膨胀波纹管材料特性分析及选型初探
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发布时间：2022-04-29 04:03
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时间：2023-10-10 09:26
刘晓丹1，2陶兴华1牛新明1
（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；
2.中国石油大学，北京 102249）
摘 要 本文在前人研究分析可膨胀实体管材料特性的基础上，结合现场需求，着力进行了膨胀波纹管不同材料成分与使用性能要求匹配性研究。从材料微观角度分析了制约膨胀波纹管强度提高的关键因素，提出了膨胀波纹管材料成分控制要求。据此，分析了铁素体－马氏体双相钢材料用于加工制造膨胀波纹管的适用性和优越性。这对进一步探索膨胀波纹管新型适用材料具有重要启发意义，也为下一步拓展膨胀波纹管的应用范围做好了基础准备。
关键词 膨胀波纹管 材料 化学成分 力学性能 双相钢
Analysis of Expandable Corrugated Liner Materials Properties
and Exploration of New Applicable Materials
LIU Xiaodan1，2，TAO Xinghua1，NIU Xinming1
（1.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101 ，
China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）
Abstract Based on the former studying of solid expandable tubular materials and combined with the need on cite，the relationship between the composition and performance of the expandable corrugated liner materials were specifically studied in this paper.The key factors restricting the strength increasing for the expandable corrugated liner were analyzed.At the same time the paper also gave out how to control the material composition so as to get higher casing strength.Accordingly，it also demonstrated the applicability and advantages of ferrite－martensite al phase steels using in the manufacture of expandable corrugated liner.As a result，it would be benefit for further exploration of the new applicable materials.It also prepared for the widely use of the expandable profile liner.
Key words expandable corrugated liner；materials；chemical composition；mechanical properties；al phase steel
膨胀波纹管技术是俄罗斯石油工程领域最先兴起的套管补贴技术之一。管体截面呈波纹状或梅花瓣状。采用圆形管材进行冷压加工处理，以减小管截面外径尺寸，确保作业期间通过上层套管或裸眼下入目标层段，再通过液压和机械膨胀，恢复成圆管，达到修复外层损坏套管提高地层承压能力和封堵复杂地层的目的［1］。随着膨胀波纹管技术应用领域的逐步拓展，需要研制出高强度、高塑性、高稳定性的膨胀波纹管。分析认为管体材料是影响膨胀波纹管强度性能的重要因素之一。本文从材料成分与性能要求之间的匹配性研究入手，通过分析膨胀波纹管材料主控因素，研究关键因素之间的相互影响关系，进而给出了膨胀波纹管材料选择的基本原则。据此，初步探索了铁素体－马氏体双相钢用于加工制造膨胀波纹管的适用性。为进一步探索膨胀波纹管新型适用材料提供借鉴和参考，启发新的研究思路。
1 膨胀波纹管材料性能及成分控制分析
