CN212886031U - 一种油气开发用三明治结构冶金复合管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种油气开发用三明治结构冶金复合管，属于油气开发用油管技术领域。所述油气开发用三明治结构冶金复合管包括：耐蚀合金金属内层、碳钢金属中层及耐蚀合金金属外层，所述耐蚀合金金属内层内嵌于碳钢金属中层中，所述碳钢金属中层内嵌于耐蚀合金金属外层；其中，所述耐蚀合金金属内层和碳钢金属中层之间、所述碳钢金属中层和耐蚀合金金属外层之间具有高温元素互扩散冶金结合层。本实用新型技术方案能够保证油井管柱的强度需求，同时可实现内壁输送介质防腐和外壁环空保护液防腐完整性。

Description

一种油气开发用三明治结构冶金复合管

技术领域

本实用新型属于油气开发用油管技术领域，特别涉及一种三明治结构冶金复合管。

背景技术

近年来，油气田服役环境日益极端化，在高温、高压、高腐蚀介质的耦合作用下，油井管内壁由于输送介质均匀腐蚀及点蚀，油井管外壁由于环空保护液均匀腐蚀及应力腐蚀失效频繁发生，不仅严重影响油气田日常勘探开发工作，而且造成生态环境破坏、威胁社会公共安全。因此，油气开发管道的腐蚀控制是业内长期攻克的方向。

油气开发腐蚀介质较为复杂，环境中的H₂S、CO₂、Cl^-、环空保护液中的甲酸盐、磷酸盐均会对油井管造成均匀腐蚀、点蚀及应力腐蚀，加速油井管的失效。针对四川的普光气田、新疆塔里木油田等高温、高压同时含有H₂S、CO₂、Cl^-的油气田、目前多选用超级13Cr和镍基合金，但上述纯材油井管成本过高，难以大面积推广使用。

目前，双金属复合管将外层碳钢的高强度和内层耐蚀合金的防腐蚀性能有机结合，既提高了管道的耐腐蚀性能，又降低了成本，得到了油气井开发领域的广泛关注。双金属复合管根据界面结合方式可分为机械型复合管和冶金型复合管。机械型复合管由于界面结合强度较低，在井下高温和复杂载荷下，内层耐蚀合金易发生失稳、脱落、坍塌等失效现象、且失效一旦发生，会加速整管的腐蚀失效。冶金型双金属复合管由于界面通过高温元素互扩散方式结合，界面结合强度明显提高。然而，外层碳钢由于API Spec5CT标准要求，强度较高，在外部环空保护液中甲酸盐、磷酸盐的综合作用下，易发生应力腐蚀，造成整个管道的腐蚀失效。

综上，本实用新型开发了一种内层耐蚀合金，中层碳钢，外层耐蚀合金的三明治结构冶金复合管，在保证油井管强度的前提下，极大的提高了油井管耐输送介质、环空保护液腐蚀的能力。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种三明治结构冶金复合管，以解决机械型复合管界面结合强度问题。本实用新型能够保证油井管柱的强度需求，同时可实现内壁输送介质防腐和外壁环空保护液防腐完整性。

根据本实用新型技术方案，提供一种油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述油气开发用三明治结构冶金复合管包括：耐蚀合金金属内层、碳钢金属中层及耐蚀合金金属外层，所述耐蚀合金金属内层内嵌于碳钢金属中层中，所述碳钢金属中层内嵌于耐蚀合金金属外层；

