CN108220782B - 一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陆地及海洋油气井用管技术领域，具体地说，是一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管，包括以下组分：C 0.17％‑0.33％、Mn 1.2％‑1.8％、P≤0.02％、S≤0.005％、Si 0.15％‑0.5％、Fe余量。本发明打破原材料、焊缝等因素对连管性能的限制，同时为了适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求，开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致，强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。

Description

一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管及其制备方法

技术领域

本发明涉及陆地及海洋油气井用管技术领域，具体地说，是一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管及其制备方法。

背景技术

连续油管不同于常规螺纹连接的油管，其是一种缠绕在滚筒上，可连续下井或起出的单根长达数千米的无接头油管。连续油管技术是当前国际上较为先进的技术，由于其作业成本低、简单省时、安全可靠等优越性能，而被广泛应用于冲砂、洗井、测井、完井及钻井等多个领域。随着油、气田开采的难度不断加大，深井、高压井、高腐蚀环境逐渐增多，高强度、高疲劳寿命、大管径、耐腐蚀、性能适应范围广是今后连续油管的主要发展方向。

连续油管技术发展至今，仍是以常规的低碳合金钢管为主，这种连续油管的问题在于，钢带原材料经过卷曲成型、焊接成管，然后对管体进行简单热处理，热处理对改善连续油管性能所发挥的作用有限。虽然近几年由于钢铁冶炼技术、钢材轧制技术的发展，连续油管材料性能也得到一定程度的提高，但由于工艺手段的原因，现有连续油管的组织仅局限在常规的低强度铁素体、珠光体或贝氏体范围内，仅仅依靠合金化、轧制、冷却等强化方式，超高强度、高疲劳寿命连续油管的开发仍然十分困难。

根据现场使用情况统计，绝大多数的连续油管失效源自于钢带斜焊缝或连管直焊缝，尤其斜焊缝最高仅为正常模拟寿命的80％。究其原因，焊接之后原材料固有的组织、性能遭到破坏，且焊接后未经恰当的热处理，导致焊缝、热影响区与母材间组织差异较大，力学性能分布不均，焊缝部位存在较大组织应力及焊接应力。现场应用过程中，焊缝部位更容易产生应力集中且耐腐蚀性较差，最终引发连续油管过早失效，这也是常规连续油管比较难以克服的问题之一。

连续油管一般长达数千米、重量可达数十吨，其下入井内除了承受自身重力载荷外，还要受到拉伸、弯曲及内外压等复杂载荷的作用。为了平衡整盘连续油管的承载能力，现多采用变径连续油管的方案，通过增加靠近井口段的壁厚达到增强承载力的目的，显然该种方式，无可避免的会缩减连续油管的内径及液体泵送能力，且会导致原材料成本的大幅度增加。另外，遇到腐蚀环境恶劣的井段，通常只能牺牲连续油管的整体强度及疲劳寿命，折中以求满足产品的抗腐蚀性能要求。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的不足，提供了一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管，还提供了其制造方法，打破原材料、焊缝等因素对连续油管性能的限制，开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致，强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。通过专门的热处理系统装置，实现了连续油管组织及性能的在线、连续、动态可调，以适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管，按照质量百分比计，包括以下组分：C 0.17％-0.33％、Mn 1.2％-1.8％、P≤0.02％、S≤0.005％、Si 0.15％-0.5％、Fe余量。

进一步地说，为提高热处理工艺性，还包括Cr、Ni、Mo、B合金元素中的一种或任意几种，所述的合金元素的总量不超过5.7％。

该在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法，包括以下步骤：

(1)原材料的处理

将热轧钢卷根据管径要求剪切成相应宽度的钢带，热轧使得钢带获得铁素体和珠光体共混平衡组织，通过微合金化，加入Nb、V或Ti合金化元素，并通过控轧控冷获得均匀、晶粒细小的原材料组织；为后续决定连续油管性能的热处理做好组织上的准备。

(2)焊接钢带

连续油管一般长达数千米，为获得相应长度的成品连续油管，需要将钢带通过端部焊接的方式接长至所需连续油管相应长度，钢带焊接前，将两待焊接端部斜切成45°并加工I型坡口，组对待焊接；焊接后打磨去除焊缝余高，焊缝加热到480～960℃并空冷进行焊后热处理；按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得与成品连管相适应的钢带长度。

