（材料加工工程专业论文）n80级hfw套管强韧性影响因素研究.pdf

论文题目：n 8 0 级h 冈套管强韧性影响因素研究 专业：材料加工工程 硕士生：茹成章( 签名) 指导教师：王新虎( 签名) 摘要 近年来，随着我国西部油气田、近海油田的勘探开发和增产措施的实施以及套管服 役环境的逐渐恶劣，石油套管需求结构情况发生了明显变化，不仅套管用量大幅度增加， 而且性能要求也逐渐提高，如高强度高韧性套管，抗硫抗高温套管等。高频电阻焊接 o t f w ) 套管具有生产效率高、制造成本低、尺寸形状精度高等优点得到了迅速发展。 本文重点对n 8 0 级高频焊接套管的强度和韧性的影响因素进行深入研究。首先在对 国内外高频焊接套管研究情况调研的基础上，总结高频焊接套管在服役过程中的问题， 指出高频焊接套管焊缝是h f w 套管的薄弱环节。其次针对高频焊接套管的焊缝选取国 内不同厂家的n 8 0h f w 套管进行材料性能试验和全尺寸实物性能试验，并对其试验数 据结果进行分析。 通过对试验结果进行对比和分析认为套管的母材即带钢的性能对高频焊接套管的强 度和韧性的影响是至关重要的。焊管专用带钢坯料的化学成分决定其最终的金相组织， 而化学成分、金相组织共同影响h f w 套管的综合机械性能。从本文试验结果知，化学 成分以碳锰钢或低合金高强度钢、金相组织以细晶粒回火索氏体的热机械轧制钢带经冷 成型后高频焊接，然后对焊缝区进行热处理生产的h f w 套管综合性能较为优异。该h f w 套管与无缝套管相比，不仅在材料力学性能上，包括抗拉强度、屈服强度和冲击韧性等 都比无缝套高，而且h f w 套管在抗粘扣、抗静水压爆破、抗外压挤毁和拉伸强度等实 物性能方面比无缝套管好。 关键词：n 8 0h f w 套管强度韧性组织 论文类型：应用研究 ( 本文得到中国石油天然气集团公司研究资金的资助) i i 英文摘要 s u b j e c t ：e f f e c t i n gf a c t o r ss t u d yo ns t r e n g t ha n dt o u g h h e s so f n 8 0h f w c a s i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r na n do f f s h o r eo i l f i e l d a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es t i m u l a t i o nm e a s u r e s ，a n db a ds e r v i c ee n v i r o n m e n to fc a s i n g g r a d u a l l y ，o i lc a s i n gd e m a n ds t r u c t u r ec h a n g e so b v i o u s l y ，n o to n l yt h ei n c r e a s ei nq u a n t i t yo f u s i n gg r e a t l y ，a l s ot h ei m p r o v ei nt h ep r o p e r t i e sr e q u i r e dg r a d u a l l y ，s u c ha sh i g hs t r e n g t ha n d l l i g ht o u g h n e s s o i l c a s i n g ，r e s i s t a n c et oh i ：g ht e m p e r a t u r ea n ds u l f u rc a s i n g ，e t c t h e h i 曲f r e q u e n c yr e s i s t a n c ew e l d i n g ( h f w ) c a s i n gh a sd e v e l o p e dr a p i d l y 淅t ht h ea d v a n t a g eo f l l i g l lp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，h i g hp r e c i s i o ni ns i z ea n ds h a p e m l i sp a p e rm a i l l l ys t u d yf a c t o r so ns t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fn s 0g r a d eh i g hf r e q u e n c y w e l d i n gc a s i n g f i r s ts u m su pt h ep r o b l e m si nt h ep r o c e s so fc a s i n gs e r v i c eb a s e do nt h e r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ed o m e s t i ca n dt h ea b