超级13Gr油管内壁缺欠原因及对性能影响

２０１５年第４４卷第８期第４８页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜　２０１５，４４（８）：４８５２文章编号：１００１３４８２（２０１５）０８００４８０５超级１３犌狉油管内壁缺欠原因及对性能影响杨向同１，吕拴录１，２，彭建新１，王　鹏３，刘文红３，高文祥１，杨双宝１，耿海龙１，李金凤３，朱丽娟３（１．塔里木油田，新疆库尔勒８４１０００；２．中国石油大学材料科学与工程系，北京１０２２４９；３．中国石油集团石油管工程技术研究院，西安７１００７７）摘要：采用管道内窥镜对超级１３Ｃｒ油管内壁进行了宏观检查，对发现的疑似缺欠用超声波进行复检，对含有缺欠的油管取样进行理化试验。分析结果后认为油管内壁缺欠对其抗内压强度没有影响，但缺欠部位会首先发生腐蚀，可能诱发应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳裂纹。油管内壁缺欠的产生原因与轧管工艺不当有关。目前，油管生产厂采用的打磨方法无法从根本上消除油管内壁的缺欠。关键词：油管；内壁；缺欠；腐蚀中图分类号：ＴＥ９３１．２０７　　　文献标识码：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３８４２．２０１５．０８．０１１犆犪狌狊犲犃狀犪犾狔狊犻狊狅狀犐犿狆犲狉犳犲犮狋犻狅狀狅狀犐狀狀犲狉犛狌狉犳犪犮犲犪狀犱犐狋狊犈犳犳犲犮狋狅狀犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狅犳犛狌狆犲狉１３犆狉犜狌犫犻狀犵ＹＡＮＧＸｉａｎｇｔｏｎｇ１，ＬＹＵＳｈｕａｎｌｕ１，２，ＰＥＮＧＪｉａｎｘｉｎ１，ＷＡＮＧＰｅｎｇ３，ＬＩＵＷｅｎｈｏｎｇ３，ＧＡＯＷｅｎｘｉａｎｇ１，ＹＡＮＧＳｈｕａｎｇｂａｏ１，ＧＥＮＨａｉｌｏｎｇ１，ＬＩＪｉｎｆｅｎｇ３，ＺＨＵＬｉｊｕａｎ檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪３３　结论１）　通过理论与试验方法研究了膨胀管胀后与套管之间的悬挂力。研究结果表明，随着过盈量的增加，悬挂力的增幅与膨胀力的增幅并非正相关；在安全作业范围内膨胀力与悬挂力之间存在相对最优阀值，该阀值由密封件材料特性决定；以金属铜为密封件，当过盈量为１．４ｍｍ时单位膨胀力获得最大悬挂力。２）　在厚壁圆筒理论基础上推导的膨胀管悬挂力计算结果以及ＡＢＡＱＵＳ模拟研究与试验结论有较高的一致性，研究结果可作为膨胀管现场施工的参考依据。３）　膨胀管材料特性与密封件结构存在巨大的改进空间，是今后的研究方向。参考文献：［１］　沙庆云，任毅．石油专用管材生产技术的现状及进展［Ｊ］．鞍钢技术，２０００（６）：１３１５．［２］　李作会．膨胀管关键技术研究及首次应用［Ｊ］．石油钻采工艺，２００４，２６（３）：１７１９．［３］　关大新，杨文晨．特殊抠油井管的发展［Ｊ］．天津冶金，２００１（增刊）：２０２３．［４］　高连新，史交齐．油套管特殊螺纹接头连接技术的研究现状及展望［Ｊ］．石油矿场机械，２００８，３７（２）：１５１９．［５］　ＳｔｅｗａｒｔＲＢＳｈｅｌｌ．Ｅｘｐａｎｄａｂｌｅｔｕｂｕｌａｒｓｐｒｏｍｉｓｅｔｏｃｕｔｃｏｓｔｓｗｈｉｌｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｔｅｐｏｕｔａｎｄｗｅｌｌｄｅｐｔｈｓ［Ｇ］．ＤＲＩＬＩＮＧＣＯＮＴＲＡＣＴＯＲ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ／Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９８：３７３９．［６］　杨明．可膨胀管明显提高钻井效率［Ｊ］．世界石油工业，２０００：７（３）：３５３７．［７］　王俊芳，曹鸿斌，孙朝林，等．国外套管钻井技术综述［Ｊ］．断块油气田．２００１，８（６）：６７６８．［８］　徐宜山．胀管技术简介［Ｊ］．科学与财富，２０１０（６）：２２２３．［９］　张建兵，施太和，练章华．钻井实体膨胀管技术［Ｊ］．石油机械，２００３，３１（增刊）：１２８１３１．［１０］　韩伟业，裴晓含，李益良，等．膨胀管抗外挤强度试验研究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１４，４３（５）：５６５９．　收稿日期：２０１５０２３０　作者简介：杨相同（１９７２），男，甘肃武山人，１９９６年毕业于中国石油大学（华东），高级工程师，从事测井和试油技术研究和管理工作。（１．