井报废。另外，套管的寿命直接决定油井的寿命，油井的寿命又决定了油田 的寿命，而油气输送管的事故多是灾难性的。石油钢管的安全可靠性、使用寿命和 经济性对石油工业意义极其重大【2 叫。 1 1 我国油井管的现状和发展 1 1 1 我国油井管生产现状 近几年我国石油管消费数量呈稳定增长趋势1 5 , 6 1 ，2 0 0 4 年的实际消费量为1 2 0 万吨左 右( 2 0 0 4 年表观消费量为1 7 0 ) j 吨) ，其中套管为8 0 万吨左右，约占7 3 ；油管约为2 6 力吨，约占2 4 ，钻杆和钻铤约4 - 5 万吨左右，约占4 。n 8 0 以上高钢级油井管的消费 量为5 0 5 5 万吨，约占5 0 左右。 内蒙古科技人学硕士学位论文 我国每年需进口约3 0 多万吨的油井管，主要为n 8 0 以上高钢级、耐腐蚀钢级及特殊 丝扣等高附加值产品，2 0 0 4 年进口量为3 5 7 万吨。油井管出口量逐年增加，2 0 0 4 年出口 量为1 5 7 万吨。 目前我国油井管管加工能力为6 0 0 万吨左右，其中综合生产能力( 从炼钢至管加 工) 为3 0 0 万吨( 其中高钢级生产能力为1 5 0 万吨) ，冶金系统外的管加工生产能力约 3 0 0 万吨。2 0 0 8 年油井管产量约为6 5 0 万吨。我国目前高钢级油井管( n 8 0 、p l l 0 以上钢 级和非a p i 钢级) 的消费量为1 2 0 万吨，占油井管总消费量的5 0 左右，主要用于东部油 田的深井、西部油田和海洋油井。 1 1 1 1 我国无缝钢管产量高速增长 我国生产油井管的企业主要有天津钢管、宝钢钢管、无锡西姆莱斯石油专用管有限 公司、衡阳钢管、成都无缝、包钢无缝、鞍钢无缝、江苏诚德钢管、潍坊墨龙油管厂 等，产能达6 0 0 万吨以上。与世界先进水平相比，国内企业在高性能油井管材的研究开 发方面起步较晚，在钢级、材料、加工等方面仍然存在较大差距，尚不能全面满足石油 产业发展的需要，目前主要生产h 4 0 、j 5 5 、k 5 5 、m 6 5 、n 8 0 、l 8 0 、c 9 0 、t 9 5 、 c 9 5 、p l l 0 、q 1 2 5 等常用的a p i 钢级 7 - - 9 。 近年来，我国无缝钢管生产企业加大了技改和管理力度，新建了多套先进的轧 管机组，这些机组的产能正在释放，主要是原成都无缝钢管厂、天津钢管、宝钢无 缝、衡阳钢管、原宝鸡石油钢管厂、渤海能克钻杆有限公司等新机组相继投产。油 井管生产能力迅速扩大，产量迅速增加。2 0 0 5 年全国无缝钢管产量达到10 4 7 万 吨，2 0 0 6 年达到14 0 0 万吨，相比增长3 3 7 。我国油井管的产能已得到充分发 挥。但品种大量为中低档钢级，仅有少量的品种为a p i 高钢级的油井管1 1 0 l 。上述情 况说明，我国油井管的产能已充分发挥，出口大于进口，自给率达到8 7 0 以上。 但品种大量为j 5 5 、n 8 0 等中低档钢级，仅有少量的品种为a p i 高钢级的油井管。 在螺纹扣型方面，大多数产品是按a p i 标准的圆形和梯形螺纹生产的，仅有宝钢、 天津钢管和无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司等少数企业能少量生产非a p i 系 列的特殊螺纹油井管。对油田需要的高强度、高抗c 0 2 、抗c l 。腐蚀、高抗挤等非 a p i 标准特殊钢级和特殊螺纹扣型以及寒冷地区等使用的油井管，尚未完全实现工 业化生产，大部分仍需依靠进口。 无缝钢管表观消费情况见表1 1 ； 无缝钢管轧管机组综合能力统训“l 情况见表1 2 ； 主要的无缝钢管生产j 厂家及其轧管机组情况见表1 3 ( 其中尚未统计的机组能力 约1 1 5 力t ) 。 