r o a d ，a n dp o i n t so u tt h a tt h ew e l ds e a mo fh i g h f r e q u e n c yw e l d i n gc a s i n g i st h ew e a kl i n ko fh f wc a s i n g s e c o n d l yc o n d u c tm a t e r i a l p e r f o r m a n c et e s ta n dt h ef u l ls c a l et e s tw i t hd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e rn 8 0h f wc a s i n ga i m e da t h f w c a s i n gs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，a n da n a l y s i st h et e s td a t a b yc o m p a r i n ga n da n a l y s i so f t h er e s u l t so ft h et e s t , i tc a nb ec o n c l u d et h a tt h ep r o p e r t i e s o ft h es t r i p ，t h eb a s em e t a lo fh f wc a s i n g ，i sc r u c i a lt ot h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fh f w c a s i n g t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h es t r i pu s e df o rw e l d i n gd e t e r m i n e st h eh f wc a s i n g ， a n dt h ec a s i n gm i c r o s 仃u c t i l r ec o m b i n e dw i t ht h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h es t r i pe f f e c to f t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a s i n gh f w ：k n o w i n gf r o mt h er e s u l t so ft h et e s tt h a tt h eh f w c a s i n gm a d eo f t h es t r i pb yc o l df o r m i n ga n dh e a tt r e a t m e n to nh f ws e a n l ，w h i c hi st h eh e a t m e c h a n i c a lr o l l e ds t e e lw i t l lt h ec a r b o ns t e e lm a n g a n e s eo rl o wa l l o yh i g hs t r e n g t hs t e e l ，a n d w i t ht h ef i n e da n dt e m p e r e ds o r b i t e ，p o s s e s s e so u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s c o m p a r e d 、) l ，i t l l s e a m l e s sc a s i n g ，t h a th f wc a s i n gn o to n l yi nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ，i n c l u d i n g t e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n di m p a c tt o u g h n e s si sb e t t e r , a l s oi nt h ef u l ls c a l et e s t p r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt h ea n t i - g a l l i n g ，a n t i - h y d r o s t a t i cp r e s s u r eb u r s t i n g ，t h ea n t i - c o l l a p s e s t r e n g t h ，a n da n t i t e n s i l ef a i l u r e k e y w o r d s ：n 8 0h f wc a s i n gs t r e n g t h t o u g h n e s s m i c r o s t r u c t u r e t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n d f u n d a m e n ts t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o n o fc n p c ) i l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的意义 随着我国西部油气田以及近海油田的勘探开发和增产措施的实施，石油套管需求结 构情况发生了明显变化，如各种套管用量大幅度增加，高强度高韧性套管等性能要求逐 渐提高。