CN101149319A

CN101149319A - 一种13Cr油井管试验实物制备方法

Info

Publication number: CN101149319A
Application number: CNA2006101132658A
Authority: CN
Inventors: 李为卫; 刘迎来; 熊庆人; 赵新伟; 韩新利; 冯耀荣
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: CN100548559C

Abstract

本发明涉及一种用于13Cr马氏体不锈钢材料制成的石油钻井用油管、套管实物试验时与35CrMo或30CrMo材料夹头的焊接方法，将试验的油井管材，两端加工成焊接坡口，据焊接坡口端面100mm距离处加工若干沿周向均匀分布的塞焊孔；将两件试验夹头的一端加工成坡口与试验管焊接，另一端外部或内部加工有螺纹，与试验设备连接；塞焊焊缝根部与夹头焊接在一起，侧面与试验管连接在一起；或/和沿管子均布一圈加强筋，材料为低合金高强钢，多个沿管子一圈均布，采用角焊缝与夹头和试验管连接在一起；在高温、高压、反复加载试验条件下，焊接接头完好，解决了13Cr油管实物试验时与夹头的连接问题，较采用螺纹+胶密封结构，可靠性和成功率高，试验周期短，提高工作效率，降低了试验成本。

Description

一种13Cr油井管试验实物制备方法

技术领域

本发明涉及一种13Cr马氏体不锈钢材料石油钻井油管或套管和35CrMo或30CrMo等类材料夹头焊接制备试验实物的方法。

背景技术

油气生产过程中，材料往往处于高温、高压环境和气、水、烃、固共存的多相流腐蚀介质中。腐蚀是金属材料主要失效形式之一，石油和天然气开发与加工行业历来是腐蚀比较严重的几个行业之一，而且几乎涉及到各种腐蚀类型，每年因腐蚀问题造成的损失巨大。加强腐蚀防护，可以为石油工业带来巨大的经济效益，采用耐蚀性能优良的材料是腐蚀防护的主要方向之一。

塔里木油田克拉气田含有较高浓度的腐蚀性介质，井下大量采用13Cr油井管，包括两种类型，其典型的化学成分见表1。由于高温、高压和腐蚀性环境，对管子的质量要求很高，对管子的性能进行试验评价是保证工程用管质量的有效手段。

表1两种13Cr不锈钢典型的化学组成(wt％)

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V
元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	V	普通13Cr	0.18	0.33	0.48	0.020	0.001	12.94	0.013	0.10	0.048
超级13Cr	0.029	0.40	0.20	0.021	0.005	12.79	0.98	4.46	0.03	普通13Cr	0.18	0.33	0.48	0.020	0.001	12.94	0.013	0.10	0.048

进行13Cr油井管的实物试验评价时，两端需要与夹头连接，然后才能连接到试验设备上。进行高压密封试验时，夹头还起到堵头的密封作用。根据国外供货方提供的技术，该结构不能焊接，需要采用螺纹+胶密封结构，国外生产厂家实验室均采用这种结构。我们按国外提供技术进行的三根油井管实物实验，两件在螺纹+胶密封结构部位失效，试验失败。采用焊接方式连接，对焊接的要求是试验时不能在焊缝或热影响区部位断裂或泄漏。这对焊接接头的性能要求主要有三点：(1)焊缝和热影响区不能产生裂纹等焊接缺陷；(2)焊缝要有足够的强度，热影响区不能在焊接过程中产生明显的软化；(3)焊缝和热影响区要有一定的韧性和疲劳强度，不能产生脆断和疲劳开裂。13Cr油井管和35CrMo材料夹头两种材料的成分和冶金性能相差很大，又均为马氏体组织，焊接性很差。焊接后13Cr材料热影响区会不会明显软化或脆化，两种材料能否很好的结合(能否形成没有冶金缺陷的焊缝)，以及接头的性能能否满足试验要求(不能在焊接接头处断裂或泄露)是确定焊接工艺的难点和关键点。

发明内容

本发明的目的是采用焊接工艺，解决13Cr不锈钢材料和35CrMo或30CrMo材料的连接问题，保证高温、高压压力试验和轴向拉伸或压缩试验时焊接接头不会出现泄漏或断裂。

本发明涉及的材料为13Cr不锈钢油井管和试验用35CrMo或30CrMo夹头，进行高压密封试验时，夹头还起到堵头密封作用。

具体技术特征包括：

(1)结构：首先将试验的油井管材，两端加工成焊接坡口，距焊接坡口端面100mm处加工若干沿周向均匀分布的塞焊孔；将两件试验夹头的一端加工成坡口和试验管材焊接，另一端外部或内部加工有螺纹，与试验设备连接；塞焊焊缝根部与夹头焊接在一起，侧面与试验管连接在一起；或/和沿管子均布一圈加强筋，材料为一般低合金高强钢，多个沿管子一圈均布，采用角焊缝与夹头和试验管连接在一起；