内蒙古科技人学硕士学位论文 若按照油井管完整生产系统能力分析，预计到2 0 1 0 年我国油井管管加工能力将 达到7 0 0 万吨，2 0 1 0 年我国可以自己供坯的油井管生产能力预计为5 0 0 万吨以上， 而2 0 1 0 年油井管的消费量预计达到2 6 0 - 2 7 0 万吨，高钢级油管和套管有一定缺 口，油田需要的高强度及在复杂井况中使用的油井管尚未完全实现工业化生产。 表1 1 无缝钢管表观消费情况 机组数量( 套)所占比例( ) 年生产能力( 万吨)能力比例( )备注 注：包括顶管、周期轧管、挤压管等机组，面挤压管朱包括拟建项目，但包括在建项目；包括小型穿孔机+ 冷拔机 组( 一般足f 7 6 咖机组) 及大型穿4 l 秽l + 定径或二次穿孔等机组。 表1 3 国内主要无缝钢管生产厂家及其轧管机组情况 注：生产j 家名称从简；总计统计到1 0 8 家。 内蒙占科技大学硕+ 学位论文 1 1 1 2 我国无缝钢管品种结构得到优化 油井管是国家重点开发的品种之一，经过多年的努力我国油井管的生产得到了迅速 发展，国产化率逐年提高，自给率已达到8 0 以上1 1 2 1 。为了增强竞争力，各生产厂家均 在油井管的研制和开发上加大了投入，并且在品种、规格、质量等方面均取得了显著成 效，缩小了与国外同类产品的差距，大多数品种已达到国际先进水平，一些油井管生产 企业已形成了拥有自主知识产权的油井管系列产品，如天津钢管的口系列，上海宝钢 的b g 系列，攀成钢的c s 系列，以及衡阳钢管、鞍钢无缝和无锡西姆莱斯等厂开发的 油井管产品等。这些产品覆盖了油井管的绝大多数规格和钢级。 在特殊用途专用管产品中开发了抗挤毁，抗c 0 2 、h 2 s 和c l 腐蚀以及特殊扣型 的油井管。高强度石油套管、高抗挤毁套管和抗腐蚀套管有了不同程度的提高。宝 钢集团钢管分公司研制开发了m 1 1 4 3 m m 等几个规格的q 1 2 5 高抗挤毁套管以及抗硫 系列油套管，攀钢集团成都钢铁有限责任公司开发了n 8 0 、p 11 0 及以上钢级强度的 石油套管【1 3 以7 1 。各主要生产企业在品种开发上均有了新的突破。 天津套管与日本套管尺寸精度对比【1 8 】见表1 4 ；天津套管与日本套管材料化学成分 对比见表1 5 ；天津套管与日本套管( n 8 0 ) 机械性能及金相检验结果对比见表1 6 。 1 1 2 我国油井管的使用情况 我国自2 0 世纪6 0 年代开始成为产油大国，年消耗油井管几十万吨，近年来己接近 百力吨。油井管的消耗量可按每年钻井进尺推算。其中套管规格为 1 1 4 - - 5 0 8 m m ，钢 级主要是j 5 5 、n 8 0 和p l l 0 ，这三种钢级的套管占套管总消费量的9 0 以上。油管规格 为中 3 3 4 1 2 7 m m ，钢级主要为j 5 5 、n 8 0 和p l l 0 ，这三种钢级占油管消费总量的 8 5 以上。钻杆规格为m 6 0 3 - 1 2 7 m m ，钢级主要为g 1 0 5 和$ 1 3 5 ，e 7 5 只占1 0 以下 【1 9 1 。 1 1 3 我国油井管的发展方向 在我国油井管的总量中，目前尚有3 0 左右的高性能品种从国外进口。高性能油井 管是油井管的发展趋势 鼽z 3 1 ，也是当前研究的热点。当前，油井管研究的热点有以下几 点。 ( 1 ) 超高强度油井管 重点解决高强度与高韧性的匹配问题。 ( 2 ) 膨胀管技术刚 ， ， 内蒙古科技人学硕十学位论文 膨胀管技术是近年发展起来的一项实用技术。在钻井中，如果从开钻到完钻全部采 用膨胀管技术，则可以实现开钻井眼直径和完钻井眼直径基本一致，即由原来的倒梯形 井眼结构变成自上而下单一尺寸井眼结构。这是钻井技术的重大革命。