CN110184542B - 一种高性能无缝化连续管及其制造方法 - Google Patents

一种高性能无缝化连续管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能无缝化连续管及其制造方法，包括：通过高纯净度精炼、连铸技术、热控扎控冷、酸洗等工艺制备出连续管专用板材；通过卷板纵剪、钢带对接、排辊成型及带保护气体的高频感应焊技术制备出管坯；对同一规格管坯经热轧减径工艺，连续生产出等外经或变外径的管材；对管材去应力处理，实现降低管体残余应力，提高管材韧性，降低管材硬度，获得综合性能良好的连续管产品。本发明的连续管产品性能符合API标准要求；热轧减径技术使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，与母材组织趋于一致，实现物理无缝化，从而有效提高了连续管整体性能，增加连续管的使用寿命及作业安全性；极大推动了连续管作业技术的进步，市场应用前景广阔。

Description

一种高性能无缝化连续管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及石油天然气管材技术领域，具体涉及一种高性能无缝化连续管及其制造方法。
背景技术：
连续管(Coiled tubing，简称CT)是相对于常规螺纹连接油管而言的，又称为连续管、挠性油管、蛇形管或盘管，可缠绕在大直径卷筒上，是由若干段钢带接在一起，经成型、焊接而成的长度达数千米的油气管材。连续管可在油井中连续、高效的下入或起出，用于油田修井、钻井、完井、测井、增产、采油、采气等领域，贯穿了油气开采的全过程，其作业效率高、应用范围广、可带压作业等独特优势，倍受油田用户青睐，连续管技术在油气田勘探开发中发挥着越来越重要的作用。
连续管是上述作业技术得以顺利实施的关键部件，用量大、质量要求高。但由于连续管服役环境恶劣，受力情况复杂，易产生复杂、多样的管材失效问题。一盘连续管中，多条钢带对接所形成的多个环向焊缝及贯穿管体全长的连续、纵向焊缝通常是整盘管材的“薄弱”位置。研究表明，导致连续管发生刺漏、断裂、腐蚀等失效问题的根源多与环向、纵向焊缝有关。
现有连续管制造技术，无论进口连续管，还是国产连续管，无论管材钢级、规格均易在环向或纵向焊缝位置形成“问题源”，在“问题源”易诱发缺陷的萌生及长大，最终管材呈现不同类型的失效，轻则造成整盘连续管报废，重则发生管柱掉井或有毒有害气体泄漏，会造成极大的人力、物力损失，甚至造成重大伤亡事故。针对连续管焊缝问题，中国专利ZL201410674059.9公开的“一种无焊接缺陷连续油管及制造方法”，对钢带对接焊缝采用加热、冲压、回火工艺；对纵向焊缝采用局部加热、挤压辊对管材施压到达对焊缝施加一定的形变量，焊缝区域淬火工艺。该专利能够改善焊缝组织、提高焊缝性能，但是连续管的环向及纵向焊缝依然存在，管体焊缝较母材仍属于薄弱区，环向或纵向焊缝位置引发管材失效的问题未从根本解决。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高性能无缝化连续管及其制造方法，通过对管坯热轧减径，可以实现等外经及变外径两种的连续管产品，同时使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，达到焊缝与母材的组织及性能趋于一致，实现物理无缝化，有效提高连续管整体性能，从而增加连续管的使用寿命及作业安全性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高性能无缝化连续管，连续管的板材化学成分按质量百分数为：C：0.03-0.16％；Si：0.15-0.50％；Mn：0.5-1.8％；P：≤0.009％；S：≤0.003％；Cu：0.15-0.8％；Cr：0.4-6.0％；Ni：0.1-0.6％；Mo：0.2-0.8％；Ti：0.01-0.08％；Nb：0.02-0.1％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述高性能无缝化连续管的制造方法，包括以下步骤：
