CN101745731B - 一种n80级erw油井套管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种N80级ERW油井套管的制造方法，其工艺流程包括原料检验、钢管焊接、焊缝热处理，所述热轧钢卷板的化学成分重量百分比为：C≤0.12％，Mn≤1.85％，S≤0.010％，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述钢管焊接采用高频直缝电阻焊。本发明由于采用了上述技术方案，控制碳、锰及其它合金元素含量以及碳当量，从而使得N80级ERW油井套管产品具有良好的可焊性，且有助于经过钢管焊接、焊缝热处理后的N80级ERW油井套管产品机械性能均匀。

Description

一种N80级ERW油井套管的制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种N80级ERW油井套管的制造方法。

背景技术

API SPEC5CT是美国石油学会(American Petreleum Instiute，简称″API″)编制并发布的在世界各地通用的套管和油管规范。其中套管为由地表面伸进钻井内，作为井壁衬的管子，其管子之间通过接箍连接。主要材质为J55、N80、P110等钢级，以及抗硫化氢腐蚀的C90、T95等钢级。其低钢级(J55、N80)可为焊接钢管。油管为由地表面插入套管内直至油层的管子，其管子之间通过接箍或整体连接。其作用于是抽油机将油层石油经油管输送到地面。主要材质为J55、N80、P110、以及抗硫化氢腐蚀的C90、T95等钢级。其低钢级(J55、N80)可为焊接钢管。

目前国内N80级油井套管采用无缝钢管，无缝钢管存在外观几何尺寸精度差，壁厚不均匀，冲击韧性较低等缺点。ERW表示高频直缝电阻焊。ERW油井套管仅限于生产钢级H40、J55的石油管。ERW油井套管的优点在于采用热机械轧制工艺生产(TMCP)工艺生产的钢卷制管，壁厚均匀，机械性能稳定，冲击韧性高并且几何尺寸精度高的特点。ERW油井套管和无缝管相比，ERW油井套管生产成本低，而且节能环保。通过对N80原料化学成份调整满足电阻焊的可焊性要求，采用高频感应焊并进行在线焊缝热处理技术生产符合API 5CT标准N80钢级的石油套管。由于N80强度高，碳、锰及其它合金元素含量相对较高致使碳当量增加，可焊性变差。焊缝强度满足技术要求，但冲击韧性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种N80级ERW油井套管的制造方法，其产品具有良好的可焊性，且机械性能均匀。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：N80级ERW油井套管的制造方法，其工艺流程包括原料检验、钢管焊接、焊缝热处理，所述热轧钢卷板的化学成分重量百分比为：C≤0.12％，Mn≤1.85％，S≤0.010％，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述钢管焊接采用高频直缝电阻焊。

所述钢管焊接过程中焊缝开口角为5度，以获得稳定的焊缝质量。

所述钢管焊接过程中的焊接挤压量为6-8mm。

所述焊缝热处理的温度范围为920-1050℃，以获得高强度、高韧性的ERW油井套管。

本发明由于采用了上述技术方案，控制碳、锰及其它合金元素含量以及碳当量，从而使得N80级ERW油井套管产品具有良好的可焊性，且有助于经过钢管焊接、焊缝热处理后的N80级ERW油井套管产品机械性能均匀。

附图说明

图1为本发明ERW油井套管的制造方法的生产工艺流程图。

图2为焊缝开口角的结构示意图。

图3为焊缝金相组织结构图。

具体实施方式

图1所示为本发明N80级ERW油井套管的制造方法的生产工艺流程：

1、原料检验。对热轧钢卷板进行检验，控制碳、锰及其它合金元素的含量。所述热轧钢卷板的化学成分重量百分比为：C≤0.12％，Mn≤1.85％，S≤0.010％，V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2、开卷对焊。热轧钢卷板经纵剪机组剪切至预定的宽度，复卷后储存。纵剪钢带开卷后，经过矫平，将头尾切断，采用惰性气体保护焊进行对焊，并送入活套。

3、活套储料。采用外进内出，下进上出式螺旋活套，长达2000余米的储料量，可以保证供料，满足焊管连续生产。

4、钢板铣边。钢带进入成型前，两侧边经铣边机铣至设定的宽度和坡口，以满足高质量成型和焊接工艺要求。根据成型方式和轧辊设计孔型，板宽的计算按设定的公式进行，公式如下：

b＝(d×3.14)+(3×a×3.14)+c-(2.37×e)

