CN104070263B - V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，属于油井管焊接领域。所述方法包括：焊件准备、焊件预热、焊接和焊后处理的工艺步骤，通过在油井管上增加塞焊，使焊接接头有足够的强度，通过选择合适的焊条材料和焊接顺序，使焊接接头有足够的韧性和疲劳强度，能够满足V150油井管全尺寸实物试验评价的要求，V150油井管全尺寸实物试验评价能够顺利进行。

Description

V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法

技术领域

本发明涉及油井管焊接领域，特别涉及一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法。

背景技术

V150钢级油井管具有超高强度，能够满足深井、超深井油气田开发以及复杂地质条件油气田开发的需求，可为石油工业带来巨大的经济效益。油井管的质量直接关系油田开发的安全，因此，V150油井管在使用之前，需要对其性能进行全尺寸实物试验评价，从而保证深井、超深井油气田开发安全，避免人身伤亡和财产损失。

进行油井管的全尺寸实物试验评价时，需要制备油井管全尺寸实物试验试样。目前，全尺寸实物试验试样的制备方法是将油井管两端与特定的辅棒进行连接，通过辅棒将油井管连接到试验设备上。在油井管与辅棒连接方式中，焊接方式由于密封性能优良、安全可靠等成为一种常用的连接方式。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

V150油井管为高钢级材料，试验辅棒为30CrMo材料，油井管和试验辅棒成分、冶金性能相差很大，焊接性差。采用现有技术焊接V150油井管与30CrMo辅棒时，形成的焊接接头强度、韧性和疲劳强度等性能均不能满足V150油井管的要求，进行V150钢级油井管全尺寸实物试验时，焊缝产生脆断和疲劳断裂，使V150钢级油井管全尺寸实物试验评价不能顺利进行。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，使V150油井管焊接接头性能能够满足V150油井管全尺寸实物试验的要求。

一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，所述方法按照焊件准备、焊件预热、焊接和焊后处理的步骤进行操作，其中，

所述焊件准备步骤包括：取油井管，将所述油井管两端加工油井管焊接坡口，在靠近所述油井管焊接坡口端面处加工塞焊孔；取两件辅棒，将所述两件辅棒中每个辅棒一端加工辅棒焊接坡口，所述每个辅棒另一端加工螺纹；将所述两件辅棒分别插入到所述油井管两端内部，并且使得所述两件辅棒中加工有螺纹的端部朝向外侧，形成油井管全尺寸实物试验试样；

所述焊件预热步骤为对所述油井管全尺寸实物试验试样进行预热；

所述焊接步骤包括：先对所述油井管全尺寸实物试验试样进行主焊缝焊接，然后对所述油井管全尺寸实物试验试样进行塞焊缝的焊接，所述主焊缝为设置在所述油井管焊接坡口和所述辅棒焊接坡口交叉处的焊缝，所述塞焊缝为设置在所述塞焊孔处的焊缝，焊接时，所述油井管两端均进行所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均采用手工电弧焊，选用A材料和B材料的两种焊条焊接，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均先用A材料的焊条打底，焊透根部，然后用B材料的焊条焊满，所述焊接步骤中，所述A材料的焊条为镍基合金焊条，所述镍基合金焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.04％，Cr：11.5-14.0％，Mo：≤0.35％，Mn：0.4-0.8％，Si：≤0.4％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Nb：1.8-2.0％；所述B材料的焊条为低合金高强度钢焊条，所述低合金高强度钢焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.15％，Ni：4.5-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Mn：≤1.6％，Si：0.4-1.0％，P：≤0.030％，S：≤0.030％；

所述焊后处理步骤为对焊接完毕的所述油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，然后用保温材料包裹所述主焊缝、所述塞焊缝及所述油井管全尺寸实物试验试样的热影响区，且冷却到室温。

具体的，所述焊件准备步骤中，所述塞焊孔设置在距离所述油井管焊接坡口端面80-120mm处。

优选的，所述焊件准备步骤中所述塞焊孔至少为2个，且沿所述油井管周向均匀设置。

具体的，所述焊件预热步骤中，所述预热温度为100-200℃。

具体的，所述焊接步骤中，先用所述镍基合金焊条打底，均匀环焊3～5层，且焊透根部，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后且焊缝有至少3～4mm加强高度。

