李平全，董 仁

（1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)部，新疆 庫爾勒 841000）

C110鋼級(jí)套管的開發(fā)生產(chǎn)和API規(guī)范的工藝控制要求（上）

李平全1，董 仁2

（1.西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室有限公司，陜西 西安 710032；2.中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)部，新疆 庫爾勒 841000）

簡(jiǎn)要介紹了國外C110鋼級(jí)套管的開發(fā)背景和冶金制造工藝的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)比了某些制造廠的生產(chǎn)實(shí)際做法與API Spec 5CT規(guī)范對(duì)該鋼級(jí)合金化設(shè)計(jì)及工藝控制的規(guī)定，并進(jìn)一步介紹了C110鋼級(jí)的適用性評(píng)價(jià)和應(yīng)用實(shí)例，對(duì)C110鋼及其套管的開發(fā)生產(chǎn)提出了建議。

油井管；高溫高壓低酸性深井；C110鋼級(jí)；合金化設(shè)計(jì)；API Spec 5CT；NACE TM 0177；適用性

20 世紀(jì)80—90年代，國外抗酸性油套管的研制與開發(fā)相當(dāng)活躍，日本、歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)先后開發(fā)了抗酸性油套管系列，API Spec 5CT《油套管規(guī)范》（第1版）在1989年列入T95抗酸性油套管后，又開發(fā)了C100，C105以及C110鋼級(jí)的低合金高強(qiáng)度抗酸性（HSSS）油井管［1-2］。2003年，美國石油學(xué)會(huì)（API）成立C110鋼級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化工作組；C110鋼級(jí)于2011年列入API Spec 5CT《油套管規(guī)范》（第9版）［3］（簡(jiǎn)稱API規(guī)范）。

1 C110鋼級(jí)套管開發(fā)背景

20 世紀(jì)80年代，T95鋼級(jí)是當(dāng)時(shí)可獲得的最高鋼級(jí)抗酸性用鋼。隨著高溫、高壓酸性井的勘探開發(fā)，適合于酸性環(huán)境用的更高強(qiáng)度鋼級(jí)套管的研制倍受關(guān)注［1-2］。深井套管柱設(shè)計(jì)要求更高的強(qiáng)度，但由于硫化氫的存在，且受傳統(tǒng)的API抗酸性套管強(qiáng)度級(jí)C90和T95的限制，有時(shí)為了獲得設(shè)計(jì)井所要求的較高屈服內(nèi)壓和抗擠特性，就要求鋼管內(nèi)徑適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)鉆頭和其他鉆柱工具及附件尺寸要求，保持API標(biāo)準(zhǔn)通徑的同時(shí)，必須采用非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的更厚壁鋼管即非標(biāo)準(zhǔn)外徑套管。為獲得這種厚壁的C90和T95產(chǎn)品，制管廠可能需要對(duì)其進(jìn)行工藝評(píng)定，必須簽訂生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間較長的特殊合同。從油氣田用戶的角度來看，這需要采用更大尺寸的井眼和套管柱，以容納特殊的C90和T95管柱，從而增加了產(chǎn)品成本以及整個(gè)鉆井和完井的最終成本。油氣田用戶的需求，促使將最低屈服強(qiáng)度為 100 kpsi（689 MPa）、 105 kpsi（724 MPa）和 110 kpsi（758 MPa）的套管的開發(fā)研制提上日程。C100、C105、C110一類低合金高強(qiáng)度抗酸性套管，可使油氣井設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)高溫、高壓井時(shí)，許多情況下可采用標(biāo)準(zhǔn)的套管外徑規(guī)格。這種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格套管的成功應(yīng)用，可使鉆井和完井成本獲得持續(xù)改善。

2 C110鋼級(jí)套管開發(fā)成功的條件

冶金學(xué)和鋼管制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，為C110鋼級(jí)套管的成功開發(fā)創(chuàng)造了條件。

20 世紀(jì)90年代，由于鋼包精煉工藝和連鑄坯技術(shù)［2，4］、先進(jìn)的熱處理爐溫度控制和淬火系統(tǒng)的采用［2，5］，成功開發(fā)出C110鋼級(jí)油套管并申請(qǐng)了專利，該鋼級(jí)抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）能力的試驗(yàn)結(jié)果分別在1993年和1998年發(fā)表，還應(yīng)用于一些高溫高壓井項(xiàng)目［6-7］。