其中b为板宽，d为焊后管径，a为精成型减径量，c为焊接余量，e为壁厚。

5、钢管成型。将钢带通过一系列主动和被动轧辊，以连续的方式使钢带弯曲变形成圆形钢管。

6、钢管焊接。采用固态高频焊机对成型后的钢管采用高频直缝电阻焊进行焊接。N80级ERW油井套管的焊接方式采用高频直缝电阻焊，焊接速度为15m/min，焊接功率为610KW。焊接时加保护气氩气，减少熔融金属的氧化。开口角为3°，开口宽度12-13mm。焊接挤压量为6-8mm，保证焊缝融合线宽度0.20-0.02mm，金属流线角度控制在60-85度，焊接磁棒采用日本TDK磁棒。中频热处理采用4架中频热处理机进行焊缝热处理，其中1#出口温度为810±30℃，2#出口温度为920±10℃，3#出口温度为920±10℃，4#出口温度为920±10℃。为了掌握焊接最佳参数，分别对焊接功率、挤压量、中频热处理温度进行调整试验。一是在其它条件相同的情况下，调整焊接功率，经试验分析，功率过低会产生冷焊现象，造成压扁试验开裂并且焊缝冲击韧性很差。二是在功率610KW的条件下，调整挤压量，经试验分析，较大的挤压量提高了焊缝的质量。较大的挤压量有利于夹杂物的挤出，提高焊缝的纯净度也提高了焊缝的质量，较小的挤压量不利于夹杂物的挤出，残留在焊缝中的夹杂物大大影响焊缝的冲击韧性。三是在其它焊接条件不变的情况下进行开口角度的调整，经试验分析，大开口角的焊缝质量更趋于稳定，但过大的开口角度大大提高了焊接功率，高频焊接设备不能满足，同时焊缝质量下降。

如图2所示，焊缝开口角α是指挤压辊2前管坯1两边缘的夹角，通常采用3度，开口角大小与烧化过程的稳定性有关，它对焊接质量的影响很大。减小开口角时，边缘之间的距离也减小，从而使邻近效应加强。这样，在其他条件相同的情况下，便可增大边缘的加热温度，从而提高了焊接速度。但开口角不能过小，如过小会使会合点到挤压辊中心线的距离加长，从而导致边缘并非在最高温度下受到挤压，这样焊接质量降低。如果开口角过大，则邻近效应减小，焊接速度降低，功率消耗增加。在实际生产中，确定移动导向辊3的纵向位置来调整开口角大小，在导向辊3不能纵向调整的情况下，可用导向环厚度或压下封闭孔或导向辊3来调整开口角的大小。最佳的开口角度控制5度。

7、焊缝热处理。为获得高强度、高韧性的ERW油井套管，应该对焊缝进行充分热处理，以此改善焊缝及其热影响区(HAZ)内的显微组织。热处理的关键在于两个方面，一是热处理的温度选择，研发过程围绕不同热处理温度区间进行对比分析，确定在950℃热处理试样中形成细小的铁素体晶粒，而在1050℃热处理试样中形成粗晶粒的贝氏体。当热处理温度为950℃时，扩散的碳化Nb-Ti能在热处理阶段保持奥氏体晶粒的存在。而大部分的碳化Nb和Ti在奥氏体中处于不溶状态，奥氏体晶粒在热处理阶段迅速长大，因此温度在1050℃以上时，冷却时要形成粗晶粒的奥氏体。二是焊缝内外表面热处理区域的宽度。经调整热处理温度，试验结果表明热处理温度低于900℃，外表面金相组织良好，但内壁热处理区域过窄，内表面焊缝的硬度高并且冲击韧性差；热处理温度高于1050℃，内壁热处理充分，但钢管外壁晶粒粗大。最佳的热处理范围在920-1050℃。采用4台焊缝中频热处理装置，完全满足焊缝退火和正火等热处理要求。

8、空冷水冷。经过热处理后的焊缝采用60米空冷段进行空冷，此工艺为模拟正火工艺，因为正火定义为在静止的空气中冷却，而钢管是在运动的在空气中冷却，因此定义为模拟正火工艺。为了保障焊缝不存在未回火马氏体组织，还要进行水冷，进入水冷槽前的焊缝温度保持在350度以下。为了保障钢管的几何尺寸不因温度影响过大，焊缝出水冷槽的温度控制在80度以下。

9、钢管定径。钢管的直径、椭圆度和直度靠定径段来实现和保障。定径段采用4架整径辊来调整钢管的直径和椭圆度，采用一架矫直辊进行矫直，每架次均采用4辊式。由于N80钢级强度高，较小的定径量容易导致钢管发生弯曲，因此N80级钢管的定径量控制在6mm。每架次的减径量控制在1.5mm，过大的减径量会导致设备超负荷运行。

为检验本发明N80级ERW油井套管的制造方法，进行试验和分析如下：API5CT标准只规定了S、P的含量，其它元素没有要求，由于ERW仅适用于低碳钢或低合金钢的焊接，因此选择原料的化学成分应为低碳合金钢，用于ERW焊接的N80原料化学成分为：C≤0.12％；Si≤0.35％；Mn≤1.85％；P≤0.025％；S≤0.010％；Mo≤0.40％；Cu≤0.30％；Ni≤0.40％；B≤0.0005％；V+Nb+Ti≤0.15％。