截至目前，膨胀波纹管工程应用方面有了较大发展，但仍无法满足复杂地质和工程环境下石油勘探和开发的需要。因受选材范围、焊接工艺、加工成型设备等因素*，难以获得更高性能的膨胀波纹管。为此，需要从膨胀波纹管加工成型及施工工艺角度分析其性能要求，提出材料成分控制的要求。
1.1 膨胀波纹管材料特性分析
国内膨胀波纹管目前采用圆管冷压成型，下入目标层后需要通过水力和机械方式膨胀为圆管。为此，其管体材料应满足以下几点要求：(1)具有良好的塑性变形能力；(2)较高的抗拉强度；(3)较低的屈服强度；(4)较高的加工硬化指数。此外，因膨胀波纹管需要在施工现场进行焊接，要求管材具备良好的野外焊接性能，资料分析表明，需要将C当量控制在0.46％之内［2］，因此，在目前施工工艺条件下，膨胀波纹管材料一般选用低合金高强度钢或微合金钢［3］。细晶强化是低合金高强度钢和微合金钢的主要强化手段。具体方法为：在合金化方面是以少量强碳化物形成元素Nb、V、Ti等进行微合金化；成形加工技术主要有：(1)由控制终轧温度和轧后冷却速度等途径来细化奥氏体再结晶晶粒和冷却后的铁素体晶粒；(2)由循环热处理达到晶粒超细化；(3)快速奥氏体化多级热处理等。晶粒细化的强化效果可以用Hall－Petch方程表示［4］：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
式中：σy为屈服应力；σ0为晶格摩擦力；K为常数；d为晶粒直径。
根据对低碳钢的试验结果，晶粒细化会使加工硬化指数n降低，其关系为：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
由此表明，通过晶粒细化提高了材料强度，也同时提高了材料的屈强比，降低了材料的加工硬化指数。根据上述膨胀波纹管特殊的性能要求，在材料化学成分以及管材轧制和热处理等工艺过程中，需要严格控制，确保将管材性能控制在合理的范围内。
1.2 膨胀波纹管材料成分控制要求
基于上述膨胀波纹管材料特殊性能的分析认为，合理控制波纹管管材成分是达到控制其性能要求的关键因素。如上所述，膨胀波纹管材料一般采用低合金高强度钢或微合金钢，含碳量一般控制在0.2％之内，此时，钢管韧性好，延伸率高，适于冷压成型。从微观角度分析，锰是弱碳化物形成元素，少数溶于渗碳体，大部分溶于铁素体中，对铁素体的固溶强化作用较为明显，能提高钢的强度，削弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，降低材料屈强比。当锰含量较低（一般是小于1％～1.5％）时，随着锰含量增加，钢的冲击韧性提高；当锰含量大于1％～1.5％时，冲击韧性随锰含量增加显著降低。此外，过高的锰含量会提高钢的冷裂纹敏感指数，降低焊缝韧性［3］。碳含量在0.2％之内时，锰含量在1％～2％范围内，对钢的焊接性能不会造成显著影响。因此，膨胀波纹管材料中锰含量应尽量控制在2％范围内。硅是固溶强化作用较明显的元素，可通过提高材料中的Si含量来降低材料的屈强比，但过高的硅含量会显著降低钢的焊接性能，因此，Si含量也需要控制在一定范围内。此外，还可通过添加适量的Cr、Mo等合金元素提高钢的淬透性，降低钢的屈强比。S和P为钢中有害杂质元素，其降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，需要将钢中S、P含量控制在较低的范围内。
2 双相钢用于制造膨胀波纹管的适用性分析
2.1 双相钢材料的优越性及应用
双相钢具有良好的强塑性匹配及冷变形性能。与通常使用的低合金高强度钢相比，在相同强度级别条件下，双相钢具有较低的屈强比、较高的延伸率和很高的加工硬化率。这些特点使其具有良好的加工成形性能，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷加工成型［5］。双相钢与常规低合金高强度钢相比，抗拉强度高，屈强比低，没有明显的屈服平台。这是因为一般低合金高强度钢由铁素体、珠光体以及铁素体内碳化物、氮化物沉淀等组成，其强化机制一般都是基于阻碍位错运动的固溶强化与细晶强化，从而导致屈服强度较高，并且具有明显的屈服平台。对于双相钢，在双相区部分奥氏体化过程中，C、Mn等合金元素向奥氏体中聚集，铁素体成为纯净基体，奥氏体转变为马氏体后，体积膨胀3％～8％，在马氏体－铁素体交界面附近诱发大量高密度的可动位错，这些可动位错在低的外加应力作用下便可以运动，引起材料屈服，而强韧马氏体的存在，可以协调塞积端的应力集中，因而双相钢表现出低屈服与连续屈服的特征。此外，双相钢合金含量较低，因而具有良好的焊接性能。同时，双相钢的生产工艺简单，成本低廉，作为可膨胀波纹管的材料具有广阔的发展空间。