抗酸性C110鋼級(jí)用管材，采用典型的AISI 41XX（Cr-Mo）的改型鋼，是用深脫S、P鐵水轉(zhuǎn)爐吹氧煉鋼，或用精鐵粉+廢鋼的電爐煉鋼；普遍采用適當(dāng)?shù)匿摪珶捄驼婵彰摎夤に?，保持超低P、N含量，降低［N］、［H］、［O］氣體含量；采用鋼包電磁攪拌、鋼包吹氬工藝，促進(jìn)合金均勻化、非金屬夾雜物充分上浮，減少非金屬夾雜物含量，提高鋼水純凈度；采用鋼包噴粉處理或連鑄坯中喂絲鈣處理工藝，使鋼中殘留非金屬夾雜物特別是硫化錳球化。

管坯化學(xué)成分明顯的偏析，可造成管材成分在全壁厚或從一端至另一端的波動(dòng)，導(dǎo)致鋼的最終顯微組織不均勻，對(duì)良好的SSC抗力有害?？顾嵝訡110鋼級(jí)管材鋼坯采用連鑄技術(shù)生產(chǎn)，顯著地減少化學(xué)成分偏析。通過控制連鑄坯鼓肚量，控制澆注溫度和拉坯速度，采用電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)，顯著減少中心偏析與中心疏松，使連鑄鋼坯質(zhì)量提高且各向較為同性。連鑄與提高鋼水純凈度、控制夾雜物形態(tài)相結(jié)合，減小了熱加工時(shí)組織的拉長趨向，并使材料的各向異性降至最低，顯著改善了鋼的SSC抗力。

C110鋼級(jí)套管熱處理大多采用裝備有可編程序邏輯控制器（PLC）電腦監(jiān)控的步進(jìn)式加熱爐系統(tǒng)，它可提供極好的溫度控制和均熱處理能力。精確的溫度控制，使C110鋼管的屈服強(qiáng)度始終控制在70 MPa（10 kpsi）的“窗口”范圍（即屈服強(qiáng)度上下限范圍）內(nèi)。由于鋼管通過爐內(nèi)移動(dòng)（在流轉(zhuǎn)梁上步進(jìn)）時(shí)小幅度旋轉(zhuǎn)，保證了鋼管與輥梁接觸點(diǎn)沒有冷點(diǎn)。這種加熱方法與傳統(tǒng)氣體燃燒+熱滾筒爐或感應(yīng)加熱系統(tǒng)相比較，其奧氏體化高溫區(qū)設(shè)定溫度可降至最低，保證了全壁厚區(qū)均溫較長時(shí)間內(nèi)不增大晶粒尺寸，這對(duì)于極厚壁接箍坯料管產(chǎn)品特別重要。

通常，制造廠都會(huì)根據(jù)C110產(chǎn)品規(guī)格及其淬火設(shè)備的工藝控制能力，對(duì)鋼的化學(xué)成分細(xì)心地加以調(diào)整。槽外型層流+內(nèi)軸向噴射的水淬系統(tǒng)，可通過電腦分段調(diào)整層流水量、鋼管通過層流各段移動(dòng)速度，以彌補(bǔ)內(nèi)軸向噴射產(chǎn)生的沿鋼管長度方向冷卻的不均勻。鋼管旋轉(zhuǎn)、管外層流、管內(nèi)軸向噴射系統(tǒng)，通過電腦控制水流量、壓力和鋼管旋轉(zhuǎn)移動(dòng)速度，可獲得最佳的淬火效力，使厚壁接箍坯料管包括內(nèi)壁表面（在H2S環(huán)境中氫擴(kuò)散起始處）在內(nèi)的全壁厚材料同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體顯微組織。

3 C110鋼級(jí)合金化設(shè)計(jì)及工藝控制

C110鋼級(jí)列入API規(guī)范之前，一些制造廠按照與API C90和T95類似的工藝控制做法試制C110鋼級(jí)套管。

3.1 鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)及其淬透性

表1是某些制造廠采用C、Mn、Cr、Mo、Ni以及Ti、V、Nb、B等合金化和微合金化的AISI 41XX（Cr-Mo）改型鋼試制、生產(chǎn)C110鋼級(jí)套管的實(shí)例。Nb等晶粒細(xì)化元素，微量Ti作為控制N含量、保證B固溶量的元素，具有提高鋼的淬透性作用［4］。C110鋼級(jí)的化學(xué)成分，不同的制造廠是不同的，取決于所采用的熱處理和淬火系統(tǒng)。表1給出API規(guī)范對(duì)C110和C90、T95鋼級(jí)化學(xué)成分及淬透性的規(guī)定和相應(yīng)的計(jì)算值［4，7-11］。