(1)制备卷板：将铁水作为主原料进行预脱硫处理，依次经过顶底复吹转炉冶炼、合金微调、LF升温脱硫、RH真空脱碳和Ca处理，使钢水的成分质量百分数达到上述要求即可出钢，浇注连铸坯，采用连铸技术应用动态轻压下和电磁搅拌铸成板坯；通过多道次热机械控制轧制工艺(TMPC)制备出2.4-7.1mm厚度的热轧卷板，酸洗、精整、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用；
(2)卷板纵剪和对焊接长：将制备好的卷板按照管坯规格要求，通过纵剪机组剪成为规定宽度钢带；采用搅拌摩擦焊、等离子填丝焊或CO2气体保护焊，通过40-50°斜焊对接的方法使钢带连接至目标长度；对钢带对接接头进行多道次加热及形变处理以优化焊缝组织，对焊缝区域进行修磨及无损检测。
(3)制备管坯：对接钢带铣边后经排辊弯曲成型，采用高频感应焊接的方法(HFW)焊接成管坯，整个焊接过程采用纯度≥99.7％的氮气，在连续气体保护下焊接；开口角θ控制在4-8°，焊缝的挤压量控制在2.0-5.0mm，焊接速度为15-25m/min；焊后即时对焊接产生的焊缝内、外毛刺清除至与管体内、外表面平齐状态；通过中频感应加热对焊缝进行热处理，焊缝迅速加热到900-960℃，随后在氮气保护下控制焊缝冷却速度，当冷却到350-400℃进行水冷；
(4)管坯热轧减径：采用中频加热炉和马弗炉相结合的复合加热方式将管坯以20-50℃/s的加热速率快速加热至900-1020℃；然后管坯进入热轧减径机组，通过挤压辊多道次的热机械轧制和热张力减径得到所需规格的连续管，每道次管径减少量在4-8％；通过实时控制系统对热轧减径机组精确调整，使管径、壁厚实时调整，到达设计的目标规格；同时，热轧减径使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，达到与母材接近一致，实现物理无缝化；
(5)管体去应力处理：将管体用中频炉迅速加热到400-700℃，随后以10-20℃/s的冷速至250-350℃进行水冷，实现降低管体残余应力，提高管材韧性，降低管材硬度，获得综合性能良好的连续管产品；最后将冷却后的连续管表面涂敷防腐剂，在连续卷取机上进行卷曲，得到所需长度的高性能无缝化连续管。
上述(2)中对钢带对接接头进行多道次加热及形变处理的具体工艺：快速加热到890±20℃→自然冷却到840±20℃；快速加热到940±20℃→自然冷却到840±20℃；快速加热到980±20℃后对焊缝进行5-7吨力的碾压或锻压；自然冷却后快速加热到550-650℃进行退火。
上述(4)中通过挤压辊多道次的热机械轧制和热张力减径得到的连续管管体包括等外经和变外径两种；等外径连续管的外径范围为Φ25.4-Φ88.9mm；变外径连续管，单根连续管可以为两种以上的外径变化或者为外径呈线性连续渐变，管径范围Φ25.4-Φ88.9mm。
上述高性能无缝化连续管的壁厚范围为2.4-7.6mm，长度范围为100-8000m。可以缠绕到适当芯径的卷筒上，以便运输和使用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供了一组高性能无缝化连续管的化学成分，特点是C、Si、Mn、Cr等元素范围宽，可生产超高强度或低Cr耐蚀等特殊性能连续管；对P、S等有害元素严格控制，有利于提高连续管的弯曲疲劳性能。
2、本发明提供了配套的卷板制造技术，采用全流程超洁净度的LF+RH双联精炼工艺，实现深度脱气、脱碳、脱硫、脱磷；连铸采用动态轻压下和电磁搅拌铸技术，增加铸坯中心的致密度，提高化学成分的均匀性，减少铸坯中心偏析，保证了连续管卷板的高质量。
3、本发明通过对钢带对接接头进行多道次加热及形变处理工艺，有利于优化焊缝组织，防止焊接接头软化，提高钢带接头质量；通过对同一规格管坯经热轧减径工艺，可以连续生产出等外经和变外径的管材；同时，热轧减径使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，达到与母材接近一致，实现物理无缝化，从而有效提高连续管整体性能，从而增加连续管的使用寿命及作业安全性。