西部地区的油气井大多数为深井，而且地质条件复杂，致使套管服役条件更加 恶劣，就相应地对套管性能提出了更高的要求。在我国西部油田，一口油井的成本为几 千万元，甚至上亿元人民币，套管损坏有时甚至会导致整个油井的报废【1 1 。因此，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。所以，套管的安全可靠 性、使用寿命对石油工业关系极为重大。为此，加快探究低成本高强韧性套管影响因素 具有很大的必要性。 目前套管除采用无缝钢管外，还采用直缝高频电阻焊( h f w ) 管。直缝高频电阻焊接 制管是最快和最有效的制管方法。h f w 套管多采用热轧板卷作为原料，系低碳微合金化 钢，经冷弯成型为管坯，利用高频电流的集肤效应和临近效应将管坯缝边缘加热至熔融 状态，再施加挤压力焊接成钢掣2 1 。其尺寸精度高，如壁厚均匀度控制误差在2 m m 以内， 其内毛刺高度控制在0 2 m m 至+ o 5 m m 范围内制成的h f w 焊管，可用于制造高抗挤等 性能的高端的油套管【3 】。 国外油田目前大量使用直缝高频焊接套管，在其焊管总产量中，据不完全统计，h f w 焊管量占焊管总量的8 0 左右，全世界每年生产油套管约8 0 0 万吨，其中h f w 油套管 约占5 0 ，特别是a p is p e c5 c t 标准中第l 组的h 4 0 、j 5 5 、k 5 5 、n 8 0 等钢级，在日本 和美国基本上是用h f w 焊管来制作，而不用无缝管【4 1 。而国内只有部分油田采用高频焊 接套管，以h 4 0 、j 5 5 居多，也有部分油气田使用n 8 0 ，并且多数依靠进口，其主要关 键问题是国内高频焊接套管的焊缝强度和韧性不足【5 1 ，为攻克这个壁垒，急需研究n 8 0 级高频焊接套管强韧性影响因素，以改善和提高h f w 套管强度和韧性等性能，为n 8 0 级h f w 套管的生产提供技术依据，因此研究n 8 0 级h f w 套管强韧性影响因素具有重 要意义。 1 2 国内外研究发展概况 套管的选用须以较高性价比为原则，否则会直接影响到石油生产的经济效益，满足 不了低成本开发的要求【6 】。在进一步降低油气井开发成本的同时应保证套管的安全可靠， 这就需要低成本高性能的套管。h f w 套管与无缝管相比，h f w 焊管不但价格比无缝管 低1 0 至1 5 ，而且性能优良【_ 7 1 。具体而言就是由于尺寸精度高，用h f w 焊管制造的 高抗挤套管性能更好，无缝管在性能及价格方面无法达到。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 1国外h f w 套管研究发展状况 在发达国家h f w 套管已取代了相当一部分无缝套管，用量占套管的5 0 以上。特 别是a p is p e c5 c t 标准中第1 组的h 4 0 、j 5 5 、k 5 5 、n 8 0 在日本和美国基本上是用h f w 焊管来制作，而不用无缝管【8 】。国外h f w 套管发展状况总体可以分为三个阶段。 第一阶段是h f w 套开始生产与应用阶段。美国是最早生产使用h f w 套管的国家， 早在2 0 世纪6 0 年代初，h f w 套管生产量不大，主要受当时钢材冶炼水平，产品仅局限 于低钢级的h 4 0 和j 5 5 等套管，并且大部分只作为表层套管使用和浅井中使用，加上价 格低廉等优势而被尝试使用。 第二阶段是大批量生产与推广应用阶段。2 0 世纪8 0 年代初，随着n 8 0 级板材的试 验成功和人们对h f w 套管认识的提高，全世界约有1 7 个国家的4 2 家公司生产h f w 油 套管，使h f w 套管的应用以每年5 至1 0 的比例迅速增长 9 1 。1 9 9 6 年全世界共生产 h f w 套管约7 x 1 0 5 t ，占当年油套管总产量的2 2 。美国所使用的h f w 套管占其总量 的4 0 以上，日本方面则认为7 6 8 的油套管可用h f w 钢管来生产【1 0 】。这一阶段已成 熟的h f w 套管的钢级有h 4 0 、j 5 5 、n s 0 、和l 8 0 等。 第三阶段是h f w 套管向特殊用途套管和超深井方面发展阶段。近些年，h f w 套管 凭借其性能良好、精度高、成本低等优势逐步深入到超深井和特殊用途套管发展，如高 抗挤压套管、高强度套管、高抗硫化氢套管等。 