表 2、圖 1 是淬透性檢測(cè)的兩個(gè)例子［2，4］，表明鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、鋼管規(guī)格和采用的淬火系統(tǒng)匹配，能保證C110鋼淬火后硬度滿足API規(guī)范要求，保證全截面淬透。圖1～3是Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼（0.26%C、0.40%Mn、1.0%Cr、0.70%Mo、0.03%Nb、0.018%Ti、0.001 3%B）C110 鋼級(jí)產(chǎn)品淬透性、淬火+回火態(tài)硬度和屈服強(qiáng)度控制的又一例子［4］。產(chǎn)品全截面淬透的均勻性保證鋼回火后產(chǎn)品外壁（OD）、中壁（MW）、內(nèi)壁（ID）位置硬度以至全截面的均勻性，經(jīng)回火后產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度均值781 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差 12.3 MPa，在 70 MPa（10 kpsi）“窗口”中限之下。滿足API規(guī)范統(tǒng)計(jì)拉伸試驗(yàn)補(bǔ)充要求規(guī)定的屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)驗(yàn)收準(zhǔn)則的要求：屈服強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)驗(yàn)收均值－1.74倍標(biāo)準(zhǔn)偏差≥API規(guī)范規(guī)定屈服強(qiáng)度下限值，即781 MPa-1.74×12.3 MPa∧758 MPa。

表1 部分C110鋼級(jí)套管的化學(xué)成分分析結(jié)果及API規(guī)范要求

表2 淬透性檢測(cè)結(jié)果①

圖1 C110鋼級(jí)Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火態(tài)硬度分布（橫斷面）

圖2 C110鋼級(jí)Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火+回火后的硬度分布

3.2 材料性能控制

3.2.1 拉伸性能及硬度控制

圖3 C110鋼級(jí)Cr-Mo系Nb-Ti-B鋼淬火＋回火后的屈服強(qiáng)度

C110鋼級(jí)列入API規(guī)范之前，部分制造廠對(duì)C110鋼級(jí)拉伸性能、硬度控制要求及部分文獻(xiàn)的相應(yīng)控制范圍，以及API規(guī)范對(duì)C110鋼級(jí)拉伸性能、統(tǒng)計(jì)拉伸試驗(yàn)屈服強(qiáng)度及硬度的控制要求，見表 3［4，7，12-16］。表 4 是化學(xué)成分經(jīng)適當(dāng)控制后的AISI 41XX改型鋼一批C110鋼級(jí)產(chǎn)品的硬度和拉伸、屈服強(qiáng)度控制的例子［2］。該爐批鋼管的C含量為0.24%，原始奧氏體晶粒度為8級(jí)，淬火后全橫截面第1～4象限的OD、MW、ID位置硬度均勻：最低46.2 HRC，最高48.4 HRC，截面平均硬度47.2 HRC，大于API規(guī)范規(guī)定的全壁厚的推測(cè)硬度43.2 HRC（淬透至95%馬氏體）。經(jīng)適當(dāng)回火后鋼的屈服強(qiáng)度為785 MPa（113.8 kpsi），位于屈服強(qiáng)度控制“窗口”（70 MPa/10 kpsi）中限之下。從表3可見，API規(guī)范C110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度的控制要求與部分制造廠產(chǎn)品的內(nèi)控要求有兩個(gè)主要區(qū)別：