(3)制管

所需钢带对接完成后，正式进入连续油管制管环节，将上述步骤(2)得到的焊接钢带经过成型机组卷曲成型，调整焊接挤压辊，保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象，通过高频感应焊或激光焊进行连管直焊缝焊接，焊接完成后进行定径处理，获得所需要的连管外径尺寸，定径完成后将进入热处理系统，进行在线、连续热处理；

(4)热处理

热处理系统包括三个环节即一次热处理、加热烘干及二次热处理；

所述的一次热处理为采用功率至少为1000kw的加热炉进行感应加热，将连管管体加热到Ac3线以上，所述的感应加热炉需具备必要的有效加热长度，可以采用多个加热炉组合使用的形式，以保证整个管体均匀透热，加热完成后在1-2米内快速进入冷却水系统进行盐水冷却，所述的盐水的浓度、温度、流量、压力由连管壁厚及制管速度决定，根据原材料处理工艺性、连管壁厚及制管速度等合理调整盐水浓度、温度、流量、压力等参数，以确保整个管壁在10s内冷却到相变点温度以下，完成组织转变；经过一次热处理后，焊缝的恶劣组织已经被消除，获得了焊缝与母材组织、性能均匀统一的连续油管。所述的焊缝包括钢带斜焊缝及连管直焊缝，后续经过二次热处理组织中的碳化物均匀弥散析出，使连续油管获得良好的综合力学性能。

再将连管表面加热到50～80℃，去除入水冷却过程中所残留的水分；

再将连管进行二次热处理，所述的二次热处理通过感应加热炉将管体加热到300～680℃，采用多个加热炉组合使用，确保充足的加热、保温有效长度，然后经过空冷冷却到100℃以下，最后入水冷却到室温即得该连续油管。

进一步地说，步骤(2)中所述的焊接为TIG、MIG或等离子焊中任意一种。

作为优选，所述热处理系统可以进行在线、连续、动态调整，通过调整二次热处理工艺参数，使得不同管段具有不同的承载强度，当加热温度为300～550℃时，管段具有更高的强度，现场使用过程中该类管段位于井口端，具有更强的承载能力，发挥变径连续油管的作用。

作为优选，所述热处理系统可以进行在线、连续、动态调整，通过调整二次热处理工艺参数，使得不同管段具有不同的抗腐蚀性能，当加热温度为600～680℃时，使得碳化物更加均匀的弥散析出，同时降低连管硬度，使得该管段具有更好的抗腐蚀能力，以满足不同井段对连续油管抗腐蚀性能的要求。

本发明的有益效果是：

本发明打破原材料、焊缝等因素对连管性能的限制，同时为了适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求，开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致，强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。连续油管需要重新开发连续油管材料、设计钢带原材料成分及工艺，以适应后续热处理工艺要求。不同于常规连续油管仅进行简单的热处理，钢带经过连续卷曲及焊接成型后，本发明通过专门设计的在线连续、动态可调式热处理系统完成对连续油管的特殊热处理，从而获得强度高、疲劳寿命好且耐腐蚀性能优异的连管组织，且可通过热处理消除焊接形成的恶劣组织，达到整管组织、性能的均匀统一。

本发明的生产过程是与卷曲、焊接成型速度相匹配的在线、连续、快速热处理，而不是待连续油管生产完成后，通过倒管再进行线下处理，其生产速度快、技术含量较高。与常规的变径连续油管不同，本发明在连续生产过程中，通过动态调整热处理工艺参数，使得不同管段具有不同的强度，而不用通过变径(变壁厚)的方式平衡连续油管承载能力。不同于将异种材料采用钢带斜焊缝或管环焊缝的方式进行对接，本专利在同种材料的情况下，在连续生产过程中，通过动态调整热处理工艺参数，改善组织使得不同管段具有不同的硬度及组织性能，以适应不同井段的抗腐蚀性能要求，有效的避免了因异种材料焊接而引起的电化学腐蚀。

本发明专门设计的连续油管材料为一种高品质、高性能热轧钢卷。采用微合金化方式，加入适量Nb、V、Ti等合金化元素，并通过先进的控轧控冷工艺获得组织均匀、晶粒细小的原材料组织。

采用专门设计的热处理系统装置，对连续油管进行特殊热处理，打破常规连续油管对原材料性能的依赖，开发出高强度、高疲劳寿命的连续油管(其疲劳寿命可达同钢级普通连续油管的3-5倍)，以适应深井、高压井的作业需求。