1 2 2国内套管研制开发现状与进展 2 0 世纪8 0 年代以前，我国油气田中使用的套管都是无缝管加工的，8 0 年代末才开 始引进和试用h f w 套管。1 9 8 5 年原石油部从日本引进了少量h f w 套管进行试验，其 中大部分为j 5 5 钢级的表层套管。1 9 8 5 年至1 9 9 9 年，我国进口日本h f w 套管共计3 2 万吨，先后在大庆、胜利、辽河、中原、长庆等油田进行应用试验，其钢级有j 5 5 和n 8 0 套管，直径为1 2 7 m m 至5 0 8 m m 1 1 。随后原石油工业部科学技术司曾组织大庆油田、石 油管材研究所、胜利油田3 家单位通过了对“h f w 套管的开发研究及其推广应用项目 的评审鉴定，鉴定意见为：h f w 套管不但能达到表层套管和技术套管的要求，而且能满 足油层套管的技术要求【l2 1 。受国际供货渠道和对外购货政策关于从国外订货时要求国外 厂商以低于无缝钢管1 0 以上的价格供货等多方面的影响，致使h f w 套管在国内没有 大面积推广【1 3 】。 2 0 世纪9 0 年代，中国石油天然气集团公司下属的宝鸡石油钢管厂引进了美国p m c 先进生产工艺和设备，建成了国内首条年产能达1 0 万吨j 5 5 级表层套管生产线。2 0 0 1 年，宝鸡石油钢管厂同日本住友金属株式会合资，借鉴国外的先进管理经验，使年产量 首次突破7 万吨，使h f w 套管在国内的使用量才得以增加。2 0 0 4 年1 0 月，宝山钢铁股 份有限公司也建成了一条先进的h f w 生产线【1 4 】。 第一章绪论 我国越来越多深井、超深井急需大量高强度、高韧性套管，所以我国油田应该广泛 采用h f w 套管，不但可以提高套管安全可靠性，而且将进一步降低开发成本，提高生 产效益。 目前国内h f w 套管使用比例低的主要原因是焊缝问题及对h f w 套管的认识问题。 随着人们对焊缝认识的不断深化，在使用过程中出现焊缝沟腐蚀问题，灰斑问题，母材 与焊缝的“等韧性”匹配问题，钢材分层及断口分离问题，以及硬度偏低的耐磨性问题 等【l5 1 。国内主要使用h f w 套管钢级为j 5 5 ，类别多为表层套管，螺纹种类单一如a p i 等，高抗挤、特殊螺纹h f w 套管非常缺乏。1 9 9 6 年颁布的行业标准直焊缝套管国外 订货技术条件只对n 8 0 级以下h f w 套管给出了检测评价标准，没有更高级h f w 套 管选材技术标准、焊缝性能指标以及h f w 特殊性能套管技术标准【1 6 】。套管的制造方法、 热处理、潜在的制造缺陷如椭圆度、偏心度、残余应力、制造裂纹及裂纹检测确信度等 引入套管强度计算标准。新的i s 0 1 0 4 0 0 中套管的强度计算标准将使套管生产厂家和用 户面临新的挑战，厂家必须给出自己产品对应于i s 0 1 0 4 0 0 标准的分类、计算方法和强 度值，用户必须制定自己的验收检验方法和标准【1 7 】。 高抗挤套管应用及检测评价技术，包括考虑在复合载荷作用下的挤毁行为，套管几 何参量和质量特性的厚壁套管和高抗挤套管的抗挤强度计算方法、套管抗挤设计方法、 高抗挤套管性能指标和检测评价方法技术等均需亟待解决和完善。 由于h f w 套管与无缝套管相比具有尺寸精度高、焊缝韧性好、抗挤压性能好、质 量易于控制以及成本低等优势，使许多新的h f w 钢管生产线相继投产，国内生产h f w 钢管在外径、壁厚、钢级、力学性能和种类都有很大的突破。 a 高抗射孔开裂套管我国大庆油田等东部油田陆相沉积砂岩油田层系多、薄互层 多，大多采用j 5 5 钢级油层套管射孔完井，早期注水分层开发。2 0 世纪9 0 年代初发现： j 5 5 钢级油层套管射孔后裂孔率高，裂孔长，使薄油层互层串通而无法分层注水开发； 套管裂孔使油层套抗外挤能力剧降，注水外压挤毁套管；射孔内毛刺高，影响采收作业 1 8 】。大庆油田、宝钢、中国石油集团石油管工程技术研究院( 原中石油管材所) 合作开展 抗射孔开裂j 5 5 钢级油层套管的开发研究j 制定出j 5 5 钢级套管射孔开裂判据，宝钢开 发的抗射开裂j 5 5 钢级套管成功应用于大庆油田【1 9 】。 b 非调质n 8 0 套管油井管中的绝大多数是油套管，其中j 5 5 ，n 8 0 级套管用量占 套管总用量的8 0 左右，而n 8 0 级套管年用量增长率最大【2 0 1 。因此，优化n 8 0 h f w 套 管生产工艺，提高产品质量，降低其生产成本，受到生产厂家的关注。a p is p e c5 c t 第 7 和第8 版均规定允许n 8 0 级油套管按n 8 0 一l ( 非调质) 和n 8 0 q ( 调质) 两种类型供货； n 8 0 1 类如无补充要求，则不需要进行夏比冲击试验。随着2 0 世纪9 0 年代中期美国开 发了m n 。m o ，m n v 系非调质油套管，阿根廷、德国、西班牙等国的多家油套管生产厂 也进行了类似合金系列的非调质油套管的开发，我国主要生产厂引进设备时也引进了相 应非调质钢生产技术，此后又有多个工厂进行了自主开发。n 8 0 非调质系列钢主要有 西安石油大学硕十学位论文 m n m o 、m n v 、m n s i 等中碳贝氏体型和降m n 的m n t i n b 、m n v - n 等细晶铁素体+ 珠光体型，其生产工艺相对比较简单，成本低，使n 8 0 1 应用相当普遍【2 1 1 。