具体的，所述焊后处理步骤中，所述热处理温度不低于250℃-400℃。

具体的，所述两件辅棒中的螺纹为内螺纹或外螺纹。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过焊接制备V150高钢级油井管全尺寸实物试验试样，并按照SY/T6128-2012《套管、油管螺纹接头性能评价试验方法》标准的规定进行全尺寸拉伸至失效试验、全尺寸外压至失效试验、全尺寸静水压及内压至失效试验，焊缝处均未出现泄漏、断裂等现象，说明V150高钢级油井管全尺寸实物试验试样的焊接接头有足够的强度、韧性和疲劳强度，焊缝和热影响区不产生裂纹、组织软化等缺陷，能够满足V150油井管全尺寸实物试验评价的要求，使V150油井管全尺寸实物试验评价能够顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例V150高钢级油井管全尺寸实物试验试样制备焊接结构示意图。

图中各符号的含义如下：

1油井管，2辅棒，3塞焊孔，4油井管焊接坡口，5辅棒焊接坡口，6主焊缝，7塞焊缝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，所述方法按照如下步骤进行操作：

步骤一焊件准备：取油井管1，将所述油井管1两端加工油井管焊接坡口4，在靠近所述油井管焊接坡口4端面处加工塞焊孔3；取两件辅棒2，将所述两件辅棒2中每个辅棒2一端加工辅棒焊接坡口5，所述每个辅棒2另一端加工螺纹，所述螺纹可以加工成内螺纹或外螺纹；将所述两件辅棒2分别插入到所述油井管1两端内部，并且使得所述两件辅棒2中加工有螺纹的端部朝向外侧，形成油井管全尺寸实物试验试样。

步骤二焊件预热：焊前要对所述油井管全尺寸实物试验试样进行预热，温度达到100-200℃时开始焊接，以减少焊接应力和减缓冷却速度。

步骤三焊接：先对所述油井管全尺寸实物试验试样进行主焊缝6焊接，然后对所述油井管全尺寸实物试验试样进行塞焊缝7的焊接，所述主焊缝6为设置在所述油井管焊接坡口4和所述辅棒焊接坡口5交叉处的焊缝，所述塞焊缝7为设置在所述塞焊孔3处的焊缝，焊接时，所述油井管1两端均进行所述主焊缝6和所述塞焊缝7的焊接，所述主焊缝6和所述塞焊缝7的焊接均采用手工电弧焊，选用A材料和B材料的两种焊条焊接，所述主焊缝6和所述塞焊缝7的焊接均先用A材料的焊条打底，焊透根部，然后用B材料的焊条焊满。

油井管1的材料为V150钢级材料，辅棒2的材料为30CrMo，两者均为合金材料，成分和冶金性能相差很大，因此在焊接时具有较大的难度，本发明实施例中，为了加强两者的焊接强度，在油井管1的两端加工油井管焊接坡口4，在辅棒2一端加工辅棒焊接坡口5，且角度一致，在油井管焊接坡口4和辅棒焊接坡口5交叉处焊接主焊缝6，从而确保油井管1和辅棒2底部焊透，保证单面焊双面成型，确保主焊缝6机械强度；另外，在靠近所述油井管焊接坡口4端面处加工塞焊孔3，所述塞焊孔3沿所述油井管1周向均匀设置，在塞焊孔3上焊接塞焊缝7，所述塞焊缝7对主焊缝6起加强作用，提高主焊缝6的机械强度。所述塞焊孔3在油井管1上的加工位置根据辅棒2的尺寸确定，优选的，在距离油井管焊接坡口4端面80-120mm处加工塞焊孔3，如果距离太大，塞焊孔3对主焊缝6的加强作用太小，焊接接头的强度达不到V150油井管的要求；如果距离太小，会造成塞焊孔3和主焊缝6重合。塞焊孔3的数量一般根据油井管1的外径进行设定，当油井管1外径小于4寸半时，加工2个塞焊孔，当油井管1外径大于4寸半时，加工大于3个塞焊孔，以保证塞焊孔3对主焊缝6能够起到有效的加强作用。所述辅棒2另一端加工外部或内部螺纹，用于与试验设备连接，从而通过辅棒2将V150油井管和试验设备连接在一起，进行V150油井管全尺寸实物试验。

