80钢级焊接下井型套管开发

赵存耀，刘耀恒

（宝山钢铁股份有限公司，上海201900）

石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。传统的石油套管通常采用管端螺纹形式两两连接下井，其密封性通常依靠内外螺纹金属-金属密封保证，一方面套管发生变形或螺纹损伤时，连接处易发生泄漏，另一方面经长期服役后，金属-金属的密封结构由于应力松弛等原因也会有泄漏风险。而管材对焊连接形式则能有效地克服以上问题，确保管柱长期使用中的气密封性［1-6］。

钢管采用焊接形式对接并非新事物，同为石油天然气工业用管的油气管线通常就采用焊接形式连接，而在套管上应用焊接连接形式一方面需要解决下井效率问题，另一方面套管在下井及服役过程中需要经受拉、压、弯、扭等复杂应力的综合作用，对套管本体及焊接接头性能均提出了较高挑战［7-9］。

对于套管焊接下井而言，若管材可焊性较差，焊接区域易出现冷裂纹，需要采用预热、焊后热处理等手段保证焊接质量和焊接区域性能，会严重影响下井作业效率；另一方面，若焊接区域性能和母材差异较大，套管在复杂应力状态下的应用也是一种潜在风险。为了针对性改善套管母材和焊接后接头区域的性能，宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）以目前应用较为广泛的80钢级套管作为目标［10-11］开展了焊接下井型高强度套管的研究工作。

1 80钢级套管标准要求

目前关于套管国际上最为通用的标准为API Spec 5CT—2018《套管和油管规范》，从其对80钢级套管产品的规定可以看出正火态交货的N80-1产品和N80Q产品的成分并没有太多限制，性能范围也相对较宽，具体见表1。

表1 N80-1、N80Q钢级化学成分（质量分数）及性能要求

2 试验方案

2.1 钢种设计

基于常规N80套管的设计经验，正火态交货产品采用C-Mn钢辅以微合金化的钢种设计，调质态交货产品采用中碳C-Mn钢的钢种设计，同时基于易焊接型结构钢钢种的开发经验，设计了低碳的调质交货钢种。所有试验钢种成分见表2，均满足标准中对N80级别的要求［12-15］。

表2 N80套管试验钢种成分（质量分数） %

2.2 试验工艺

试验钢种采用500 kg真空感应炉冶炼，浇铸成锭后，将铸锭锻造成长圆坯，并进行剥皮，最终圆坯尺寸为Φ178 mm，此后在Φ140 mm全浮动芯棒连轧管机组进行轧管，轧制成Φ139.7 mm×12.7 mm规格管材，并采用适当的热处理将性能调整到N80钢级标准区间。试验钢管热处理工艺见表3。

表3 N80试验钢管的热处理工艺

2.3 性能检验

针对管材进行的检验主要参考API Spec 5CT—2018进行，屈服强度数据是将制成的无缝钢管加工成API弧形试样，按API标准检验后取平均数得出；全尺寸夏比V型冲击吸收功数据是在制成的钢管上取纵向V型冲击试样，V型缺口垂直于管子纵向，试样截面积为10 mm×10 mm×55 mm，按GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》检验后取平均数得出；金相组织是从样管上取全壁厚试样打磨抛光后，使用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察得出。

2.4 焊接试验

分析套管焊接下井工况可知，钢管垂直对接，焊接位置为横焊。在实际焊接过程中，由于熔池金属在力的作用下（重力、表面张力等）有下垂倾向。在焊道上方易产生咬边，在焊道下方易产生焊瘤，特别是采用多道焊时，容易造成焊瘤、夹渣、未焊透等缺陷。因此，现场打底焊采用单面焊双面成形的钨极氩弧焊（GTAW），这样焊丝可以顺利地送入坡口中，减少热输入，减小熔池体积，降低熔池液态金属及熔渣下坠程度，可为后续的填充焊打好基础。填充、盖面焊采用焊条电弧焊（SMAW）的焊接工艺，以保证焊接接头具有良好的性能。

实验室焊接试验主要目的为评价不同材质、工艺套管的可焊性，因此相对现场工艺进行了一定程度的简化，试验选用的焊接设备为Lincoln Invertec V350-Pipe；焊前碱性焊条要在350～400℃下烘干约2 h。对焊焊接均采用手工电弧焊，直流反接，立向下焊接方式，焊接工艺见表4。

表4 N80试验钢管对焊焊接工艺

为模拟现场焊接过程要求，焊前不进行预热，焊后也不进行热处理，管子坡口后对焊，采用的焊接坡口设计及焊接道次如图1所示。

图1 焊接坡口设计及焊接道次

3 试验结果与分析

3.1 不同钢种、工艺设计对组织性能影响分析

3个试验钢管的力学性能见表5，金相组织如图2所示。3个试验钢管的性能均完全满足标准对N80级别的要求，N1钢的屈强比和冲击功显著低于N2、N3，这是由于其交货状态为正火态，微观组织与调质态交货的N2、N3钢差异较大所致。