美国2 0 0 2 年已 成功地完成一口这样的井。壳牌公司的研究人员估计，实体膨胀管技术在降低钻井成本 方面具有很大的潜力，它可以将钻机场地缩小7 5 ，钻井液减少2 0 ，钻屑量减少 5 0 ，固井水泥减少5 0 。美国l o n gs t a r 和v & m 集团已开发出可膨胀套管系列， 钢级最高为9 5 ，膨胀量达到2 5 以上。v & m 集团已开发出可膨胀套管的特殊螺纹 v a m e t 。 表1 4 天津套管与日本套管尺寸精度对比表 注：n 样奉数，m a x 最人值，r a i n - 最小值，a v 平均值，孓标准偏差。 表1 5 天津套管与日本套管材料化学成分对比 表1 6 天津套管与日本套管( n 舳) 机械性能及金相检验结果对比 二!竺旦二三夏亟亟正二二篓篓篓譬二j 耍夏二二兰竺兰要i i ! ! ：! 兰兰二兰竺竺! 竺!查竺兰兰! 竺! n8 08 08 02 07 77 9 天黧管篙鬻 巧9 0 6 6哿妥；呈警 “ a v 6 6 3 6 8 1 1 92 6 64 7 6 8 5 82 7 6 s 4 5 4 2 4 71 8 66 3 0 6 51 1 0 n888444 l l m a x 6 5 3 8 7 82 87 2 1 05 5 00 m i n 5 9 2 8 3 62 6 5 5 493 5 。“ a v6 3 4 1 38 5 4 1 32 7 3 86 2 7 59 2 54 6 2 s1 9 9 01 2 8 70 4 47 - 3 70 51 0 3 a p i5 c r 5 5 2 - 7 5 86 8 91 6 52 3 ( 3 ) 连续柔性管 连续柔性管是一种强度和韧性良好的钢管，卷在滚筒上。过去主要采用e r w 焊 管，现在已试制成功无缝钢管连续柔性管。其材料也由碳素钢发展到低合金钢( 包括淬 火回火钢) 及钛合会。世界上现己能生产外径5 0 8 m m ( 2 i n ) 、6 0 3 r a m ( 2 8 3 i n ) 和8 8 9 ， 内蒙古科技人学硕士学位论文 m m 0 2 1 i n ) 的连续柔性管，可满足小井眼钻井需要。连续柔性管的屈服强度现已达到 7 0 3m p a 。目前j 下在研制复合材料的连续柔性管。我国尚不能生产连续柔性管。 ( 4 ) 抗c 0 2 腐蚀的油井管1 2 5 聊 近年来，世界范围一些严酷腐蚀环境油气田相继开发，国外加大了研究和开发抗 c 0 2 腐蚀及抗c 0 2 、h 2 s 、c 1 共同( 还有h 2 0 ) 腐蚀的耐腐蚀油井管的力度。a p i 系列 有l 8 0 ( 1 3 c r ) 钢级。近年来，各厂家都开发了超级的1 3 c r 钢，是在普通1 3 c r 钢的基础 上添加n i 、m o 等元素，以进一步提高其耐蚀性和低温韧性。但在c 0 2 和h 2 s 共存，或 h 2 s 分压未达临界和c l 张度很高的情况下，1 3 c r 钢( 包括超级1 3 c r 钢) 是不能满足要 求的，需要采用2 2 c r 双相不锈钢( a s f 2 2 0 5 ) 或超级双相不锈钢2 5 c r ，甚至含高n i 、 c r 不锈钢和n i 基合金。但双相不锈钢、超级双相不锈钢等的价格十分昂贵。因此，经 济型的抗c 0 2 腐蚀的油井管是研究的热点闭。 ( 5 ) 钻井新工艺对油井管的新需求 国外近1 0 年来发展的钻井新技术，如水平井、多底分支井、大位移井、小井眼钻 井所使用的钻杆构件和套管的服役条件更加苛刻，对材料有更特殊和严格的要求。 1 2 钢管热处理 1 2 1 钢管热处理工艺 在钢管的各种淬火技术中，水作为淬火介质可以减少环境污染，降低管材成本，提 高管材性能。钢管水淬主要有淬火环淬火、水槽淬火和台架淬火3 种形式【2 9 瑚】。 