犜犪狉犻犿犗犻犾犉犻犲犾犱，犓狅狉犾犪８４１０００，犆犺犻狀犪；２．犕犪狋犲狉犻犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪；３．犜狌犫狌犾犪狉犌狅狅犱狊犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犆犺犻狀犪犖犪狋犻狅狀犪犾犘犲狋狉狅犾犲狌犿犆狅狉狆狅狉犪狋犻狅狀，犡犻’犪狀７１００７７，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｍａｃｒｏｇｒａｐｈｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｆｏｒｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｕｐｅｒ１３Ｃｒｔｕｂｉｎｇｗｉｔｈｐｉｐｅｌｉｎｅｅｎｄｏｓｃｏｐｅ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｆｏｕｎｄｐｅｒｅｎｄｏｓｃｏｐｅａｒｅｒｅｉｎｓｐｅｃｔｅｄｗｉｔｈＵＴ，ａｎｄｓｏｍｅｔｕｂｉｎｇｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｗｅｒｅｓａｍｐｌｅｄｆｏｒｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｃｈｅｍｉｓｔｒｙｔｅｓｔ．Ｉｔｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｆｒｏｍｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｎｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｕｂｉｎｇｉｓｎｏｔａｆｆｅｃｔｅｄｔｏｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｂｕｔｉｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆｉｒｓｔｔｈａｔｍａｙｉｎｄｕｃｅＳＣＣａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ．Ｔｈｅｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｎｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｕｂｉｎｇｉｓｎｏｔｏｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｕｂｅｂｌａｎｋ．Ｔｈｅｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｏｎｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｕｂｉｎｇｃｏｕｌｄｎｏｔｂｅｒｅｍｏｖｅｄｐｅｒｔｈｅｂｕｒｎｉｓｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｐｒｅｓｅｎｔ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｕｂｉｎｇ；ｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅ；ｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　　超级１３Ｃｒ马氏体不锈钢油管对表面缺欠特别敏感，满足ＩＳＯ１３６８０标准规定的Ｎ５刻槽探伤要求的超级１３Ｃｒ油管在高温高压井使用也会发生失效事故。某高温高压井超级１３Ｃｒ油管接箍发生断裂事故，失效分析认为断口起源于没有超过Ｎ５刻槽的原始裂纹［１］。对某高温高压井油管起出检查，油管内壁存在氧化皮的部位首先发生腐蚀［２］。对某高温高压井油管应力腐蚀开裂事故分析结果，裂纹起源于外壁腐蚀坑［３］。２０１４０３发现部分超级１３Ｃｒ油管内壁存在不同程度的划痕缺欠，划痕有明显手感，目测呈凹陷型，大多数划痕长度０．３～６．０ｍ，部分油管几乎全长存在划痕。部分油管内壁存在不同程度打磨痕迹，打磨部位均在管端附近，打磨部分均匀光滑，用手触摸无棱角。为了搞清油管内壁质量状况，本文对油管内表面质量进行了检测。１　油管内壁质量检查１．１　油管内表面打磨形貌油管内表面划痕及打磨形貌如图１。从图１可知，该批油管在出厂之前由于内壁存在质量问题进行了打磨处理。