(2)焊接方法：选用电弧焊，设备为直流焊机，极性为反接，焊接材料选用铁素体-奥氏体双相不锈钢焊条，其熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为21.0-23.5％、Ni为8.5-10.5％、Mo为2.5-3.5％、Mn为0.5-2.0％、Si≤0.9％、P≤0.04％、S≤0.03％、N为0.08-0.20％、Cu≤0.75％；

这种焊接材料焊缝金属的典型力学性能可以达到屈服强度612MPa，抗拉强度855MPa，延伸率27％，-20℃夏比冲击功50J。

(3)焊前要对工件进行预热，温度达到150～200℃时开始焊接，焊接过程控制层间温度在150～250℃之间；

由于夹头较厚，预热及后热时工件要热透，否则降温很快，焊缝或热影响区可能出现裂纹。

(4)采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的原则是合适大小的电流，电弧尽量低(电弧电压小)，焊条尽量不摆动，如果摆动其幅度不超过焊条芯直径的3倍，在保证熔合良好的前题下尽量采用快焊速，推荐的焊接电流为90～120A，并控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm范围。

(5)首先进行主焊缝的焊接，坡口焊满后焊缝要有至少2mm加强高度，并在试验管焊缝边缘平行堆焊道焊缝，焊接时焊条不能摆动，宽度约10mm(目的是改善试验管热影响区的薄弱带的形状分布和受力状态)。

(6)进行塞焊焊缝的焊接，首先要保证根部与夹头良好熔合，其次要注意每层焊完后停下来冷却，清理干净焊渣和飞溅，然后焊接下一层，保证良好的熔合。

(7)当13Cr油井管的抗拉强度级别达到850MPa以上时，根据试验时焊接接头处的受力情况需要，采用加强筋(长度约200mm，宽度约80mm，厚度约10～20mm，间距约100mm，数量视管径而定，沿管子一圈均布)进行补强。加强筋的焊接采用同样的焊材和工艺参数，在根部焊一圈角焊缝，焊脚高度10～15mm。

(8)焊接工作完成后，等待焊接部位冷却至150℃左右，保温30分钟(注意不要冷到100℃以下)，促使焊接热影响区的马氏体转变，保证接头强度。然后将焊缝及两侧各100mm范围加热至约400℃，保温1～2小时后空冷。

发明效果

经过多次实物试验，尤其是在高温、高压、反复加载试验条件下，焊接接头完好，证明焊接工艺可行，解决了13Cr油管实物试验时与夹头的连接问题。较采用螺纹十胶密封结构，采用发明的技术可靠性和成功率高，缩短试验周期，提高工作效率，降低了试验成本，技术在国内外领先。为我单位油井管实物试验积累了技术和经验提高了中油集团的技术能力，保证了油田用管子的质量。

附图说明

图1 13Cr油井管与试验夹头焊缝结构示意图。

其中：1油井管材、2试验夹头、3主承载焊缝、4塞焊焊缝、5加强筋

具体实施方式

实施例1

本发明涉及的被焊接的材料为两种，其一为13Cr不锈钢油井管，其二为试验用35CrMo或同类材料夹头进行高压密封试验时，夹头还起到堵头作用。具体技术特征包括：

如图1所示的结构形式，首先将试验的油井管材(1)，两端加工成焊接坡口，据焊接坡口端面100mm距离处加工若干沿周向均匀分布的塞焊孔；将两件试验夹头(2)的一端加工成坡口和试验管材焊接坡口焊接成主承载焊缝(3)，另一端外部或内部加工有螺纹，与试验设备连接；塞焊焊缝(4)根部与夹头焊接在一起，侧面与试验管连接在一起；或/和沿管子均布一圈加强筋(5)，材料为一般低合金高强钢，多个沿管子一圈均布，采用角焊缝与夹头和试验管连接在一起；

(2)焊接方法选用手工电弧焊，设备为直流悍机，极性为反接(焊条接正)。

焊接材料选用铁素体-奥氏体双相不锈钢焊条，其熔敷金属的化学成分(重量百分比)见下表。这种焊接材料焊缝金属的可以达到屈服强度612MPa，抗拉强度855MPa，延伸率27％，-20℃夏比冲击功50J。

C	Cr	Ni	Mo	Mn	Si	P	S	N	Cu
C	Cr	Ni	Mo	Mn	Si	P	S	N	Cu	≤0.04	21.0-235	8.5-10.5	2.5-3.5	0.5-2.0	≤0.9	≤0.04	≤0.03	0.08-0.20	≤0.75

(3)焊前要对工件进行预热，温度达到150～200℃时开始焊接，焊接过程控制层间温度在150～250℃之间。由于夹头较厚，预热及后热时工件要热透，否则降温很快，焊缝或热影响区可能出现裂纹。