焊接时，先进行主焊缝6的焊接，每层焊完后先冷却，并用钢丝刷清理干净焊渣、飞溅等夹杂，然后继续焊接下一层，从而保证主焊缝6与辅棒2良好熔合。然后进行塞焊缝7的焊接，沿所述油井管1周向均匀设置的塞焊孔3焊接后形成的塞焊缝7具有加强主焊缝6强度的作用。

采用手工电弧焊，焊接设备为直流电焊机，焊接过程采用直流反接，由于所用油井管1管径及材料种类繁多，手工电弧焊的焊接方法可以适用不同管径油井管1的焊接，因此，在实际的实施过程中，使用手工电弧焊比较方便且经济实用。

作为优选的，选用A材料和B材料的两种焊条，A材料为镍基合金焊条，B材料为低合金高强度钢焊条，所述镍基合金焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.04％，Cr：11.5-14.0％，Mo：≤0.35％，Mn：0.4-0.8％，Si：≤0.4％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Nb：1.8-2.0％，其焊缝金属的典型力学性能为：屈服强度890MPa，抗拉强度970MPa，伸长率20％，20℃夏比冲击功75J；所述低合金高强度钢焊条的熔敷金属的化学成分按百分比为：C：≤0.15％，Ni：4.5-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Mn：≤1.6％，Si：0.4-1.0％，P：≤0.030％，S：≤0.030％，其焊缝金属的典型力学性能为：屈服强度960MPa，抗拉强度1080MPa，伸长率20％，20℃夏比冲击功60J。

所述镍基合金焊条和所述低合金高强度钢焊条形成金属焊缝的强度及韧性均能够达到母材V150高钢级材料的强度及韧性要求。

焊接时，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均先用镍基合金焊条打底，焊透根部，均匀环焊3～5层，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝要有至少3～4mm加强高度，从而保证焊缝强度更高，拉压抗疲劳性能更强。

焊接时，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均采用焊条直径4mm，焊接电流80-120A，焊条摆动幅度不超过焊条芯直径的3倍，焊接过程控制层间温度在90～150℃。

步骤四焊后处理：焊接完成后，对所述油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，热处理温度不低于250℃-400℃，然后用保温材料包裹所述主焊缝6、所述塞焊缝7及所述油井管全尺寸实物试验试样的热影响区，且冷却到室温。焊后处理操作的作用主要是消除焊接产生的热应力、均匀焊缝和热影响区的组织、细化焊缝和热影响区的晶粒，通过热处理可以使焊缝金属与母材金属更好的熔合。

焊接V150钢级油井管性能检测：对焊接后的V150油井管按照SY/T6128-2012《套管、油管螺纹接头性能评价试验方法》标准的规定进行全尺寸拉伸至失效试验、全尺寸外压至失效试验、全尺寸静水压及内压至失效试验，焊缝均未出现裂纹及泄漏、断裂等失效行为，即焊缝性能满足V150钢级油井管性能要求。

实施例2

参见图1，本发明实施例提供了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，该方法的具体实施过程同实施例1，所不同的是：

油井管1规格为：Φ244.48mm×15.11mmV150钢级油井管，化学成分及其质量百分比为：C：0.40％，Si：0.18％，Mn：0.50％，P：0.014％，S：0.0065％，Cr：1.05％，Mo：0.25％，Ni：0.043％，余量为Fe。

所述辅棒焊接坡口5和所述油井管焊接坡口4角度为38°。在距所述油井管焊接坡口4端面105mm处加工3个塞焊孔，塞焊孔3沿管周均布，所述塞焊孔3加工坡口角度为38°。焊前对油井管全尺寸实物试验试样进行预热，温度达到150℃时开始焊接。采用手工电弧焊，焊接设备为直流电焊机，焊接过程采用直流反接。选用A、B两种材料的焊条，A材料为镍基合金焊条，B材料为低合金高强度钢焊条，所述镍基合金焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.04％，Cr：11.5-14.0％，Mo：≤0.35％，Mn：0.5％，Si：≤0.3％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Nb：2.0％；所述低合金高强度钢焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.15％，Ni：4.0-5.0％，Mo：0.5-0.8％，Mn：≤1.4％，Si：0.6-1.0％，P：≤0.030％，S：≤0.030％。