双相钢因其优越的力学性能，目前已经引起了石油工程科研人员的浓厚研究兴趣。2007年，Yamazaki等发表了利用双相无缝钢管作为实体膨胀管的美国专利，专利中对热轧无缝钢管采用常规热处理或双相热处理工艺［6］。表1为试验用钢管化学成分，表2为经过不同热处理工艺后试验钢管的显微组织和力学性能。从表2可以看出，对化学成分相同的钢管分别进行双相热处理和常规热处理后，经双相热处理的钢屈强比降低，均匀延伸率和断后延伸率提高。
表1 试验用钢化学成分质量分数
表2 试验钢管力学性能
图1 双相热处理工艺示意图
2.2 双相钢直焊缝膨胀波纹管
由于直缝焊管与无缝钢管相比具有壁厚均匀、椭圆度高等特点，在结构上更加适合制造成膨胀波纹管。从已有的报道了解到，目前获得双相钢直缝焊管有两种生产工艺。一种工艺是利用双相钢薄板直接卷曲焊接成钢管，该工艺中卷曲成圆管后需要焊接，焊接过程中因受热将使焊接热影响区的组织发生改变，导致机械性能发生变化，焊接区强度提高而塑性降低，焊管周围的组织和力学性能不连续。此外，钢板卷曲成管的塑性变形过程不仅会对焊管产生加工硬化作用，使焊管与原板材相比均匀延伸率降低，而且变形过程中产生的残余应力也会对焊管的性能造成不利影响。另外一种工艺是利用普通的铁素体－珠光体钢薄板焊接成薄壁管后进行热处理，以获得双相组织。E.J.Pavlina等利用后一种工艺成功地开发出了具有铁素体－马氏体的双相钢管。在试验中，作者首先将1019（Fe －0.19C）合金薄板（显微组织为铁素体－珠光体）卷曲焊接成薄壁管，外径尺寸为44.5 mm，壁厚为1.6mm；然后将钢管进行完全退火，之后利用感应线圈将钢管加热到临界温度区，进行等温淬火以获得铁素体－马氏体双相组织。该热处理工艺如图1所示，热处理后钢管焊缝和本体区显微组织如图2所示。分析可知焊接影响区的组织性能与钢管其他部分的组织基本相同。作者还对试制的双相直缝钢管进行了水力膨胀室内试验，当管内水压力达到54.4MPa时钢管本体发生爆破，而焊缝处完好，表明直焊缝处力学性能优于钢管本体［7］。
图2 双相热处理后Fe－0.19C直缝钢管双相组织
2.3 Bauschinger效应影响分析
双相钢与其他组织的低合金高强度钢相比，膨胀过程对材料的Bauschinger效应具有明显的抑制作用。Bauschinger效应的大小与材料的成分、显微组织、强度、塑性变形量等因素有关。为此，Hitoshi Asahi等详细地研究了显微组织对直缝焊管Bauschinger效应的影响［8］。该试验采用热轧法生产外径尺寸为194mm、壁厚为9.6mm的直缝焊管，轧后进行热处理。表3为试验用钢化学成分，表4为经不同工艺生产的直缝焊管的显微组织、 Bauschinger效应比和挤毁压力。分析表明，Bauschinger效应比（钢管1＃、2＃相比差值高达22％）越大表示材料的Bauschinger效应越小。从表4可以看出，相同化学组成的钢管，显微结构为回火马氏体的（4＃）Bauschinger效应最为明显，铁素体－珠光体显微结构次之（2＃），具有铁素体－马氏体双相组织的Bauschinger效应最小。作者还将膨胀20％后的1＃、4＃钢管做了挤毁试验。由于Bauschinger效应小、加工硬化率高等原因，膨胀后，具有铁素体－马氏体双相组织的直缝焊管抗挤强度明显高于显微组织为马氏体的焊管。该试验充分证明具有铁素体－马氏体双相组织的膨胀管受Bauschinger效应影响较小，在膨胀后具有相对较高的抗外挤强度，应用于加工制造膨胀波纹管，对于改善膨胀工艺性能、提高膨胀后波纹管管体强度具有重要价值。
表3 试验用钢化学成分质量分数
表4 直缝焊管显微组织和力学性能
3 结论
1）根据膨胀波纹管加工和使用过程的特殊要求，其管体材料要求具有较高的抗拉强度和塑性变形能力、较低的屈服强度、较高的加工硬化指数、良好的焊接性能。其中焊接性能是影响膨胀波纹管材料综合性能提高的关键因素之一。
2）根据膨胀波纹管性能要求，膨胀波纹管管材碳含量一般需要控制在0.2％以内，Mn含量控制在2％以内，S和P含量控制在较低范围内。
3）铁素体－马氏体双相钢符合膨胀波纹管材料化学成分与力学性能的要求。可以对普通热轧钢管通过临界区热处理的方法获得铁素体－马氏体双相组织。
4）铁素体－马氏体双相钢管与普通钢管相比具有屈强比低、均匀延伸率高、膨胀后抗外挤强度高等优点。双相钢作为膨胀波纹管材料具有广阔的应用前景。
参考文献
［1］陶兴华，马开华，吴波，等.膨胀波纹管技术现场试验综述及存在问题分析［J］.石油钻探技术，2007，35（4）：63 ～66.
［2］周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）［M］.北京：机械工业出版社，2005.
［3］李郑.合金元素对高强度管线钢埋弧焊缝组织性能的影响［J］.热加工工艺，2011，40（17）：12 ～14.
［4］哈宽富.金属力学性质的微观理论［M］.北京：科学出版社，1983.