生产实践表 明：合金成分控制和再加热正火工艺的控制是n 8 0 1 套管生产的关键。如果失控，中碳 贝氏体型n 8 0 1 的油套管就会产生大问题，其主要失效形式是管体断裂、碰伤孔洞、端 部裂纹及接箍开裂，其原因是套管材料的韧性太低，冲击断口基本上为全脆性断口，与 调质n 8 0 级套管的韧性相比，冲击功相差6 至1 0 倍，断口形貌转变温度f a t t 5 0 相差 1 1 0 以上；套管材料的晶粒粗大，存在上贝氏体、魏氏组织和淬火马氏体组织，造成其 韧性低劣，是由于套管材料成分设计欠妥和生产工艺控制失误造成的【2 2 1 。目前，国内部 分工厂和国外已经不再采用中碳贝氏体型n 8 0 1 套管。若仍采用非调质n 8 0 1 级套管， 则最好采用细晶粒铁素体+ 珠光体型的改良型合金设计 2 3 】。 c 高强韧性抗挤套管关于高抗挤套管定义，目前还没有明确的规定。有人把临界 挤毁压力高于a p is p e c5 c t 规定值2 5 至3 0 的套管称为高抗挤套管【2 4 1 。更为普遍的 看法是，高抗挤套管是一种使管体变圆，并消除管体中残余应力，以使椭圆度和残余应 力达到最小的特殊生产过程所获得的产品。许多规格和重量级钢管的高抗挤力是由整圆、 管体实际壁厚和实际屈服强度的控制综合结果来确定的，此外套管的抗挤特性还在很大 程度上受外载荷均匀性的影响【25 1 。在钻井、完井过程中，由于所处的油气井工况不同， 套管柱承受外载包括外压力的情况是比较复杂的，如注水压力达到或超过上覆地层压力 时，大量高压水便窜入泥页岩隔层、地层界面破碎带和断层面，引起地层状态特性和力 学条件的变化，对生产套管产生超常外压力；少注多采的欠注入开发，造成纵横向压力 不平衡，油层孔隙压力下降，管内液面下降，从而使生产套管的有效挤压力超常；区块 两相邻端注采压力不一致造成横向压力不平衡，使套管承受的有效挤压载荷加大；盐岩 层埋藏达到一定深度时，在上覆地层压力作用下就会产生塑性流动，使套管受到挤压； 由于地层出砂造成套管受到径向非均匀外挤压力，因此在地层上覆压力的联合作用下， 套管将发生挤毁和错断；在注蒸汽热采时受轴向和横向压应力的作用，水泥坏台肩侧向 挤压套管螺纹终了处，使该处更易缩径，或使螺纹接头泄漏和压脱，在停注焖井周期的 降温过程中，因受轴向拉伸热应力作用，套管的抗挤能力急剧下降【2 6 】。上述工况都要求 套管具有一定的抗挤压特性，而抗挤特性是对套管强度最基本的要求之一。在深井、超 深井或需隔离塑性流动地层、软泥岩等复杂地层的油气井中，均应考虑采用高抗挤套管。 高抗挤套管的下井深度可大大超过同钢级同壁厚的a p i 套管，还可能超过高钢级同壁厚 a p i 套管，如q 1 2 5 钢级套管的下井深度为3 3 5 0m ，而n t - 9 5 h s 高抗挤套管的下井深度 可达4 3 0 0 m ；同时，使用高抗挤套管可减轻套管柱的重量，增大套管柱内径，并且内径 基本一致，为测试采油、井下作业创造有利条件【2 7 】。 4 第一章绪论 1 3 n 8 0 套管服役环境及失效破坏 - 1 3 1 套管管柱的服役环境 油井管包括钻杆及钻柱构件、套管和油管。根据井深和管柱结构设计，油套管约占 油井管总消耗量绝大多数，而套管约占油套管消耗量的大部分。套管是用于防止地层流 体流动或地层挤坏井壁的管材，它是油气井的永久性部分，其底部被水泥固定在井内， 有时水泥上返至地面 2 8 】。根据固井的目的及套管的功用，一口井内下入的套管可以分为 表层套管、技术套管和油层套管。 套管的服役环境及其失效规律是套管研究开发和选用的重要依据 2 9 1 。套管的服役环 境涉及油田地质，油藏工程，油气井钻井、固井工程，油气开采与开发工程等复杂的环 境条件。 在钻井、固井过程中主要有：旋转转盘钻井时钻柱的转动、起下钻杆接头与管壁的 摩擦；欠平衡钻井，地层油气压力进入井管；钻进异常，如井喷、钻井液喷空及套管内 充满高压油气内压：钻井液中氯离子、溶解氧、磺化泥浆在高温下分解的硫化氢对套管 的腐蚀；下套管及固井过程中管柱下放速度变化产生的动载荷，下套管过程中遇卡或通 过坍塌缩径地层时井壁摩擦产生较大附加轴向力，地层外挤力、固井注水泥浆管内水泥 浆附加轴向拉力【3 0 】。 在油田地质、油藏工程、完井、开采与开发过程中主要有：井的类型如油井、气井； 油层压力及油层温度；地下水性质、p h 值、矿化度以及对套管的腐蚀苛刻性程度；天然 气含硫化氢及二氧化碳等腐蚀性气体；盐岩层和膏岩层的层位、厚度、倾角及其流变； 泥岩、易流变地层、易塌陷地层的蠕动；地层及管内各种腐蚀介质、细菌、单质硫等氧 化剂的作用；油气采收时地层外挤力，长期高压注水、欠注入开发，注蒸汽时的压力、 温度，二氧化碳气举，注聚合物，多次压裂酸化；地层破裂压力梯度；油层出砂”】。 1 3 2 套管的失效损坏 由于套管柱服役的力学、环境条件比较复杂，套管及套管柱的失效或损坏包括下井 前的缺陷及钻井、下套管、固井、完井、测试作业等建井期间的失效；油气开采与开发 全过程中的失效或损坏【3 2 】。 