焊接时，先进行主焊缝6的焊接，每层焊完后先冷却，并用钢丝刷清理干净焊渣、飞溅等夹杂，然后继续焊接下一层，从而保证主焊缝6与辅棒2良好熔合。主焊缝6与辅棒2熔合完好后进行塞焊缝7的焊接。

焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均先用镍基合金焊条打底，焊透根部，均匀环焊4层，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝加强高度为4mm。

焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均采用焊条直径4mm，焊接电流160A，电弧电压尽量低，焊条小角度摆动，宽度约10mm，控制层间温度为120℃。

焊接工作完成后，对油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，温度为250℃，然后用保温材料包裹主焊缝6、塞焊缝7及主焊缝6、塞焊缝7两侧各100mm范围的热影响区，且冷却到室温。

对焊接V150油井管进行全尺寸拉伸至失效试验，失效值为10365kN，达到设备最大能力，试验终止，焊缝未发生断裂等失效行为。

本发明实施例提供的方法，通过焊件准备、预热、焊接和焊后处理的工艺步骤，完成V150油井管全尺寸实物试验试样的制备，对焊接后的V150油井管进行全尺寸试验，试验过程中焊缝未出现裂纹、断裂等失效行为，说明焊缝性能满足V150油井管全尺寸实物试验评价的要求。

实施例3

参见图1，本发明实施例提供了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，该方法的具体实施过程同实施例1，所不同的是：

油井管1规格为：Φ177.80mm×12.65mmV150钢级油井管，化学成分及其质量百分比为：C：0.25％，Si：0.23％，Mn：0.55％，P：0.0046％，S：0.0016％，Cr：1.02％，Mo：0.78％，Ni：0.046％，Cu：0.051％,余量为Fe。

所述辅棒焊接坡口5和所述油井管焊接坡口4角度为37°。在距所述油井管焊接坡口4端面90mm处加工3个塞焊孔，塞焊孔沿管周均布，所述塞焊孔3加工一定角度的坡口，坡口角度为37°。

焊前对油井管全尺寸实物试验试样进行预热，温度达到180℃时开始焊接。

焊接时，先进行主焊缝6的焊接，每层焊完后先冷却，并用钢丝刷清理干净焊渣、飞溅等夹杂，然后继续焊接下一层，从而保证焊缝金属与母材金属良好的熔合。主焊缝6与辅棒2熔合完好后进行塞焊缝7的焊接。

焊接材料及焊接方法同实施例2。焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均先用镍基合金焊条打底，焊透根部，均匀环焊2层，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝加强高度为3mm。

焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均采用焊条直径4mm，焊接电流140A，电弧电压尽量低，焊条小角度摆动，宽度约8mm，焊接过程控制层间温度为150℃。

焊接工作完成后，对油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，热处理温度300℃，然后用保温材料包裹主焊缝6、塞焊缝7及主焊缝6、塞焊缝7两侧各300mm范围的热影响区，且冷却到室温。

对焊接后V150油井管进行2次全尺寸外压至失效试验，失效值分别为130.6MPa、133.8MPa，管体发生挤毁失效，试验终止，焊缝处未出现裂纹。

本发明实施例提供的方法，通过焊件准备、预热、焊接和焊后处理的工艺步骤，完成V150油井管全尺寸实物试验试样的制备，对焊接后的V150油井管进行全尺寸外压至失效试验，管体发生挤毁失效，试验终止，焊缝处未出现裂纹，说明焊缝性能满足V150油井管全尺寸实物试验评价的要求。

实施例4

参见图1，本发明实施例提供了一种V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，该方法的具体实施过程同实施例1，所不同的是：

油井管1为规格为：Φ244.48mm×13.84mmV150钢级油井管，化学成分及其质量百分比为：C：0.21％，Si：0.20％，Mn：0.85％，P：0.010％，S：0.0015％，Cr：1.06％，Mo：0.57％，Ni：0.032％，V：0.095％，余量为Fe。

所述辅棒焊接坡口5和所述油井管焊接坡口4角度为37.5°。在距所述油井管焊接坡口4端面100mm处加工3个塞焊孔，塞焊孔沿管周均布，所述塞焊孔3加工一定角度的坡口，坡口角度为37.5°。