淬火环淬火是用淬火环对钢管外表面或内外表面进行喷淬，钢管在辊道上一边前进 一边淬火。从上世纪7 0 年代术到8 0 年代初，世界上建设了多条用淬火环进行钢管内 外喷淬的油井管水淬热处理生产线。此种淬火方式生产效率较低，生产规格比较单一， 近年已很少被采用。 水槽淬火是将淬火加热后的钢管置于充满淬火介质通常为水或盐水的水槽中，利用 水槽中的水冷却钢管的内外表面。采用这种方式淬火的管子极易弯曲，特别是小口径钢 管更容易弯曲。 钢管在水槽中淬火，除了利用水槽中的水冷却钢管外表面以外，还必须进行钢管内 表面冷却，否则管子极易弯衄，特别是对于小口径钢管更容易弯曲。为解决淬火弯曲问 题，出现了在水槽内旋转淬火的技术。比起不旋转淬火，弯曲现象减少。但是由于水淬 比油淬的冷却速度快，对于那些管径较小，加热时有些弯曲的钢管，在进入水槽还未丌 始旋转时，就会出现弯曲现象。 台架淬火为近年来出现的一种新型钢管淬火冷却形式，它把钢管放在淬火台架上压 紧，在钢管旋转的同时，对钢管进行内表面轴流冷却、外表面层流冷却的水淬技术。此 内蒙古科技大学硕十学位论文 种淬火冷却方式可以使钢管获得较为理想的冷却效果，但该设备结构复杂，占用场地较 大，并且设备本身造价较高，后期维护和使用成本较高。 此种方式的优点是，钢管压紧后未淬火前先行旋转，可以使原来弯曲的钢管在淬火 前先矫直；钢管内外表面可以同时冷却，避免过大的温差，造成较大的应力；外表面采 用层流冷却，外喷嘴不易堵塞，且层流的水压较低，避免外喷水过多飞溅，有利于冷 却；钢管内外表面的冷却水与钢管之间有相对运动，可以加速冷却。此项淬火工艺是否 成功的关键是各项工艺参数的确定，其中主要包括钢管转速、压紧力、内外喷水量、水 压、水温、水质、内外喷水开始时间及淬火节奏等。 采用水作为淬火介质具有低温冷却速度太快、冷却特性对水温变化太敏感等特点， 容易导致钢管产品在淬火冷却过程中出现淬裂、硬度不均且畸变大等现象，水淬技术和 水淬设备本身也在不断地发展和完善过程中。钢管内喷旋流淬火设型3 2 】是由华北石油第 一机械厂根据油井管热处理的需要研制开发的一种新型钢管淬火设备，并获得了国家实 用新型专利授权。 1 2 2 我国钢管热处理的现状 由于地层条件的复杂和多变，对油气钻采用油井管的性能有许多特殊和苛刻的要 求，如强度、韧度、抗压溃性、抗腐蚀性等，而这些性能一般都要通过热处理获得。因 此，在各国关于油井管的生产标准中均规定，除少数低钢级普通油井管外，各种油井管 均需在热处理后使用。 目前我国石油钻采用油井管的年生产能力已超过年需求量，但每年仍需大量进口。 造成这一现象的一个主要原因是由于我国油井管热处理能力奇缺，不掌握油井管热处理 的核心技术，成为生产高钢级、高质量油井管的瓶颈。宝钢股份从1 9 9 4 年开始，经过 多年努力已经成功开发出达到世界先进水平的油井管水淬热处理技术及全套生产装置， 在应用于宝钢生产的同时，已输出到天津钢管公司，现已投入批量生产。 1 2 3 包钢无缝热处理线及工艺概况 1 2 3 11 8 0 m m 连轧管机组设备及工艺概况 包钢无缝厂1 8 0 m m 机组是从意大利i n n s e 公司引进的m i n i m p m 连轧钢管 机组，是我国引进的第一套少机架限动芯棒连轧管机组，在工艺、设备和自动化等 方面均代表着9 0 年代世界钢管生产的先进水平1 3 3 j 。该机组主要设备组成有m 3 5 m 环 形加热炉、菌式穿孔机、五机架连轧机、步进加热炉、1 2 架三辊定径机、2 4 架三辊 张力减径机。产品规格为6 0 m m 币2 4 5 m m ，壁厚为3 2 m m - - 2 5 m m 。热轧无缝管 生产工艺流程如图1 1 所示。 