图2 N80试验钢管金相组织

表5 N80试验钢管的力学性能

可见，N1钢为典型的F+P组织，N2钢为回火索氏体组织，N3则为贝氏体+少量的马氏体、铁素体等的混合组织，N2、N3晶粒远细于N1。

3.2 焊接性评价分析

由于焊接下井套管现场施工条件有限，且对下井效率要求较高，因此对管材的可焊性提出了较高要求，通常要求不进行焊前预热和焊后热处理。因此首先从成分角度对三种钢进行了筛选，按照国际焊接学会推荐的碳当量Ceq以及焊接冷裂纹敏感指数Pcm计算公式进行计算［16］，结果见表6。

表6 N80试验钢管碳当量及焊接冷裂纹敏感指数%

从数据可以看出，N1钢的碳当量及裂纹敏感系数明显高于其他钢种，这是因为F+P型组织主要依靠合金元素的固溶强化和碳化物的析出强化来提高强度，需要添加更多的合金元素所致。N2钢则属于中碳调质钢，通过淬火+回火的调质处理来得到更为细化的晶粒和组织，合金添加量相比N1钢有一定降低。N3钢则为低碳贝氏体型调质钢，添加了V、Mo等元素后，利用其析出强化效果进一步提升强度，故大幅降低了碳当量水平［17］。

参考API Standard 1104—2013《管线及相关设施焊接规范》中的相关规定，对3种试验钢管进行焊接性评价试验，焊接材料及工艺见表4，焊后对焊缝区域进行手工超声波检测（UT）探伤，并按标准取样进行性能检验，结果见表7。

表7 N80试验钢管焊接试验情况

从焊缝超声波检测探伤结果可以看出，N1钢和N2钢焊接后出现了冷裂纹，这是因为其合金元素尤其是C含量较高，焊接区域冷却时产生较大应力所致。此外N2钢拉伸试验断裂位置在热影响区，且其抗拉强度已低于标准中N80钢级的要求，这是因为N2钢组织为回火马氏体，在焊接过程的高温影响下，组织发生转变，加之其主要合金元素为C、Mn，相变后没有足够的强化效果，故热影响区强度明显下降。此外N1及N2钢弯曲试验均发现裂纹，未能通过检验。

从焊缝区域冲击功看，N1钢及N2钢均无法满足标准中对N80级别的冲击性能要求，N3钢则远远高于标准要求。整体而言，N3钢种焊接性明显好于N1、N2钢，根据该产品的使用工况要求，最终选用N3钢进行产品的工业化生产。

4 大生产及实物性能情况

结合以上试验情况，实际生产采用150 t电炉炼钢，生产了一批规格为Φ177.8 mm×9.19 mm的易焊接N80套管，其热处理工艺为890～940℃淬火+水冷+600～700℃回火，其成分为0.07C-1.65Mn-适量Mo、Nb、V等，A、B、C炉的屈服强度依次为586～653，595～636，578～650 MPa。

批量生产的产品性能完全满足N80钢级套管的要求，过程控制能力良好。随机选取大生产的钢管两段，参照文中的焊接工艺对焊后产品进行静水压爆破试验，加压到失效，最大压力为76.4 MPa（理论计算极限值为75 MPa），说明该产品管体及焊接接头均具有良好的抗内压能力和密封性。

5 应用情况

某储气库用户在前期建设阶段发现完井管柱（螺纹连接）在运行一段时间后出现天然气进入套管环空的问题，说明螺纹连接经过长期运行后，有应力松弛导致密封失效的情况，因此决定选用焊接连接方式进行套管完井作业。

下井套管选用宝钢生产的Φ177.8 mm×9.19 mm易焊接N80套管，为提升焊接效率，现场采用先在地面完成套管两两对接焊后再起吊进行焊接的方式进行，焊接施工流程包括：起吊、对中、焊接（氩弧焊+电弧焊）、焊缝探伤（射线+超声波）。

6 结 论

（1）套管对焊连接相比传统的螺纹连接方式具有一定优势，但对管材可焊性要求较高，焊接接头质量决定了焊接后管柱的使用安全性。

（2）对于N80钢级套管而言，其钢种及生产工艺可以有多种选择，本文重点针对不同钢种及工艺生产的钢管的可焊性进行评价试验，筛选出了焊接性最为良好的产品路径，并成功实现生产应用。

（3）相比传统的螺纹连接方式，套管对焊连接下井工艺尚属新事物，后续需要对焊接接头质量如何保证、坡口形式设计、焊材及焊接工艺选配、焊接接头在套管使用工况下的服役行为等进行更深入地研究，建立更适用于该工艺的产品相关标准。