通过特殊的热处理可消除焊缝恶劣组织，实现焊缝与母材在组织、性能方面的均匀统一，避免钢带斜焊缝或连管直焊缝对连续油管作业的影响，大幅度提升连续油管整体使用寿命。

采用专门设计的热处理系统装置，可与钢带卷曲并焊接成型的速度相匹配，实现连续油管性能的在线、连续、动态可调。

不必通过变径(变壁厚)、异种材料对接的方式，通过在线动态调整热处理工艺参数，即可满足连续油管对不同管段承载能力、耐腐蚀性能的特殊要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明的制管环节流程示意图；

具体实施方式

实施例1：

按照质量百分比，本实施例所用钢材的化学成分为C 0.17％、Mn 1.5％、P0.01％、S 0.003％、Si 0.33％、B 0.0005％、Fe余量。通过微合金化，加入Nb、V或Ti合金化元素，热轧获得晶粒度为13级的铁素体+珠光体平衡组织，轧后钢卷经过剪切，获得2.000in*0.175in连管用钢带。

将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，采用等离子焊完成钢带焊接，焊接后打磨去除焊缝余高，焊缝加热到550℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得总长度为4300m的钢带。

4300m长度的钢带，从入头开始以12m/min的速度进入制管机组，在线、连续完成制管。具体流程为，钢带经过成型机组卷曲成型，调整焊接挤压辊，保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象，通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接，焊接完成后进行定径处理，获得所需要的连管外径尺寸(2in)，定径完成后将进入特殊设计的热处理系统，进行在线、连续热处理。

组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热，将管体加热到900℃，加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水系统进行盐水冷却，控制盐水浓度在5％-10％、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力，确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下，完成组织转变。

经过一次热处理后，通过加热烘干设备将连管表面加热到50℃，快速去除入水冷却过程中所残留的水分。

二次热处理通过感应加热炉将管体加热到500℃(4个加热炉组合使用，确保充足的加热、保温有效长度，以使碳化物充分弥散析出)，然后经过空冷冷却到100℃以下，最后入水快速冷却到室温，以便收管获取成品连续油管。

实施例2：

按照质量百分比，本实施例所用钢材的化学成分为C 0.22％、Mn 1.2％、P0.01％、S 0.002％、Si 0.15％、Mo 0.25％B 0.0007％、Fe余量。通过微合金化，加入Nb、V或Ti合金化元素，热轧获得晶粒度为13级的铁素体+珠光体平衡组织，轧后钢卷经过剪切，获得2.000in*0.204in连管用钢带。将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，采用TIG焊完成钢带焊接，焊接后打磨去除焊缝余高，焊缝加热到480℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得总长度为3600m的钢带。

3600m长度的钢带，从入头开始以10m/min的速度进入制管机组，在线、连续完成制管。具体流程为，钢带经过成型机组卷曲成型，调整焊接挤压辊，保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象，通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接，焊接完成后进行定径处理，获得所需要的连管外径尺寸(2in)，定径完成后将进入特殊设计的热处理系统，进行在线、连续热处理。

组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热，将管体加热到925℃，加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水系统进行盐水冷却，控制盐水浓度在5％-10％、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力，确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下，完成组织转变。

经过一次热处理后，通过加热烘干设备将连管表面加热到80℃，快速去除入水冷却过程中所残留的水分。

二次热处理需4个感应加热炉组合使用，确保充足的加热、保温有效长度。加热到一定温度后(在线动态调整二次热处理温度，控制碳化物的析出程度，以调整组织及硬度，具体为，前1000m控制加热温度为300℃，后2600m控制加热温度为600℃)经过空冷冷却到100℃以下，最后入水快速冷却到室温，以便收管获取成品连续油管(前1000m具有更高的承载能力，以发挥变径连续油管的作用)。

实施例3：

按照质量百分比，本实施例所用钢材的化学成分为C 0.33％、Mn 1.8％、P0.02％、S 0.005％、Si 0.5％、Mo 0.20％、Cr 1.4％、Ni0.05％、Fe余量。通过微合金化，加入Nb、V或Ti合金化元素，热轧获得晶粒度为14级的铁素体+珠光体平衡组织，轧后钢卷经过剪切，获得2.000in*0.156in连管用钢带。将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口，组对以准备进行焊接，采用MIG焊完成钢带焊接，焊接后打磨去除焊缝余高，焊缝加热到960℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接，获得总长度为5500m的钢带。

5500m长度的钢带，从入头开始以14m/min的速度进入制管机组，在线、连续完成制管。具体流程为，钢带经过成型机组卷曲成型，调整焊接挤压辊，保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象，通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接，焊接完成后进行定径处理，获得所需要的连管外径尺寸(2in)，定径完成后将进入特殊设计的热处理系统，进行在线、连续热处理。