附图说明：
图1为本发明的等外径连续管示意图。
图2为本发明的阶梯状连续渐变-变外径连续管示意图。
图3为本发明的线性连续渐变-变外径连续管示意图。
图4为传统连续管制造工艺下，连续管纵向焊缝形貌，焊缝脱碳明显。
图5为本发明的热轧减径后连续管纵向焊缝形貌，焊缝实现物理无缝化。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
通过Φ73×3.8mm规格管坯，制造出3种几何形状的CT90钢级高性能无缝化连续管，其主要制造步骤如下：
板材的化学成分质量百分数如下：C：0.1％；Si：0.35％；Mn：0.5％；P：0.005％；S：0.0008％；Cu：0.45％；Cr：0.65％；Ni：0.20％；Mo：0.3％；Ti：0.015％；Nb：0.03％，其余为Fe及不可避免的杂质。
1、将铁水预脱硫、冶炼、调合金、LF+RH、Ca处理，连铸成100mm厚度的板坯；加热至1200℃粗轧，780-860℃精轧至3.8mm，经酸洗、精整、卷曲供制管使用，在450-550℃进行卷取。
2、卷板纵剪与接长
将卷板纵剪成宽226mm的钢带，将前后两条钢带的端头加工成45°后通过等离子填丝焊对接；钢带对接接头进行多道次加热及形变处理，具体工艺：快速加热到890℃→自然冷却到840℃；快速加热到940℃→自然冷却到840℃；快速加热到980℃后对焊缝进行6吨力的碾压；自然冷却后快速加热到600℃退火，对焊缝区域修磨及无损检测，将钢带接长至5200米。
3、制备管坯
钢带铣边后经排辊弯曲成型，采用高频感应焊接的方法焊接成管坯，采用纯度≥99.7％的氮气气体保护焊接。开口角θ控制在6°，焊缝的挤压量控制在5mm，焊接速度为22m/min。焊后清除焊缝内、外毛刺至与管体内、外表面平齐状态。焊缝中频感应加热到930℃，在氮气保护下冷却到380℃水冷。制备出规格为Φ73×3.8mm去毛刺管坯。
4、管坯热轧减径
采用上述制备出的Φ73×3.8mm管坯，通过控制热轧减径机组，可制备出三种几何形状的管材，方法如下：
(1)制备φ50.8×4.0mm等外径连续管，如图1所示。
将Φ73×3.8mm管坯以40℃/s加热至1000℃；进入热轧减径机组，通过1-5道次挤压辊机械轧制减径，制备出φ50.8×4.0mm连续管，长度5000米。其中，前3道次管径变形量8％，管径依次减小为67.16mm→61.79mm→56.84mm；第4道次管径变形量5％，管径为53.99mm，第5道次管径减变形量6％，管径为50.8mm；通过热轧挤压过程，将管材壁厚由3.8mm提高到4.0mm；同时，热轧挤压减径过程，使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，与母材的组织及性能趋于一致，实现焊缝物理无缝化。
(2)制备φ(60.3-50.8-44.5)×4.4mm变外径连续管，如图2所示。
将Φ73×3.8mm管坯以40℃/s加热至1000℃；进入热轧减径机组，通过1-3道次挤压辊机械轧制减径，每道次变形量6％，制备出φ60.3×4.4mm连续管，长度1000米；4-6道次挤压辊介入挤压减径，变形量依次为6％、6％、5％，制备出φ50.8×4.4mm连续管，长度2000米；7-9道次挤压辊介入挤压减径，变形量依次为4％、4％、5％，制备出φ44.5×4.4mm连续管，长度2000米；每个不同外径之间呈线性变化。
(3)制备φ(60.3-44.5)×4.4mm连续变外径连续管，如图3所示。
将Φ73×3.8mm管坯以40℃/s加热至1000℃；进入热轧减径机组，通过控制系统，输入制管长度5000米，管径变化60.3-44.5mm，壁厚变化3.8-4.4mm，即可设计出每道次的变形量及不同道次挤压的介入时间，制备出φ(60.3-44.5)×4.4mm连续变外径连续管。
5、管体去应力处理
将管体加热到550℃，冷至250-350℃水冷，从而降低管体热轧减径过程中的残余应力，提高管材韧性，降低管材硬度；管材表面涂敷防腐剂，卷曲成盘，得到所需长度的高性能无缝化连续管产品。