表3 部分制造廠和API規(guī)范對(duì)C110鋼級(jí)拉伸性能、硬度的控制要求①

（1）條件屈服強(qiáng)度的試樣標(biāo)距段總伸長率規(guī)定值不同。API規(guī)范規(guī)定C110鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度為試樣標(biāo)距段總伸長率0.7%的拉伸應(yīng)力，而部分制造廠的內(nèi)控要求規(guī)定為標(biāo)距段總伸長率0.6%（與API P110鋼級(jí)規(guī)定相同）的拉伸應(yīng)力。試樣標(biāo)距段總伸長率從0.6%變?yōu)?.7%，意味著淬火+回火的C110鋼級(jí)材料應(yīng)回火更充分，硬度較低，在材料屈服時(shí)，試樣標(biāo)距段更易延伸變形，總延伸長度增加。API規(guī)范的這一規(guī)定，表明充分回火的淬火+回火C110鋼級(jí)試樣標(biāo)距段總伸長0.7%時(shí)的屈服應(yīng)力應(yīng)與Rp0.2的屈服應(yīng)力一致。需要說明的是，文獻(xiàn)［7］采用的屈服強(qiáng)度為yield strength values（0.2%offset），0.2%offset yield可譯為Rp0.2或Rr0.2；Rp0.2表示規(guī)定塑性伸長率（即偏離線性的非比例伸長率）為0.2%的拉伸應(yīng)力，Rr0.2表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%的應(yīng)力，前者適于自動(dòng)法測(cè)量，較方便，后者采用卸載法測(cè)量。兩者測(cè)定方法不同，但數(shù)值上應(yīng)等效，定義和測(cè)量方法見現(xiàn)行版GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。

表4 一批規(guī)格為Φ306.4 mm×19.0 mm C110鋼級(jí)產(chǎn)品的洛氏硬度HRC

（2）屈服強(qiáng)度的控制“窗口”大小不同。API規(guī)范降低了屈服強(qiáng)度上限值，屈服強(qiáng)度“窗口”縮小至70 MPa（10 kpsi），部分制造廠的C110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度“窗口”則與C90和T95鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度“窗口”保持一致，為104 MPa（15 kpsi），屈服強(qiáng)度上限值比前者高34 MPa（5 kpsi）。

由此可見，API規(guī)范對(duì)屈服強(qiáng)度的控制要求意在盡量提高C110鋼級(jí)的SSC抗力。此前，為使材料的SSC抗力最大化，文獻(xiàn)［7，12］規(guī)定C110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度“窗口”比傳統(tǒng)的C90和T95鋼級(jí)縮小了34 MPa（5 kpsi），文獻(xiàn)［4］則縮小21 MPa（3 kpsi）。API規(guī)范規(guī)定C110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度的控制“窗口”更窄，即要求進(jìn)行更精確的化學(xué)成分、淬透性控制，精確的熱處理工藝控制等。為了更嚴(yán)格控制鋼的屈服強(qiáng)度范圍，API規(guī)范對(duì)C110鋼級(jí)可以補(bǔ)充統(tǒng)計(jì)拉伸試驗(yàn)要求（見API規(guī)范附件A補(bǔ)充要求中A.12 SR38條款）。

鋼管橫截面硬度檢查是酸性套管生產(chǎn)工藝控制的重要方法。

淬透性試驗(yàn)（淬火橫截面硬度試驗(yàn)）是鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)與匹配的淬火加熱爐及淬火系統(tǒng)效力相結(jié)合，以證明可接受的最低淬透性的定量評(píng)定方法。淬火橫截面硬度平均值達(dá)到規(guī)定要求和硬度均勻分布，意味著管材全壁厚范圍內(nèi)，特別是在鋼與H2S氣體接觸的內(nèi)壁表面獲得均勻分布的全淬火馬氏體顯微組織，而不必利用顯微鏡作馬氏體百分比定量評(píng)定，是更適合于材料生產(chǎn)的接受/拒收準(zhǔn)則。

由于每個(gè)制造廠產(chǎn)品的拉伸性能通常具有一定的屈強(qiáng)比，因而屈服強(qiáng)度和硬度間也存在某種相關(guān)性，硬度檢測(cè)可間接用于評(píng)定每根鋼管的屈服強(qiáng)度。為使C110鋼級(jí)SSC抗力最大化，API規(guī)范規(guī)定C110鋼級(jí)的屈服強(qiáng)度“窗口”比C90和T95鋼級(jí)窄了34 MPa（5 kpsi），僅為70 MPa（10 kpsi），因此對(duì)C110鋼級(jí)屈服強(qiáng)度的控制很重要。由于拉伸試驗(yàn)僅在每熱處理批的代表性樣品上進(jìn)行，若采用統(tǒng)計(jì)拉伸補(bǔ)充要求，則大批量抽樣檢驗(yàn)甚至對(duì)每根鋼管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)是不經(jīng)濟(jì)的。硬度檢測(cè)是評(píng)定每批每根鋼管屈服強(qiáng)度分布均勻性的一種經(jīng)濟(jì)方法，對(duì)取自管端的鋼管試塊，從全壁厚的OD、MW以及ID位置進(jìn)行橫截面硬度測(cè)量。這種測(cè)量不僅反映試驗(yàn)材料的硬度，而且還反映了產(chǎn)品屈服強(qiáng)度的均勻性。硬度檢測(cè)是重要而經(jīng)濟(jì)的工藝控制方法。