内蒙古科技人学硕十学位论文 图1 1o l s 0 m m 连轧管机组生产工艺流程 该机组集中了目前国际钢管生产领域的众多先进技术，其中少机架限动芯棒连 轧管技术是该机组最大的工艺特色。该机组投产已九年，2 0 0 6 年产量已达到3 5 万 吨( 设计能力2 0 万吨) 。 1 2 3 2 包钢无缝热处理线及工艺概况 包钢无缝热处理线生产工艺流程为：加热_ 水淬冷却一回火加热一矫直_ 冷却一超 声波探伤_ 量尺、计重_ 喷标、包装、交库。 包钢的水淬装置采用台架淬火，需水淬的钢管在淬火炉中加热到一定的淬火温度， 经出炉输送辊道输送到待机位，由上料机构将钢管抬起翻转到旋转机构的支撑轮上，夹 紧缸迅速夹紧钢管并使其快速旋转，同时对钢管进行内表面轴流冷却、外表面层流冷 却。在一定程度上可以解决水淬后钢管弯曲的问题。淬火炉和回火炉分别采用步进梁式 加热炉。 1 3a p is p i 5 c t 对p 1 1 0 的规定 我国油井管生产现执行从2 0 0 6 年1 月1 同起生效的a p is p e c5 c t 第八版，同时 被执行的还有中国天然气总公司颁布的“补充订货技术条件”。 根据以上两个标准，对p l1 0 的具体规定如。p 弘3 s l ： 1 3 1 化学成分 对于p l l 0 ，除p 、s ( p 0 0 3 0 、s 0 0 3 0 ) 外，对其它元素无规定要求，但在产 品分析报告中应报出。 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 1 3 2 力学性能 a p i5 c t 关于力学性能的规定中，伸长率的值与钢级和试样尺寸有关，在伸长率表 中有明确的规定：接箍料必须做冲击功，对管体如用户要求则按s r l 6 的规定做冲击 功。该钢级力学性能要求如表1 7 。 表1 7p l l 0 力学性能 注：冲击- s j j 的实验温度是o c ，样为全尺寸。 1 3 3 理化性能 按中国天然气总公司“补充订货技术条件”规定：p l l 0 钢级的奥氏体晶粒度为5 级或 更细。在“补充订货技术条件”中，对夹杂物( 见表1 8 ) 及五害元素舢、s n 、p b 、 s b 、b i 作了相应的规定，五害元素需检测并在报告中给出。 表i 8 夹杂物微观检验结果限定值( 按a s t m e a 5 方法测定) 以上规定是钢管企业组织生产的根本依据，也是本论文提出的钢种应能达到的基本 要求。但是必须指出，这些规定仅是对油井管质量的基本要求。事实上，各企业为了争 夺市场，纷纷推出品牌精品，其性能达到了规定值的上限。有的企业还根据市场要求， 正在不断地开发一系列非a p i 标准的油井管。开发油井管【3 6 1 的精品，尽快夺取市场，这 是各油井管生产企业今后的努力目标。 1 4 国内外p l l 0 的常用钢种及发展方向 2 0 世纪6 0 年代以前，石油用管的基本组织形态为铁素体和珠光体，这种钢的基本 成分是c m n ，一般采用热轧和正火热处理。为避免珠光体对钢材韧性的损害，6 0 年代 术出现了以j 5 5 等为代表的细珠光体钢。这种钢的生产工艺进入了微合金化钢控轧阶 段。国际上，针状铁素体石油用钢在7 0 年代初投入工业生产，其典型成分是c - m n n b m o 3 7 1 ，一般含碳量低于0 0 6 。8 0 年代仞丌发研究超低碳贝氏体钢，超低碳贝氏 体钢在成分上采用c 、m n 、m o 、b 、t i 、n b 的良好配合，形成完全贝氏体组织，通过 适当的合金元素调整和控轧工艺的完善，可获得高强度和良好的强韧性组织，进入9 0 年代后，高钢级油井管大部分是以c 、m n 、m o 、c r 、t i 、n i 及其少量微合金的合理匹 配，水淬后获得足够量的马氏体组织，回火后依然可得到高强度和良好的强韧性组织。 ， ， 内蒙古科技人