组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热，将管体加热到945℃，加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水系统进行盐水冷却，控制盐水浓度在5％-10％、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力，确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下，完成组织转变。

经过一次热处理后，通过加热烘干设备将连管表面加热到60℃，快速去除入水冷却过程中所残留的水分。

二次热处理需4个感应加热炉组合使用，确保充足的加热、保温有效长度。加热到一定温度后(在线动态调整二次热处理温度，控制碳化物的析出程度，调整组织及硬度，具体为，前3000m及后2000m分别控制加热温度为550℃、400℃，中间500m控制加热温度为660℃)经过空冷冷却到100℃以下，最后入水快速冷却到室温，以便收管获取成品连续油管(中间500m具有更好的耐腐蚀性能，以适应不同井段的腐蚀环境要求)。

本发明专门设计的连续油管材料为一种高品质、高性能热轧钢卷。采用微合金化方式，加入适量Nb、V、Ti等合金化元素，并通过先进的控轧控冷工艺获得组织均匀、晶粒细小的原材料组织。

采用专门设计的热处理系统装置，对连续油管进行特殊热处理，打破常规连续油管对原材料性能的依赖，开发出高强度、高疲劳寿命的连续油管(其疲劳寿命可达同钢级普通连续油管的3-5倍)，以适应深井、高压井的作业需求。

通过特殊的热处理可消除焊缝恶劣组织，实现焊缝与母材在组织、性能方面的均匀统一，避免钢带斜焊缝或连管直焊缝对连续油管作业的影响，大幅度提升连续油管整体使用寿命。

采用专门设计的热处理系统装置，可与钢带卷曲并焊接成型的速度相匹配，实现连续油管性能的在线、连续、动态可调。

不必通过变径(变壁厚)、异种材料对接的方式，通过在线动态调整热处理工艺参数，即可满足连续油管对不同管段承载能力、耐腐蚀性能的特殊要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：C 0.17％-0.33％、Mn 1.2％-1.8％、P≤0.02％、S≤0.005％、Si 0.15％-0.5％、Fe余量，还包括Cr、Ni、Mo、B合金元素中的一种或任意几种，所述的合金元素的总量不超过5.7％，所述的连续油管的制备方法具体步骤如下：

(1)原材料的处理

将热轧钢卷根据管径要求剪切成相应宽度的钢带，热轧使得钢带获得铁素体和珠光体共混平衡组织，通过微合金化，加入Nb、V或Ti合金化元素，并通过控轧控冷获得均匀、晶粒细小的原材料组织；

(2)焊接钢带

将钢带通过端部焊接的方式接长至所需连续油管相应的长度，钢带焊接前，将两待焊接端部斜切成45°并加工I型坡口，组对待焊接；焊接后打磨去除焊缝余高，焊缝加热到480～960℃并空冷进行焊后热处理；

(3)制管

将上述步骤(2)得到的焊接钢带经过成型机组卷曲成型，调整焊接挤压辊，保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象，通过高频感应焊或激光焊进行连管直焊缝焊接，焊接完成后进行定径处理，获得所需要的连管外径尺寸，定径完成后将进入热处理工序；

(4)热处理

热处理包括三个环节：一次热处理、加热烘干及二次热处理；

所述的一次热处理为采用功率至少为1000kw的加热炉进行感应加热，将连管管体加热到Ac3线以上，所述的感应加热炉需具备必要的有效加热长度，以保证整个管体均匀透热，加热完成后在1-2米内进入冷却水系统进行盐水冷却，所述的盐水的浓度、温度、流量、压力由连管壁厚及制管速度决定，以确保整个管壁在10s内冷却到相变点温度以下，完成组织转变；

再将连管表面加热到50～80℃，去除入水冷却过程中所残留的水分；

再将连管进行二次热处理，所述的二次热处理通过感应加热炉将管体加热到300～680℃，然后经过空冷冷却到100℃以下，最后入水冷却到室温即得该连续油管。

2.根据权利要求1所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管，其特征在于，步骤(2)中所述的焊接为TIG、MIG或等离子焊中任意一种。

3.根据权利要求1所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管，其特征在于，步骤(4)中所述的二次热处理在处理有承载强度要求的管段时，其加热温度为300～550℃。

4.根据权利要求1所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管，其特征在于，步骤(4)中所述的二次热处理在处理有抗腐蚀能力要求的管段时，其加热温度为600～680℃。

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