3.2.2 夏比沖擊試驗(yàn)

C110鋼級(jí)鋼管、接箍毛坯、接箍材料和接箍半成品具有內(nèi)外螺紋特殊端部加工的附件和附件材料，橫向沖擊功要求：YSmax（0.001 18 t+0.012 59）或20 J，取二者之間的較大者；縱向沖擊功要求：YSmax（0.002 36 t+0.025 18）或41 J，取二者較大者；式中，YSmin和YSmax分別代表規(guī)定最小、最大屈服強(qiáng)度，t代表產(chǎn)品規(guī)定壁厚或產(chǎn)品的臨界壁厚。

C110鋼級(jí)采用淬火+回火的AISI 41XX改型鋼，在設(shè)計(jì)鋼的化學(xué)成分時(shí)，采用Nb等細(xì)化晶粒元素，控制淬火加熱、均溫溫度和保溫時(shí)間，使奧氏體晶粒較均勻、細(xì)小，同時(shí)考慮鋼管規(guī)格與淬火設(shè)備效力和淬透性的匹配，保證鋼管全壁厚淬透；因此只要正確回火，鋼的OD、MW、ID位置的沖擊韌性都非常好，完全滿足API規(guī)范要求。

夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果的最小剪切面積百分比應(yīng)為75%。當(dāng)鋼管規(guī)定壁厚取不出規(guī)定試樣時(shí)，應(yīng)采用文件化程序（至少考慮化學(xué)成分、定徑和壁厚的變化）和沖擊試驗(yàn)結(jié)果，來證明在規(guī)定試驗(yàn)溫度時(shí)夏比V型缺口沖擊轉(zhuǎn)變曲線已達(dá)到上平臺(tái)。

3.2.3 SSC評(píng)定試驗(yàn)控制

SSC評(píng)定試驗(yàn)按API標(biāo)準(zhǔn)和NACE TM 0177—2005《金屬在H2S環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》［17］規(guī)定采用A、D法進(jìn)行。SSC評(píng)定試驗(yàn)是產(chǎn)品質(zhì)量控制的方法，是評(píng)定材料在規(guī)定環(huán)境條件下的特性的方法，而不是材料在任何特定酸性環(huán)境應(yīng)用的合格評(píng)定。

對(duì)每批C110鋼級(jí)產(chǎn)品，應(yīng)證明從該批生產(chǎn)流程前、中、后各1/3產(chǎn)品組成的3個(gè)子批抽取的3件不同產(chǎn)品，從端頭截取的每個(gè)試樣都滿足或超過85%YSmin臨界應(yīng)力的要求。試樣應(yīng)取自該批3個(gè)子批中硬度最高的一根鋼管、硬度最高的一端、硬度最高的位置（OD、MW或ID）。

對(duì)于C110鋼級(jí)，如果初次試驗(yàn)中僅有1個(gè)試樣未通過，可以進(jìn)行一次復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)可以在兩個(gè)補(bǔ)充試樣上進(jìn)行，補(bǔ)充復(fù)驗(yàn)試樣應(yīng)取自未通過試驗(yàn)的該產(chǎn)品初次取樣區(qū)的相鄰區(qū)域［3］。如果初次試驗(yàn)中有1個(gè)以上的試樣未通過，則該批鋼管應(yīng)拒收。如果復(fù)驗(yàn)試驗(yàn)的2個(gè)試樣有1個(gè)未通過，則該批鋼管應(yīng)拒收。被拒收的試驗(yàn)批鋼管可以重新進(jìn)行熱處理，并作為新的一批鋼管進(jìn)行檢驗(yàn)。