下井前或建井期间主要有：如凹坑、结疤、折叠、分层、裂纹、轧制螺旋裂纹、孔 洞、超标超声波缺陷、毛刺超标、刮毛刺凹槽超标、韧性低、晶粒粗大等制造缺陷；如 套管外螺纹内黑顶扣超标，接箍螺纹较小，长短螺纹的误用和误加工，接箍与外螺纹端 连接j 值小于标准设计值等几何尺寸、螺纹加工及连接缺陷；如大钳牙痕损伤，吊卡内 口磨损损坏造成油套管弯曲变形、滑脱，钻进过程套管磨损，以及固井时套管被挤毁失 稳破坏等机械损伤等【3 3 】。 西安石油火学硕士学位论文 油气开采与开发过程中主要有：由于不合理注水开发如高压注水压力超过开发层上 覆岩层压力，引发油砂层骨架胀大、泥岩层吸水膨胀而产生上浮拉力，泥岩层软化、滑 移对套管柱产生大的外部挤压力导致注水井套管接头泄漏、管体变形、弯曲、错断、破 裂；生产砂层塌陷，断层附近注水井岩层间水窜压力不平衡等对套管柱产生轴向拉力、 外挤力，致使套管接头泄漏，管体变形、弯曲、错断、破裂。疏松砂岩油层出砂套管失 稳变形、挤毁破坏，由于塑性流动及疏松砂岩油层出砂，套管柱受到轴向和径向地层应 力的作用，有效外挤合力超过套管柱的实际抗挤强度，套管柱失稳变形，使套管接头泄 漏或套管柱变形开裂或破裂f 3 4 】。 1 4 高频焊接及高频焊接套管 1 4 1 高频焊接基本原理及特点 高频焊( h i g h - f r e q u e n c yw e l d i n g ，h f w ) 这里主要指高频电阻焊( h i g hf i e q u e n c y r e s i s t a n c ew e l d i n g ，h f r w ) ，即利用7 0 k h z 到5 0 0 k h z 的高频电流的集肤效应和邻近效 应将管坯边缘加热至熔融状态，再施加挤压力而进行焊接的方法，又称高频对接缝焊， 主要应用在机械化或自动化程度比较高的管材、型材生产线中，焊件材质可为钢、有色 金属，管径为6 m m 至1 4 2 0 m m 、壁厚为o 1 5 m m 至2 0m m 【35 1 。集肤效应是指以一定频率 的交流电流通过同一个导体时，电流的密度不是均匀地分布于导体的所有截面的，它会 主要向导体的表面集中，即电流在导体表面的密度大，在导体内部的密度小，所以称之 为“集肤效应”。频率越高，电流就越集中在钢板的表面；频率越低，表面电流就越分 散。钢铁磁导率会随着温度升高而下降，当钢板温度升高的时候，磁导率会下降，集肤 效应会减小【36 | 。邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时，电流会向两个 导体相近的边缘集中流动，即使两个导体另外有一条较短的边，电流也并不沿着较短的 路线流动，把这种效应称为“邻近效应”。邻近效应本质上是由于感抗的作用，感抗在高 频电流中起主导的作用。邻近效应随着频率增高和相邻导体的间距变近而增高，如果在 邻近导体周围再加上一个磁心，那么高频电流将更集中于工件的表层。这两种效应是实 现金属高频焊接的基础。高频焊接就是利用集肤效应使高频电流的能量集中在工件的表 面，又利用邻近效应来控制高频电流流动路线的位置和范围。h f w 套管焊缝应加热至高 于5 4 0 进行热处理，或采用某种方法使焊缝中不存在回火马氏体组织【3 7 1 。 根据高频电能导入方式，高频焊接基本类型分为高频接触焊和高频感应焊二类。 在高频接触焊中，首先带钢成形为管坯，并在挤压辊作用下使对口两端呈v 形，即 构成v 形焊接区，v 形的顶点称会合点。高频接触焊接时电流从电极直接输入，由于电 流集肤效应和邻近效应的作用，使电流主要集中于v 形焊接区端面表层，并在邻近会合 点处电流密度最大，因而焊透性极好【38 1 。同时，为集中v 形回路磁场、增大管坯内表面 感抗而减小分流，需在管坯的内部安置磁铁心阻抗器。第二类为高频感应焊，焊接时， 感应器通过高频电流而在管坯的内部会产生高频感应电流，可分为两部分：其中流过v 6 第一章绪论 形焊接区域者即为焊接电流；另一部分则从管坯的外围表面流向内周表面形成循环电流 并引起较大的能量损失【”】。 高频焊的加热特点。高频焊的热源是高频焊接电流流过v 形焊接区域所析出的电阻热。 焊接区域的温度呈梯度分布。v 形焊接区域可为加热区间、挤压顶锻区间。温度在加热 区间沿管坯剖面的中层面方向分布。由于集肤效应和邻近效应的强烈作用，越靠近对口 端面表层电流密度越大，加热强度越大，因而该处温度亦越高；在加热区间沿指向会合 点方向的不同位置上，加热强度逐渐增大，由于管坯对口端面形成v 形回路使邻近效应 逐渐加强，电流密度逐渐增大而使加热强度增大，因而该位置上温度亦越高，加热深度 亦越大。会合点及其邻近区域温度已超过金属熔点形成液态金属层，此时可能出现连续 喷射的细小滴状火花，使焊口获得了需要的焊接温度，为挤压顶锻焊接创造了条件。管 坯对口沿厚度加热温度是否均匀，即管坯对口内、外圆周表面温度是否达到相同，将直 接影响焊接质量f 4 们。 高频焊接主要特点有以下几点： 1 ) 焊接速度高。这是由于电能高度集中，焊接区域加热速度极快，焊接速度可达 1 5 0 至2 0 0 m m i n 时仍不会产生“跳焊”现象。 2 ) 热影响区小。这是因焊接速度高，工件自冷作用强，热影响区比较狭窄而且不容 易发生氧化，从而可获得良好组织与性能的焊缝。 3 ) 待焊处表面可不必进行焊前清理。 