［5］马鸣图，吴宝榕.双相钢——物理和力学冶金［M］.北京：冶金工业出版社，2009.
［6］Yamazaki Y，Miyata Y，Kimura M，et al.Seamless expandable oil country tubular goods and manufacturing method thereof［P］.United States Patent Application Publication：US 2007/0116975 Al，2007－05－24.
［7］Pavlina E J，Vantyne C J，Herel K.Hydraulic bulge testing of al phase steel tubes proced using a novel processing route［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201，242～246.
［8］Asahi H，Tsuru E.Steel plate of steel pipe with small occurrence of bauschinger effect and methods of proction of same［P］.United States Patent Application Publication：US 2008/0286504 Al，2008－11－20.
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时间：2023-10-10 09:26
刘晓丹1，2陶兴华1牛新明1
（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；
2.中国石油大学，北京 102249）
摘 要 本文在前人研究分析可膨胀实体管材料特性的基础上，结合现场需求，着力进行了膨胀波纹管不同材料成分与使用性能要求匹配性研究。从材料微观角度分析了制约膨胀波纹管强度提高的关键因素，提出了膨胀波纹管材料成分控制要求。据此，分析了铁素体－马氏体双相钢材料用于加工制造膨胀波纹管的适用性和优越性。这对进一步探索膨胀波纹管新型适用材料具有重要启发意义，也为下一步拓展膨胀波纹管的应用范围做好了基础准备。
关键词 膨胀波纹管 材料 化学成分 力学性能 双相钢
Analysis of Expandable Corrugated Liner Materials Properties
and Exploration of New Applicable Materials
LIU Xiaodan1，2，TAO Xinghua1，NIU Xinming1
（1.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101 ，
China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）
Abstract Based on the former studying of solid expandable tubular materials and combined with the need on cite，the relationship between the composition and performance of the expandable corrugated liner materials were specifically studied in this paper.The key factors restricting the strength increasing for the expandable corrugated liner were analyzed.At the same time the paper also gave out how to control the material composition so as to get higher casing strength.Accordingly，it also demonstrated the applicability and advantages of ferrite－martensite al phase steels using in the manufacture of expandable corrugated liner.As a result，it would be benefit for further exploration of the new applicable materials.It also prepared for the widely use of the expandable profile liner.
Key words expandable corrugated liner；materials；chemical composition；mechanical properties；al phase steel
膨胀波纹管技术是俄罗斯石油工程领域最先兴起的套管补贴技术之一。管体截面呈波纹状或梅花瓣状。采用圆形管材进行冷压加工处理，以减小管截面外径尺寸，确保作业期间通过上层套管或裸眼下入目标层段，再通过液压和机械膨胀，恢复成圆管，达到修复外层损坏套管提高地层承压能力和封堵复杂地层的目的［1］。随着膨胀波纹管技术应用领域的逐步拓展，需要研制出高强度、高塑性、高稳定性的膨胀波纹管。分析认为管体材料是影响膨胀波纹管强度性能的重要因素之一。本文从材料成分与性能要求之间的匹配性研究入手，通过分析膨胀波纹管材料主控因素，研究关键因素之间的相互影响关系，进而给出了膨胀波纹管材料选择的基本原则。据此，初步探索了铁素体－马氏体双相钢用于加工制造膨胀波纹管的适用性。为进一步探索膨胀波纹管新型适用材料提供借鉴和参考，启发新的研究思路。