其中，所述耐蚀合金金属内层和碳钢金属中层之间、所述碳钢金属中层和耐蚀合金金属外层之间具有高温元素互扩散冶金结合层。

进一步的，所述高温元素互扩散冶金结合层为脱碳层。

进一步的，所述脱碳层厚度为60μm-90μm。

进一步的，所述耐蚀合金金属内层和耐蚀合金金属外层为相同厚度或不同厚度。

进一步的，所述耐蚀合金金属内层的厚度为2mm～3mm。

进一步的，所述耐蚀合金金属外层的厚度为1.5mm～2.5mm。

进一步的，所述耐蚀合金金属内层与耐蚀合金金属外层为相同材料或不同材料。

进一步的，所述耐蚀合金金属内层为双相不锈钢金属内层或镍基合金金属内层。

进一步的，所述耐蚀合金金属外层为奥氏体不锈钢金属外层或双相不锈钢金属外层。

进一步的，三明治结构冶金复合管外径为φ88.9mm和总壁厚为6.45mm。

进一步的，所述碳钢金属中层的碳钢微观组织为回火索氏体。

进一步的，所述碳钢金属中层为满足API Spec5CT标准要求强度的碳钢。

进一步的，所述三明治结构冶金复合管的管径和壁厚满足API Spec5CT标准要求的油管规格。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的三明治结构冶金复合管，金属内层为耐蚀合金，金属中层为碳钢，金属外层为耐蚀合金，内层与中层，中层与外层均采用冶金结合，相比于纯材耐蚀合金油管强度更高，成本更低。

(2)本实用新型制备的三明治结构冶金复合管，用真空焊接结合感应加热穿孔技术制备三明治结构冶金复合管管体，保证三层金属厚度均匀，界面平直，界面结合力强；采用双重正火+调质对油管整管进行热处理，保证了整个油井管强度满足API Spec5CT要求。

(3)本实用新型制备的三明治结构冶金复合管，内层与外层耐蚀合金可有效对输送介质及环空保护液进行腐蚀完整性防护，填补了目前双金属复合管对外层环空保护液腐蚀完整性防护的空白。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种三明治结构复合管的结构示意图。

其中：1.耐蚀合金内层；2.碳钢中层；3.耐蚀合金外层。

图2为具体实施例中内层825镍基合金和中层30CrMoA碳钢结合界面微观组织图。

图3为具体实施例中外层316L不锈钢和中层30CrMoA碳钢结合界面微观组织图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“内”、“中”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型技术方案提供一种三明治结构冶金复合管，其特征在于，包括：金属内层，金属中层和金属外层；

所述金属内层和所述金属中层，所属金属外层和所述金属中层通过高温元素互扩散技术进行冶金结合；

所述金属内层的材质为耐蚀合金，所述金属中层的材质为碳钢，所述金属外层的材质为耐蚀合金。

金属内层的厚度为2mm～3mm，所述耐蚀合金为双相不锈钢或镍基合金；所述金属外层的厚度为1.5mm～2.5mm，所述耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢。金属中层为碳钢，通过双重正火加调质热处理工艺，可满足API Spec5CT 标准要求强度的碳钢。三明治结构冶金复合管的管径和壁厚满足API Spec5CT 标准要求的油管规格。

根据本实用新型技术方案的三明治结构冶金复合管可通过以下方法进行制备：

(1)将金属内层、金属中层及金属外层利用真空焊接技术嵌套，随后进行感应加热穿孔，获得三明治结构冶金复合管的管坯，随后进行空冷处理至室温；

(2)将步骤(1)获得的三明治结构冶金复合管的管坯进行冷轧成型，使金属内层(1)和金属外层(3)达到预设厚度；

(3)将步骤(2)轧制处理获得的三明治结构冶金复合管进行整管热处理，使金属中层(2)达到预设强度，完成三明治结构冶金复合管的制备。

步骤(1)中，金属内层、金属中层及金属外层通过机械嵌套、真空焊接技术对层状结构进行机械和冶金固定，随后进行感应加热穿孔，通过高温元素互扩散技术保证三层技术界面冶金结合，获得三明治结构冶金复合管的管坯。

步骤(2)具体包括：将管坯在室温下分别进行粗轧和精轧，完成冷轧成型；

步骤(3)热处理工艺具体包括：对三明治结构冶金复合管进行整管双重正火处理，随后进行调质处理，完成热处理工艺。

请参阅图1，本实用新型的一种三明治结构冶金复合管，一种三明治结构冶金复合管，其特征在于，包括：金属内层(1)，金属中层(2)和金属外层(3)；所述金属内层(1)和所述金属中层(2)，所属金属外层(3)和所述金属中层(2) 通过高温元素互扩散技术进行冶金结合；所述金属内层(1)的材质为耐蚀合金，所述金属中层(2)的材质为碳钢，所述金属外层(3)的材质为耐蚀合金。根据现场工况腐蚀情况，金属内层(1)的厚度为2mm～3mm，耐蚀合金为双相不锈钢或镍基合金，如双相不锈钢2205/2507或镍基合金825、625、G3等；金属外层(3)的厚度为1.5mm～2.5mm，耐蚀合金为奥氏体不锈钢或双相不锈钢，如奥氏体不锈钢316、316L或双相不锈钢2205/2507。金属中层选取传统油套管用碳钢，如27CrMo4、30CrMoA等通过热处理可满足API Spec5CT标准要求强度的碳钢。