評(píng)定試驗(yàn)控制包括對(duì)抽取試樣準(zhǔn)則（代表性），試樣制備（過熱、變形、過渡圓角大小、表面光潔度），試驗(yàn)溶液濃度、pH值、飽和溶液H2S氣體或混合氣分壓，試樣加載操作，載荷、位移測(cè)定，試驗(yàn)溫度等因素的控制。對(duì)于高強(qiáng)度低合金C110鋼級(jí)產(chǎn)品，取樣準(zhǔn)則和試樣制備控制尤其重要。

硬度檢測(cè)不僅在套管生產(chǎn)工藝控制方面起重要的作用，在SSC評(píng)定試驗(yàn)中的作用也是不可替代的。這是因?yàn)槿诤裼捕仍囼?yàn)、表面硬度控制檢驗(yàn)平均硬度值，是SSC評(píng)定試驗(yàn)抽樣的準(zhǔn)則，即從組成一批的3個(gè)子批產(chǎn)品中硬度值最高的一根鋼管、一端、一個(gè)位置（OD、MW或ID）各取1個(gè)試樣；為加快篩除不能通過SSC試驗(yàn)的產(chǎn)品，硬度試驗(yàn)是捕獲必選鋼管的有效方法。根據(jù)產(chǎn)品試樣的硬度值，就可對(duì)該產(chǎn)品的SSC試驗(yàn)是否能通過進(jìn)行預(yù)判；SSC試驗(yàn)前、后試樣相應(yīng)位置的硬度檢測(cè)，有助于對(duì)SSC試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)判。

油田經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)都證明硬度達(dá)到特定極限以上，套管將出現(xiàn)開裂。雖然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003《石油與天然氣工業(yè)在油氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境下使用的材料》［18］規(guī)定C110鋼級(jí)的最終回火硬度必須不超過30 HRC，但實(shí)際上要具有好的SSC抗力，必須具有相對(duì)低的硬度值，其極限可能在27.7～28.8 HRC以下［12］。采用通過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)程序的C90和C110鋼級(jí)商用套管產(chǎn)品，重回火向下微調(diào)硬度后，按NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)A法，以實(shí)際屈服強(qiáng)度的某一百分比正常施加應(yīng)力進(jìn)行若干個(gè)SSC試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯集在一起，并進(jìn)行粗略擬合的失敗評(píng)估曲線（即SSC極限應(yīng)力與硬度的關(guān)系曲線），如圖 4 所示［19］。

圖4 SSC極限應(yīng)力與硬度的關(guān)系曲線

失敗評(píng)估曲線表明：低硬度值時(shí)，SSC極限應(yīng)力稍高于90%AYS（實(shí)際屈服強(qiáng)度）；硬度值約27 HRC時(shí)，SSC極限應(yīng)力開始顯著下降；硬度值28/29 HRC以上時(shí)，SSC極限應(yīng)力跌落變得很陡；至32 HRC時(shí)，極限應(yīng)力大約僅是實(shí)際屈服強(qiáng)度的20%。據(jù)文獻(xiàn)［11］介紹，厚壁接箍坯料的全橫截面OD和MW位置硬度值為29.5～30.2 HRC，標(biāo)準(zhǔn)直徑6.35 mm拉伸試樣在A溶液、94%AYS條件下的SSC試驗(yàn)12～207 h失敗。高品質(zhì)的不同產(chǎn)品間的SSC極限應(yīng)力與硬度關(guān)系的曲線形狀預(yù)測(cè)不會(huì)有顯著的變化。

圖5是Nb鋼（屈服強(qiáng)度765～779 MPa，即111～113 kpsi）和 Cr-Mo-Nb-B-Ti鋼（屈服強(qiáng)度 806～820 MPa，即 117～119 kpsi）的 HRC 硬度與 NACE TM0177標(biāo)準(zhǔn)A法SSC試驗(yàn)失敗率的關(guān)系［4］。SSC試驗(yàn)條件：用1 bar（1 bar=0.1 MPa）H2S飽和A溶液，試樣加載應(yīng)力為85%SMYS（規(guī)定最低屈服強(qiáng)度）［4］。圖5表明，硬度大于29 HRC時(shí)，材料的SSC抗力很差。