高频感应焊管与高频接触焊管相比其优点有： 1 ) 焊管表面光滑，特别是焊道内表面较平整。 2 ) 感应圈不与管壁接触，故对管坯接头及表面质量要求比较低，与高频接触焊接不 同，不会引起管子表面烧伤。 3 ) 因不存在电极( 滑动触头) 压力，故不会引起管坯局部失稳变形，也不会引起管 坯表面镀层擦伤，因此能适宜于制造薄壁管和涂层管。 4 ) 不用电极，因而省料省时，亦不存在电极脱离工件造成功率传输不稳而影响焊接 质量等问题。但是，高频感应焊能量损失较大，在使用相同功率焊制同种规格管子时， 其焊接速度仅为高频接触法的1 2 或1 3 ，因而对中、大径管的焊接制造时以选用高频接 触法为宜。 1 4 2 高频焊接的主要焊接指标 获得优质高频焊接接头主要取决于能否建立理想焊接状态以及是否能将氧化物及其 他杂质挤出对口焊缝区。该问题的关键是在焊接区域的板内、外边缘获得一致的温度， 并使挤压量与加热温度有适当的匹配【4 1 1 。除材质因素外，还要考虑高频焊接主要指标有： 电源频率、管坯的坡口形状、会合角、电极和感应圈及阻抗器的安放位置、输入功率、 焊接速度、焊接挤压力等。 7 西安石油大学硕士学位论文 a 电源频率提高电源频率利于电流的集肤效应和邻近效应发挥，提高焊接效率， 但要获得优质焊缝，频率选择主要取决于管坯材质及其壁厚。由于有色管的热导率较高， 一般焊有色管的频率比焊接碳钢管时的频率高；另外焊薄壁管时选择频率高些，焊管壁 厚时选频率低些。 b 管坯的坡口形状通常采用i 形坡口，可使沿厚度方向加热均匀，而且坡口准备 容易。当管坯厚度较大时，为避免坡口横断面的中心部分加热不足，其上、下边缘加热 过度，这时可选用双v 形坡口以使横断面加热均匀，焊后接头硬度亦趋向一致。 c 会合角会合角的大小对高频焊闪光过程的稳定性、焊缝质量、焊接效率均有很 大影响，通常取2 度到6 比较适宜。会合角过小，将使闪光过程不稳定，焊缝中易产生 火口、针孔等缺陷；会合角过大，将使邻近效应减弱，功耗增加，并易引起管坯边缘产 生折皱【4 2 1 。 d 电极、感应圈及阻抗器安放位置 ( 1 ) 电极位置在高频接触焊中，电极安放位置应尽可能靠近挤压辊轮，与其中心 线距离取2 0 m m 到1 5 0 r a m ，焊铝管时取下限，焊壁厚l o m m 以上低碳钢管时取上限，见 表1 1 。 表1 - 1电极位置( 低碳钢) ( 2 ) 感应圈位置在高频感应焊中，感应圈应与管子同心放置，其前端距两挤压辊 轮中心连线亦应尽可能靠近( 表1 2 ) 。同时，应注意感应圈宽度a 与管坯直径d 关系为 a = ( 1 0 至1 2 ) d ；感应圈内径与管坯表面问隙h 约为3 m m 至5 m m 。 表卜2 感应圈位置( 低碳钢) ( 3 ) 阻抗器位置阻抗器应与管坯同轴安放，移动阻抗器、感应圈的前后位置，均 可加强或减弱对口边缘加热，调节板厚方向内外温度至接近一致。通常阻抗器前端可超 出两挤压辊轮中心线3 m m 至4 m m ，但可能使拖走阻抗器的次数增加，影响焊接生产正 常进行，所以在保证质量条件下，也可以选为零值或不到辊中心边线l o m m 至2 0 m m 。 同时，阻抗器的截面积应约为管坯内圆截面积的7 5 ，且与管坯内壁之间隙为6 m m 至 1 5 m m 4 3 1 。 e 输入功率生产中用振荡器输入功率来度量热输入焊缝功率。输入功率小时，因 管坯坡口砸加热不足，达不到焊接温度而产生未焊透缺陷：输入功率过大，将使坡口面 加热温度过高而引起过热或过烧，甚至使焊缝击穿，造成熔化金属严重喷溅而形成针孔 或夹杂缺陷。 第一章绪论 f 焊接速度焊接速度是主要焊接参数m 】。随着焊接速度提高，管坯坡口面挤压速 度会随着提高，这有利于将焊接区液态金属层和氧化物被挤出去，得到优质固相连接。 然而，在输入功率一定情况下，焊接速度不可能无限制提高，否则将达不到理想的焊接 温度。焊接速度v 可用下式估算： v = p k i k 2 6b ( m r a i n ) ( 1 一1 ) 式中p 高频振荡器输入功率( 1 ( w ) ； k l 与管坯材质有关的经验系数，见表1 3 ； k 2 与管径有关的修正系数，高频接触焊接取1 ，高频感应焊接见表1 - 4 ； 6 管坯壁厚( m m ) ； 卜坡口两边加热区宽度( c m ) ，一般设b = 1 0 m m 。 表卜3 管坯材质系数k 1 值 g 焊接压力焊接压力是高频焊主要焊接参数，在生产上以管坯被挤压的量来表示， 它是通过改变挤压辊轮间距来调节的。 1 4 3 高频焊接套管的特点、分类及级别 目前钢管制造类型主要有两大类，无缝钢管和焊接钢管，其常用规格、种类、原材 料、成型及热处理状态见表1 5 所示【4 5 1 。油气田勘探开发中所使用的套管也存在有两种 类型：无缝套管和焊接套管，其中焊接套管中有螺旋埋弧焊管、直缝埋弧焊管、直缝高 频电阻焊管等。h f w 套管在焊后必须对焊缝进行热处理和焊缝飞边、修整，其中焊缝外 飞边和修整至基本平齐状态，内飞边和修整高度不应超过1 1 4 m m ，凹槽深度不应大于 o 3 8 m m 或壁厚的0 0 5 倍【4 6 1 。h f w 套管比无缝管具有生产效率高、制造成本低、尺寸形 状精度高、适宜生产高性能钢管等明显的特点。 