6、主要性能
采用上述方法制备出的三种几何形状的CT90钢级连续管，产品性能均能满足APISpec 5ST标准要求，实物性能检测结果如表1、表2所示，金相组织如图5所示。通过表1和表2可以看出：该方法生产的高性能无缝化连续管产品性能符合API标准要求。通过图4和图5可以看出：本发明管材焊缝组织优化显著，与母材组织趋于一致，物理无缝化，能够增加连续管的使用寿命及作业安全性；采用同一规格管坯，能够制造出三种几何形状连续管，能够满足复杂井况下的连续管作业，极大推动了连续管作业技术的进步，市场应用前景广阔。
表1管材主要性能测试结果
Figure BDA0002099359840000071
表2图5所示焊缝的金相分析结果
Figure BDA0002099359840000081

Claims (2)

1.一种高性能无缝化连续管的制造方法，其特征在于：连续管的板材化学成分按质量百分数为：C：0.1％；Si：0.35％；Mn：0.5％；P：0.005％；S：0.0008％；Cu：0.45％；Cr：0.65％；Ni：0.20％；Mo：0.3％；Ti：0.015％；Nb：0.03％，其余为Fe及不可避免的杂质；包括以下步骤：
(1)制备卷板：将铁水作为主原料进行预脱硫处理，依次经过顶底复吹转炉冶炼、合金微调、LF升温脱硫、RH真空脱碳和Ca处理，使钢水的成分质量百分数达到上述要求即可出钢，浇注连铸坯，采用连铸技术应用动态轻压下和电磁搅拌铸成板坯；通过多道次热机械控制轧制工艺制备出2.4-7.1mm厚度的热轧卷板，酸洗、精整、检测后，经张力卷曲机卷曲成卷板供制管使用；
(2)卷板纵剪和对焊接长：将制备好的卷板按照管坯规格要求，通过纵剪机组剪成为规定宽度钢带；采用搅拌摩擦焊、等离子填丝焊或CO2气体保护焊，通过40-50°斜焊对接的方法使钢带连接至目标长度；对钢带对接接头进行多道次加热及形变处理以优化焊缝组织，对焊缝区域进行修磨及无损检测；所述(2)中对钢带对接接头进行多道次加热及形变处理的具体工艺为：快速加热到890±20℃→自然冷却到840±20℃；快速加热到940±20℃→自然冷却到840±20℃；快速加热到980±20℃后对焊缝进行5-7吨力的碾压或锻压；自然冷却后快速加热到550-650℃进行退火；
(3)制备管坯：对接钢带铣边后经排辊弯曲成型，采用高频感应焊接的方法(HFW)焊接成管坯，整个焊接过程采用纯度≥99.7％的氮气，在连续气体保护下焊接；开口角θ控制在4-8°，焊缝的挤压量控制在2.0-5.0mm，焊接速度为15-25m/min；焊后即时对焊接产生的焊缝内、外毛刺清除至与管体内、外表面平齐状态；通过中频感应加热对焊缝进行热处理，焊缝迅速加热到900-960℃，随后在氮气保护下控制焊缝冷却速度，当冷却到350-400℃进行水冷；
(4)管坯热轧减径：采用中频加热炉和马弗炉相结合的复合加热方式将管坯以20-50℃/s的加热速率快速加热至900-1020℃；然后管坯进入热轧减径机组，通过挤压辊多道次的热机械轧制和热张力减径得到所需规格的连续管，每道次管径减少量在4-8％；通过实时控制系统对热轧减径机组精确调整，使管径、壁厚实时调整，到达设计的目标规格；同时，热轧减径使管材环向及纵向焊缝组织显著细化，达到与母材接近一致，实现物理无缝化；
(5)管体去应力处理：将管体用中频炉迅速加热到400-700℃，随后以10-20℃/s的冷速至250-350℃进行水冷，实现降低管体残余应力，提高管材韧性，降低管材硬度，获得综合性能良好的连续管产品；最后将冷却后的连续管表面涂敷防腐剂，在连续卷取机上进行卷曲，得到所需长度的高性能无缝化连续管。
2.根据权利要求1所述的一种高性能无缝化连续管的制造方法，其特征在于：所述(4)中通过挤压辊多道次的热机械轧制和热张力减径得到的连续管管体包括等外经和变外径两种；等外径连续管的外径范围为Φ25.4-Φ88.9mm；变外径连续管，单根连续管可以为两种以上的外径变化或者为外径呈线性连续渐变，管径范围Φ25.4-Φ88.9mm。
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