文獻(xiàn)［4，12，19］所提供硬度限制，其套管化學(xué)成分、制造工藝參數(shù)可能有差異，但與SSC試驗(yàn)不通過的極限硬度基本吻合，比NACE MR 0175及API規(guī)范規(guī)定的硬度最高值（30 HRC）低2～3 HRC，實(shí)際生產(chǎn)中為使SSC抗力最大化，套管材料都控制在較低的硬度水平。因此產(chǎn)品硬度檢測(cè)結(jié)果可以幫助制造廠及時(shí)調(diào)整回火工藝參數(shù)控制淬火+回火態(tài)產(chǎn)品硬度范圍。

圖5 材料硬度對(duì)SSC試驗(yàn)失敗率的影響

3.3 制造工藝控制

3.3.1 加 厚

除非購方要求加厚并與制造廠協(xié)商一致，否則產(chǎn)品不應(yīng)加厚［3］。加厚會(huì)使加厚區(qū)和管體的淬火態(tài)、淬火+回火態(tài)的組織和性能不均勻，盡管淬透性要求可考慮加厚區(qū)壁厚，但加厚后熱處理加熱和均溫時(shí)，加厚區(qū)和管體區(qū)難以協(xié)調(diào)。如加厚要進(jìn)行工藝評(píng)定，生產(chǎn)控制應(yīng)保證SSC抗力最差部位符合API規(guī)范要求。

3.3.2 矯直和校正

在最終熱處理后，如需矯直，應(yīng)采用熱旋轉(zhuǎn)矯直，并控制矯直終了溫度低于最終回火溫度，不超過165℃；如采用冷旋轉(zhuǎn)矯直，應(yīng)在低于規(guī)定最終回火溫度30～56℃的溫度下進(jìn)行消除應(yīng)力處理。如需進(jìn)行校正，應(yīng)采用小型壓力機(jī)進(jìn)行輕微校正［3］。鋼管在191℃下0.3%～0.9%的塑性應(yīng)變，可使其SSC 抗力顯著下降［19］。

3.3.3 螺紋內(nèi)外表面噴砂處理

C110鋼級(jí)管端的內(nèi)外螺紋均需噴砂處理，除非經(jīng)由購方與制造廠協(xié)商確定包括螺紋加工在內(nèi)的管端加工可采用任何適當(dāng)工藝技術(shù)進(jìn)行處理，以避免上緊時(shí)出現(xiàn)材料對(duì)撕裂的敏感性或?qū)е吗そY(jié)［3］。

3.3.4 錘壓印標(biāo)記

產(chǎn)品標(biāo)記通常不采用冷錘壓標(biāo)記，若采用標(biāo)準(zhǔn)字模具和圓面字模具冷錘壓標(biāo)記，標(biāo)記后應(yīng)進(jìn)行熱處理［3］。C110鋼級(jí)套管通常不采用API標(biāo)準(zhǔn)螺紋，沒有對(duì)鋼管有損傷的上緊三角形標(biāo)記；如需上緊標(biāo)記，可采用非錘壓、不損傷鋼管的上緊標(biāo)記代替。

（待 續(xù)）

Development&Production of C110 Casing and Process Control Requirements of API Specification（PartⅠ）

LI Pingquan1，DONG Ren2
（1.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.Survey and Development Department，CNPC Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China）

Briefly introduced in the paper are the background for R&D of C110 casing and technical progress of metallurgical manufacturing process abroad.Actual operations of some manufacturers are compared with the requirements of API Spec 5CT for alloying design and process control of this grade.Also introduced are the applicability evaluation and actual application cases of C110 casing，and proposed are the relevant suggestions for the development and production of C110 steel and C110 casing.

tubing and casing；high-temperature high-pressure mildly sour deep well，C110 grade；alloying design，API Spec 5CT；NACE TM 0177；fit-for-purpose environment；SSC test

環(huán)境；SSC試驗(yàn)

TG335.7；TE931+.2

A

1001-2311（2014）03-0021-08

李平全（1943-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，長期從事石油管的應(yīng)用研究、檢測(cè)、技術(shù)監(jiān)督、失效分析及預(yù)防預(yù)測(cè)、石油管標(biāo)準(zhǔn)化工作；近年從事非API油井管、抗酸性油井管、管線鋼管、抗CO2/H2S腐蝕石油管的研究開發(fā)和應(yīng)用研究工作。

2014-01-05；修定日期：2014-04-30）