钢的焊接碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.45％；焊接裂纹敏感性系数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+V/10+Mo/15+5B≤0.23％。

试验选择钢管的规格为244.48X10.03mm，工作板宽通过计算公式确定为758mm。经过粗成型和精成型后周长为784mm。焊接首先按常规工艺参数进行设定，焊接速度确定15m/min，焊接功率设定为610KW，开口角控制3°，开口宽度12-13mm。焊接挤压量在5mm，保证焊缝融合线宽度0.20-0.02mm，金属流线角度控制在60度，焊接磁棒采用日本TDK磁棒。高频直缝焊的三大要素为焊接挤压力，焊接功率和开口角度，在常规工艺参数下对以上三要素进行改变，找出最佳参数。

在其它工艺参数不变条件下，改变焊接挤压量，挤压量分别为5mm，6.5mm，8mm三种情况，对焊缝进行拉伸和冲击韧性试验。在三种挤压力情况下，焊缝抗拉强度变化不大，但焊缝冲击韧性变化较大，9mm挤压量过大，将熔融金属全部挤出，导致冲击功降低。5mm挤压量在焊缝中还存在少量夹杂物，影响焊缝冲击功。7mm挤压量最为合适，冲击功平均为95J，熔合线宽度为0.10mm，金属流线上升角为78度，内侧和外侧、左右两侧均匀对称分布，冲击试验结果最为理想。不同挤压量条件下冲击试验结果如下：

冲击试验温度为0℃，试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm。

在其它工艺参数不变的前提下，改变焊接功率，焊接功率分别为580KW，610KW，640KW，680KW四种情况，分别对不同功率下的焊缝进行拉伸试验和冲击试验，试验结果见下表。在功率580KW焊接时属第一种焊接现象，在焊接时不可避免的会出现波动，容易造成冷焊，焊缝冲击韧性差。在功率680KW焊接时属第三种焊接现象，内外毛刺较大，功率过大易产生回流夹杂的现象，降低了焊缝的冲击韧性。在功率610KW和640KW焊接时属第二种焊接现象，焊接点波动小焊缝质量稳定。试验结果见下表：

冲击试验温度为0℃，试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm。

在其它工艺参数不变条件下，改变开口角度，开口角分别为3°，4°，5°，6°三种情况，对焊缝进行拉伸和冲击韧性试验。在三种开口角情况下，焊缝冲击韧性变化较大。由于开口角增大，两带钢边缘临近效应降低，达到同样的焊接温度所需要接功率就要增加。因此开口角增大功率应相应增加功率，否则起不到增大开口角的作用。从检验结果来看，开口角为5°时焊缝冲击韧性值最高。说明大开口角有利于焊接质量。检验数据见下表：

中频热处理采用4架500KW的中频加热设备，分别以出口温度890℃，920℃，950℃，980℃，1030℃，1080℃进行试验，根据试验结果，热处理温度低于920℃，内壁热处理不充分，冲击试验结果不理想；在920℃-1030℃之间的热处理温度均能保证热处理充分，内外表面晶粒度能满足技术要求；但超过1030℃试样冲击不稳定，主要是晶粒粗大造成冲击不稳定。试验结果见下表：

对热处理后的试样按ASTM E112规定的平均晶粒度测量方法进行测量，热影响区和焊缝处的晶粒度达10级以上。如图3所示，金相组织为B粒+PF+P(其中B粒为粒状贝氏体，PF为多边形铁素体，P为珠光体)。

本发明的生产操作较易进行。尤其近年来能源结构的调整，石油、天然气的需求增加，油井的条件工况越来越复杂。N80级ERW油井套管具有耐腐蚀、高强度和抗高挤压力的优点，可广泛适用于海洋石油和陆地油田的深井、含硫井、低温井和高抗挤井的石油开采用套管，因此该产品具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.N80级ERW油井套管的制造方法，其工艺流程包括热轧钢卷板检验、钢管焊接、焊缝热处理，其特征在于：所述热轧钢卷板的化学成分重量百分比为：C≤0.12％；Si≤0.35％；Mn≤1.85％；P≤0.025％；S≤0.010％；Mo≤0.40％；Cu≤0.30％；Ni≤0.40％；B≤0.0005％；V+Nb+Ti≤0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述钢管焊接采用高频直缝电阻焊，焊接碳当量Ceq≤0.45％；焊接裂纹敏感性系数Pcm≤0.23％。

2.根据权利要求1所述N80级ERW油井套管的制造方法，其特征在于：所述钢管焊接过程中焊缝开口角为5度，所述钢管焊接过程中的焊接挤压量为6-8mm，焊缝熔合线宽度为0.02～0.20mm，金属流线角度为60度。

3.根据权利要求1所述N80级ERW油井套管的制造方法，其特征在于：所述焊缝热处理的温度范围为920-1050℃，经过热处理后的焊缝要进行空冷和水冷，进行水冷时进入水冷槽前的焊缝温度保持在350度以下。

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