图１　油管内壁划痕和打磨痕迹１．２　油管内窥镜检查及打磨位置测量采用管道内窥镜对１１１根８８．９ｍｍ×６．４５ｍｍ超级１３Ｃｒ油管内壁进行了检查，并对打磨位置和油管长度进行了测量，发现１２根油管内壁有疑似缺欠（如图２）。图２　油管内壁缺欠检查结果及打磨位置１．３　超声波复检及解剖检查结果采用ＨＳ６００型数字式超声波探伤仪对所有内窥镜检查发现疑似缺欠的１２根油管复检，２根油管存在没有超标的缺欠波形。其中６２２６号油管内窥镜检查发现在距外螺纹接头端部０．９９～１．９９ｍ的内壁存在线性缺欠，采用超声波对该处复检，示波屏显示的波形高度为Ｎ５刻槽报警值的６２．５％。对该油管内壁缺欠部位纵向解剖后缺欠形貌如图３～４。·９４·　第４４卷　第８期　　　　　　杨向同，等：超级１３Ｇｒ油管内壁缺欠原因及对性能影响图３　６２２６号油管在距外螺纹接头端０．９５～１．９９ｍ处解剖后内壁线性缺欠形貌图４　６２２６号油管在距外螺纹接头端０．９５～１．９９ｍ处解剖后内壁线划痕形貌２　理化检验２．１　化学成分分析采用直读光谱仪对该油管试样材料进行化学成分分析，符合ＩＳＯ１３６７９标准要求（如表１）。２．２　力学性能检测沿油管管体纵向取宽度为２５．４ｍｍ的板状拉伸试样、７．５ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ和５ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍ的夏比Ｖ型缺口冲击试样和硬度块试样。力学性能试验结果如表２～３。材料拉伸、冲击和硬度试验结果表明，油管试样材料拉伸强度、屈服强度、伸长率、夏比Ｖ型缺口试样冲击功和硬度符合ＩＳＯ１３６８０和塔里木油田技术条件规定。２．３　金相分析取样进行金相分析，结果如表４和图５，组织均为回火马氏体，金相组织和晶粒度正常。表１　化学成分狑Ｂ％化学成分ＣＳｉＭｎＰＳＣｒＭｏＮｉＶＣｕＡｌＴｉ实测结果０．０２３０．１９０．１７０．０１１０．００１２１２．０６２．０１５．７００．０２００．０７２０．０２７ＩＳＯ１３６８０规定０．０３０．５０．５≤０．０２≤０．００５１１．５１３．５１．５３．０４．５６．５０．５０．０１０．５表２　拉伸试验和硬度试验结果试样抗拉强度／ＭＰａ屈服强度／ＭＰａ断后伸长率／％硬度／ＨＲＣ超级１３Ｃｒ油管管体８８７８５６２４．０２６．２～２６．５ＩＳＯ１３６８０≥７９３７５８～９６５≥１２．５≤３２表３　冲击试验结果试样－１０℃纵向吸收能量（已经换算为１０ｍｍ×１０ｍｍ试样）／Ｊ超级１３Ｃｒ油管管体１７８～１８２ＩＳＯ１３６８０规定≥４０表４　金相分析结果试样非金属夹杂物ＡＢＣＤ薄厚薄厚薄厚薄厚组织晶粒度级别超级１３Ｃｒ油管管体０．５０１．５００００．５０Ｍ回７．５图５　油管管体组织　　在油管试样线性缺欠处取样，某些缺欠位置金属流线断开（如图６）缺欠最大深度０．１７ｍｍ，为管图６　２号８８．９ｍｍ×７．３４ｍｍ油管缺欠位置金属流线断开·０５·　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１５年８月　体名义壁厚的２．６％。油管缺欠与管体内表面基本垂直，靠近内表面较宽，靠近尾端处较细窄，内有灰色物质（如图７）。图７　油管内壁线性缺欠及附近金相组织２．４　能谱分析对油管试样线性缺欠位置进行电子显微镜能谱分析。缺欠内灰色填充物富含氧元素，判断其主要为金属氧化物（如图８和表５）。图８　线性缺欠剖面能谱分析位置表５　能谱分析结果狑Ｂ％光谱ＣＯＣｒＦｅＮｉＭｏＴｏｔａｌ光谱１０３３．８１９．６６５３．７４０．９６１．８３１００．００光谱２１．８０３１．７３８．７５５４．７７１．３８１．５７１００．００光谱３２．１６０１３．０２７７．７７５．３６１．６９１００．００２．５　气密封及水压爆破试验２．５．１　气密封及水压爆破试验方案１）　在气密封试验中，试压介质为氮气，气体内压至９５％ＶＭＥ，保压１５ｍｉｎ，以最大排量卸载；再次重复施加气体内压至９５％ＶＭＥ，保压１５ｍｉｎ，以最大排量卸载。记录压力随时间变化曲线。２）　若无泄漏，进行水压爆破试验。２．５．２　气密封及水压爆破试验结果油管试样在气密封试验过程内压达到９６ＭＰａ（按照实测壁厚计算，应力达到９５％ＶＭＥ）未发生泄漏。随后进行水压爆破试验，爆破压力值超过管体内屈服压力值（９６ＭＰａ），试样爆破位置均在油管管体（如表６）。表６　内压试验结果油管试样名称气压试验水压爆破试验试压次数９５％ＶＭＥ／ＭＰａ稳压时间／ｍｉｎ压力／ＭＰａ失效位置８８．９ｍｍ×６．４５ｍｍ１３Ｃｒ油管第１次９６１５第２次９６１５１４９３　结果分析３．１　内窥镜检查效果及精度管道内窥镜可观察油管内壁各