实施例

本实用新型具体实施例的一种φ88.9mm×6.45mm镍基合金825/碳钢 30CrMoA/奥氏体不锈钢316L的三明治结构冶金复合管，具体步骤如下：

一、金属内层、金属中层及金属外层利用真空焊接技术嵌套，随后进行感应加热穿孔，感应加热温度为900℃～1200℃，获得三明治结构冶金复合管的管坯，随后进行空冷处理至室温。

二、冷轧成型，将管坯进行两道粗轧和两道精轧，轧下量由三明治结构的三层金属的塑性变形能力和硬度控制，油管定径为精轧过程，保证油管外径为φ 88.9mm和总壁厚为6.45mm复合API Spec5CT，同时满足内层825镍基合金厚度为2mm，外层316L奥氏体不锈钢厚度为1.5mm。

三、整管热处理：轧制成型的三明治结构冶金复合管的热处理工艺为：双重正火工艺为：加热至900℃，保温40min，空冷至室温；继续加热至930℃，保温30min，空冷至室温；调质工艺为：加热至880℃，保温60min，水淬；高温回火温度590℃，保温75min，空冷至室温。

请参阅图2，图2为镍基合金825/碳钢30CrMoA三明治结构冶金复合管界面微观组织，碳钢处存在脱碳层，脱碳层厚度为60μm，界面结合强度为572MPa。

请参阅图3，图3为奥氏体不锈钢316L/碳钢30CrMoA三明治结构冶金复合管界面微观组织，碳钢处存在脱碳层，脱碳层厚度为75μm，界面结合强度为 561MPa。

三明治结构冶金复合管中碳钢30CrMoA经过双重正火+调质热处理后，微观组织整体呈回火索氏体。屈服强度764MPa，抗拉强度877MPa，断后伸长率 31％。可见该油管既满足P110油管的强度需求，由兼顾内外层防腐蚀性能。

本实用新型公开的三明治结构冶金复合管及其制备方法，采用真空焊接技术及感应加热穿孔技术制备获得三明治结构冶金复合管的管坯；其中，内、中、金属外层通过高温元素互扩散技术进行冶金结合；将获得的三明治结构冶金复合管的管坯进行冷轧成型，使得三明治结构冶金复合管的管径和壁厚满足预订标准，使得三明治结构冶金复合管的内层、外层耐蚀合金达到预设厚度要求；将冷轧成型的三明治结构冶金复合管进行整管双重正火+调质热处理，使中层碳钢强度达到标准强度要求，完成三明治结构冶金复合管的制备。本实用新型的方法能够保证油井管柱的强度需求，同时可实现内壁输送介质防腐和外壁环空保护液防腐完整性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的应用范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的应用范围之内。因此，本实用新型的应用范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述油气开发用三明治结构冶金复合管包括：耐蚀合金金属内层、碳钢金属中层及耐蚀合金金属外层，所述耐蚀合金金属内层内嵌于碳钢金属中层中，所述碳钢金属中层内嵌于耐蚀合金金属外层；

其中，所述耐蚀合金金属内层和碳钢金属中层之间、所述碳钢金属中层和耐蚀合金金属外层之间具有高温元素互扩散冶金结合层。

2.根据权利要求1所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述高温元素互扩散冶金结合层为脱碳层。

3.根据权利要求2所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述脱碳层厚度为60μm-90μm。

4.根据权利要求1所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属内层和耐蚀合金金属外层为相同厚度或不同厚度。

5.根据权利要求4所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属内层的厚度为2mm～3mm。

6.根据权利要求4所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属外层的厚度为1.5mm～2.5mm。

7.根据权利要求1所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属内层与耐蚀合金金属外层为相同材料或不同材料。

8.根据权利要求7所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属内层为双相不锈钢金属内层或镍基合金金属内层。

9.根据权利要求7所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，所述耐蚀合金金属外层为奥氏体不锈钢金属外层或双相不锈钢金属外层。

10.根据权利要求1所述的油气开发用三明治结构冶金复合管，其特征在于，三明治结构冶金复合管外径为φ88.9mm和总壁厚为6.45mm。

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