(4)采用焊条直径为3.2mm，焊接参数选用的原则是合适大小的电流，电弧尽量低(电弧电压小)，焊条尽量不摆动，如果摆动其幅度不超过焊条芯直径的3倍。在保证熔合良好的前题下尽量采用快焊速，推荐的焊接电流为90～120A，并控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm范围。

(5)首先进行主焊缝3的焊接，坡口焊满后焊缝要有至少2mm加强高度，并在试验管焊缝边缘平行堆焊2道焊缝，焊接时焊条不能摆动，宽度约10mm(目的是改善试验管热影响区的分布薄弱带的形状和受力状态)。

(8)焊接工作完成后，等待焊接部位冷却至150℃左右，保温30分钟(注意不要冷到100℃以下)，促使焊接热影响区的马氏体转变，保证接头强度。然后将焊缝及两侧各100mm范围加热至约400℃保温1～2小时后空冷；

油井管材料铬(Cr)元素的含量范围按重量百分比为12～18％。

实施例2

对日本某公司生产的规格为88.90×6.45mm、型号为KO-13Cr-110 FOX油管(普通13Cr不锈钢)采用实施例1工艺进行夹头焊接，在内压下进行5种参数的拉伸或压缩试验：(1)拉伸载荷为130,000kg，内压为0，持续时间5分钟，未发生任何泄漏和开裂；(2)拉伸载荷为89,400kg，内压为86.2MPa，持续时间5分钟，未发生任何泄漏和开裂；(3)压缩载荷为50,800kg，内压为109MPa，持续时间5分钟，未发生任何泄漏和开裂；(4)压缩载荷为90,000kg，内压为82.7MPa，持续时间5分钟，未发生任何泄漏和开裂；(5)压缩载荷为130,000kg，内压为0，载荷持续时间5分钟，在保载过程中，油管发生失稳变形，而焊接接头完好。

实施例3

对日本某公司生产的规格为137.70×9.17mm、型号为KO-HP1-13Cr110 FOX的套管(超级13Cr不锈钢)，利用实施例1工艺进行夹头焊接，进行内压循环与热循环试验。加压介质为干燥氮气，利用气泡瓶检测试样泄漏情况，加压速率＜34MPa/Min。共进行两种参数的试验，试样编号分别为1Z和2Z。1Z试样在177℃，试验压力为64.5MP，2Z试样在室温，试验压力为87.9MPa，按规定试验方法循环一周时间，均未发生泄漏现象。

试验后，继续提高试验压力至试样失效。1Z试样内压至131.6MPa，2Z试样内压至131.2(2Z)MPa管体爆破，高于套管技术条件规定套管内压屈服强度最低值为87.1MPa压力，焊接接头处完好。

Claims

1.一种13Cr油井管试验实物的制备工艺，其特征在于：

将试验用13Cr不锈钢油井管和试验用35CrMo材料夹头焊接在一起，

具体工艺包括：

(1)结构：首先将试验的油井管材，两端加工成焊接坡口，据焊接坡口端面100mm距离处加工若干沿周向均匀分布的塞焊孔；将两件试验夹头的一端加工成坡口和试验管材焊接，另一端外部或内部加工有螺纹，与试验设备连接；塞焊焊缝根部与夹头焊接在一起，侧面与试验管连接在一起；或/和沿管子均布一圈加强筋，材料为一般低合金高强钢，多个沿管子一圈均布，采用角焊缝与夹头和试验管连接在一起；

(2)焊接方法：选用电弧焊，设备为直流焊机，极性为反接，焊接材料选用铁素体一奥氏体双相不锈钢焊条，其熔敷金属的化学成分按重量百分比如下：C≤0.04％、Cr为21.0-23.5％、Ni为8.5-10.5％、Mo为2.5-3.5％、Mn为0.5-2.0％、Si≤0.9％、P≤0.04％、S≤0.03％、N为0.08-0.20％、Cu≤0.75％。

(4)采用焊条直径为3.2mm，焊接选用电弧电压小，焊接电流为90～120A，并控制焊接线能量在0.5～1.0kJ/mm；

(5)首先进行主焊缝的焊接，坡口焊满后焊缝要有2mm加强高度，并在试验管焊缝边缘平行堆焊2道焊缝，焊接时焊条摆动宽度小于10mm；

(6)进行塞焊焊缝的焊接，根部与夹头熔合，每层焊完后停下来冷却，清理干净焊渣和飞溅，然后焊接下一层；

(7)当油井管的强度级别达到850MPa以上时，和/或采用长度200mm，宽度80mm，厚度10～20mm，间距100mm的加强筋，数量视管径而定，沿管子一圈均布；在根部焊一圈角焊缝，焊脚高度10～15mm；

(8)焊接工作完成后，等待焊接部位冷却至150℃左右，保温30分钟，然后将焊缝和焊缝两侧各100mm范围加热至400℃，保温1～2小时后空冷。

2.一种13Cr油井管试验实物的制备工艺，其特征在于：油井管材料铬(Cr)元素的含量范围按重量百分比为12～18％。