焊前对油井管全尺寸实物试验试样进行预热，温度达到180℃时开始焊接。

焊接方法及焊接材料同实施例2。焊接时，先进行主焊缝6的焊接，每层焊完后先冷却，并用钢丝刷清理干净焊渣、飞溅等夹杂，然后继续焊接下一层，从而保证焊缝金属与母材金属良好的熔合。主焊缝6与辅棒2良好熔合后进行塞焊缝7的焊接。

焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均先用镍基合金焊条打底，焊透根部，均匀环焊3层，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后焊缝加强高度为3mm。

焊接时，主焊缝6和塞焊缝7均采用焊条直径4mm，焊接电流150A，电弧电压尽量低，焊条小角度摆动，宽度约8mm，焊接过程控制层间温度为150℃。

焊接工作完成后，对油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，温度为200℃，然后用保温材料包裹主焊缝6、塞焊缝7及主焊缝6、塞焊缝7两侧各200mm范围内的热影响区，且冷却到室温。

对焊接后V150油井管进行2次全尺寸静水压及内压至失效试验，失效值分别为155.4MPa、157.6MPa，螺纹连接处出现泄漏，试验终止，焊缝处未出现泄漏、断裂等现象。

本发明实施例提供的方法，通过焊件准备、预热、焊接和焊后处理的工艺步骤，完成V150油井管全尺寸实物试验试样的制备，对焊接后的V150油井管进行全尺寸静水压及内压至失效试验，螺纹连接处出现泄漏，试验终止，焊缝处未出现泄漏、断裂等现象，说明焊缝性能满足V150油井管全尺寸实物试验评价的要求。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.V150钢级油井管全尺寸实物试验试样制备方法，其特征在于，所述方法按照焊件准备、焊件预热、焊接和焊后处理的步骤进行操作，其中，

所述焊件准备步骤包括：取油井管，将所述油井管两端加工油井管焊接坡口，在靠近所述油井管焊接坡口端面处加工塞焊孔；取两件辅棒，将所述两件辅棒中每个辅棒一端加工辅棒焊接坡口，所述每个辅棒另一端加工螺纹；将所述两件辅棒分别插入到所述油井管两端内部，并且使得所述两件辅棒中加工有螺纹的端部朝向外侧，形成油井管全尺寸实物试验试样；

所述焊件预热步骤为对所述油井管全尺寸实物试验试样进行预热；

所述焊接步骤包括：先对所述油井管全尺寸实物试验试样进行主焊缝焊接，然后对所述油井管全尺寸实物试验试样进行塞焊缝的焊接，所述主焊缝为设置在所述油井管焊接坡口和所述辅棒焊接坡口交叉处的焊缝，所述塞焊缝为设置在所述塞焊孔处的焊缝，焊接时，所述油井管两端均进行所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均采用手工电弧焊，选用A材料和B材料的两种焊条焊接，所述主焊缝和所述塞焊缝的焊接均先用A材料的焊条打底，焊透根部，然后用B材料的焊条焊满，所述焊接步骤中，所述A材料的焊条为镍基合金焊条，所述镍基合金焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.04％，Cr：11.5-14.0％，Mo：≤0.35％，Mn：0.4-0.8％，Si：≤0.4％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Nb：1.8-2.0％；所述B材料的焊条为低合金高强度钢焊条，所述低合金高强度钢焊条的熔敷金属的化学成分及其百分比为：C：≤0.15％，Ni：4.5-6.5％，Mo：0.3-0.8％，Mn：≤1.6％，Si：0.4-1.0％，P：≤0.030％，S：≤0.030％；

所述焊后处理步骤为对焊接完毕的所述油井管全尺寸实物试验试样进行热处理，然后用保温材料包裹所述主焊缝、所述塞焊缝及所述油井管全尺寸实物试验试样的热影响区，且冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊件准备步骤中，所述塞焊孔设置在距离所述油井管焊接坡口端面80-120mm处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊件准备步骤中所述塞焊孔至少为2个，且沿所述油井管周向均匀设置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊件预热步骤中，所述预热温度为100-200℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接步骤中，先用所述镍基合金焊条打底，均匀环焊3～5层，且焊透根部，然后用低合金高强度钢焊条进行焊接，均匀环焊，坡口焊满后且焊缝有至少3～4mm加强高度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊后处理步骤中，所述热处理温度不低于250℃-400℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两件辅棒中的螺纹为内螺纹或外螺纹。