9 西安石油大学硕十学位论文 表卜5 钢管种类、原材料、成型及热处理状态 钢管种类 原材料钢管成型热处理状态 热处理状态符号 形变正火 n 正火n 热成型 无缝 铸坯或钢锭 淬火加网火 q 正火n 热成型及冷精加工 淬火加回火 q 轧制形变正 焊接区正火n 火钢带 焊接区热处理m 轧制形变热 焊接区热处理 和应力消除( 整m 处理钢带 冷成型 根钢管) 高频焊接 ( h f w ) 正火( 整根钢 管) n 热轧制或轧 淬火加回火( 整 制形变正火 根钢管) q 钢带 冷成型和控温下的热张力减径使 n 其产生正火效果 冷成型和形变热处理( 整根钢管) |m 套管是支撑油气井井壁的钢管。根据每一口井的不同钻井深度和地质情况使用套管。 套管下井后要采用水泥固井，它与油管、钻杆不同，不可以重复使用，属于一次性消耗 材料。套管按使用情况可分为表层套管、技术套管、油层套管和导管。 表层套管主要用于第一次开钻，处于松软地层到基岩，为了避免部分地层坍塌，需 用表层套管进行封固。下管深度取决于松软地层的深度，一般为8 0 m 至1 5 0 0 m 。 技术套管主要用在复杂地层的钻进过程中，当遇到坍塌层、油层、气层、水层、漏 失层、盐膏层等复杂部位时，都需要下技术套管封固，否则钻井就无法进行。有些地层 较复杂，而且下井深度达数千米，这种深井需要下几层技术套管，其力学性能和密封性 能要求都很高，采用的套管钢级也较高，除k 5 5 以外，更多是采用n 8 0 和p 1 1 0 钢级， 有些深井还采用q 1 2 5 甚至更高的非a p i 标准套管如v 1 5 0 。 套管用接箍尺寸圆螺纹套管和偏梯形螺纹套管用标准接箍尺寸和重量见表1 - 6 。油 层套管在各类套管中下井深度最深，其力学性能和密封性能要求也是最高。油层套管的 主要规格如表1 7 所示。 1 0 第一章绪论 表1 6 套管标准接箍尺寸和重量 套冀规接曩外 面面匾夏堕匿堂塑二苌面礞夏一 偏梯形螺纹 三l 三 最小长度 萼量 最小长度 雩量 最小长度 鼍量 里里竺曼堡里苎曼 里里鉴曼 11 4 3 0 1 2 7 0 01 5 8 7 53 6 21 7 7 8 04 1 5 2 2 5 4 24 5 5 1 2 7 0 0 1 4 1 3 01 6 5 1 04 6 61 9 6 8 55 7 5 2 3 1 7 85 8 5 13 9 7 015 3 6 7 1 71 4 55 2 32 0 3 2 06 4 22 3 4 9 5 6 3 6 1 7 7 8 01 9 4 4 6 1 8 4 1 58 3 92 2 8 6 0 1 0 8 3 1 5 4 0 0 l o 5 4 1 9 3 6 8 2 1 5 9 01 9 0 5 01 2 3 02 3 4 9 51 5 6 32 6 3 5 2 1 5 8 2 2 4 4 4 8 2 6 9 8 81 9 6 8 51 8 0 32 6 6 7 02 5 4 5 2 6 9 8 82 3 1 6 2 7 3 0 52 9 8 4 52 0 3 2 0 2 0 7 8 一一 2 6 9 8 8 2 8 0 3 3 3 9 7 3 3 6 5 1 22 0 3 2 0 2 5 6 62 6 9 8 8 3 1 7 7 表1 - 7 套管常用规格 尺寸代重量外径d壁厚s内径 号代号 m l i lm md 姗 计算重量 平端 因端部加工螺纹而增减的重量，埏 k g m 短圆螺纹长圆螺纹标准偏梯形螺纹 4 1 29 5 0 1 1 4 35 2 11 0 3 8 81 4 0 21 9 l 一一 4 1 21 1 6 0 1 1 4 36 3 51 0 1 6 01 6 9 11 5 41 7 2 2 0 9 51 3 0 0 1 2 7 06 4 31 1 4 1 41 9 1 22 1 82 6 3 2 9 9 5 1 5 0 01 2 7 07 5 21 1 1 9 62 2 1 61 9 l 2 3 62 6 3 5 1 21 4 0 01 3 9 7 6 2 0 1 2 7 3 0 2 0 4 1 2 4 5一 一 5 1 21 5 5 01 3 9 7 6 9 81 2 5 7 42 2 8 52 1 82 6 3 2 9 0 5 1 21 7 0 01 3 9 7 7 7 21 2 4 2 62 5 1 3 2 0 2 4 5 2 6 3 5 1 22 0 0 0 1 3 9 79 1 71 2 1 3 62 9 5 2 2 02 0 9 5 1 22 3 0 0 1 3 9 71 0 5 41 1 8 6 23 3 5 7 1 4 5 1 5 4 72 3 0 01 7 7 8 8 0 5 1 6 1 7 0 3 3 7 0 3 6 3 4 7 2 4 9 9 72 6 0 0 1 7 7 89 1 91 5 9 4 23 8 2 l3 2 74 2 6 4 3 5 72 9 0 01 7 7 81 0 3 61 5 7 0 84 2 7 8 3 6 33 7 2 73 2 0 0 1 7 7 81 1 5 l1 5 4 7 84 7 2 0一2 9 9 3 0 8 7 5 8 2 6 4 01 9 3 6 8 8 3 3 1 7 7 0 23