1 膨胀波纹管材料性能及成分控制分析
截至目前，膨胀波纹管工程应用方面有了较大发展，但仍无法满足复杂地质和工程环境下石油勘探和开发的需要。因受选材范围、焊接工艺、加工成型设备等因素*，难以获得更高性能的膨胀波纹管。为此，需要从膨胀波纹管加工成型及施工工艺角度分析其性能要求，提出材料成分控制的要求。
1.1 膨胀波纹管材料特性分析
国内膨胀波纹管目前采用圆管冷压成型，下入目标层后需要通过水力和机械方式膨胀为圆管。为此，其管体材料应满足以下几点要求：(1)具有良好的塑性变形能力；(2)较高的抗拉强度；(3)较低的屈服强度；(4)较高的加工硬化指数。此外，因膨胀波纹管需要在施工现场进行焊接，要求管材具备良好的野外焊接性能，资料分析表明，需要将C当量控制在0.46％之内［2］，因此，在目前施工工艺条件下，膨胀波纹管材料一般选用低合金高强度钢或微合金钢［3］。细晶强化是低合金高强度钢和微合金钢的主要强化手段。具体方法为：在合金化方面是以少量强碳化物形成元素Nb、V、Ti等进行微合金化；成形加工技术主要有：(1)由控制终轧温度和轧后冷却速度等途径来细化奥氏体再结晶晶粒和冷却后的铁素体晶粒；(2)由循环热处理达到晶粒超细化；(3)快速奥氏体化多级热处理等。晶粒细化的强化效果可以用Hall－Petch方程表示［4］：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
式中：σy为屈服应力；σ0为晶格摩擦力；K为常数；d为晶粒直径。
根据对低碳钢的试验结果，晶粒细化会使加工硬化指数n降低，其关系为：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
由此表明，通过晶粒细化提高了材料强度，也同时提高了材料的屈强比，降低了材料的加工硬化指数。根据上述膨胀波纹管特殊的性能要求，在材料化学成分以及管材轧制和热处理等工艺过程中，需要严格控制，确保将管材性能控制在合理的范围内。
1.2 膨胀波纹管材料成分控制要求
基于上述膨胀波纹管材料特殊性能的分析认为，合理控制波纹管管材成分是达到控制其性能要求的关键因素。如上所述，膨胀波纹管材料一般采用低合金高强度钢或微合金钢，含碳量一般控制在0.2％之内，此时，钢管韧性好，延伸率高，适于冷压成型。从微观角度分析，锰是弱碳化物形成元素，少数溶于渗碳体，大部分溶于铁素体中，对铁素体的固溶强化作用较为明显，能提高钢的强度，削弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，降低材料屈强比。当锰含量较低（一般是小于1％～1.5％）时，随着锰含量增加，钢的冲击韧性提高；当锰含量大于1％～1.5％时，冲击韧性随锰含量增加显著降低。此外，过高的锰含量会提高钢的冷裂纹敏感指数，降低焊缝韧性［3］。碳含量在0.2％之内时，锰含量在1％～2％范围内，对钢的焊接性能不会造成显著影响。因此，膨胀波纹管材料中锰含量应尽量控制在2％范围内。硅是固溶强化作用较明显的元素，可通过提高材料中的Si含量来降低材料的屈强比，但过高的硅含量会显著降低钢的焊接性能，因此，Si含量也需要控制在一定范围内。此外，还可通过添加适量的Cr、Mo等合金元素提高钢的淬透性，降低钢的屈强比。S和P为钢中有害杂质元素，其降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，需要将钢中S、P含量控制在较低的范围内。
2 双相钢用于制造膨胀波纹管的适用性分析
2.1 双相钢材料的优越性及应用
双相钢具有良好的强塑性匹配及冷变形性能。与通常使用的低合金高强度钢相比，在相同强度级别条件下，双相钢具有较低的屈强比、较高的延伸率和很高的加工硬化率。这些特点使其具有良好的加工成形性能，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷加工成型［5］。双相钢与常规低合金高强度钢相比，抗拉强度高，屈强比低，没有明显的屈服平台。这是因为一般低合金高强度钢由铁素体、珠光体以及铁素体内碳化物、氮化物沉淀等组成，其强化机制一般都是基于阻碍位错运动的固溶强化与细晶强化，从而导致屈服强度较高，并且具有明显的屈服平台。对于双相钢，在双相区部分奥氏体化过程中，C、Mn等合金元素向奥氏体中聚集，铁素体成为纯净基体，奥氏体转变为马氏体后，体积膨胀3％～8％，在马氏体－铁素体交界面附近诱发大量高密度的可动位错，这些可动位错在低的外加应力作用下便可以运动，引起材料屈服，而强韧马氏体的存在，可以协调塞积端的应力集中，因而双相钢表现出低屈服与连续屈服的特征。此外，双相钢合金含量较低，因而具有良好的焊接性能。同时，双相钢的生产工艺简单，成本低廉，作为可膨胀波纹管的材料具有广阔的发展空间。
双相钢因其优越的力学性能，目前已经引起了石油工程科研人员的浓厚研究兴趣。2007年，Yamazaki等发表了利用双相无缝钢管作为实体膨胀管的美国专利，专利中对热轧无缝钢管采用常规热处理或双相热处理工艺［6］。表1为试验用钢管化学成分，表2为经过不同热处理工艺后试验钢管的显微组织和力学性能。从表2可以看出，对化学成分相同的钢管分别进行双相热处理和常规热处理后，经双相热处理的钢屈强比降低，均匀延伸率和断后延伸率提高。
表1 试验用钢化学成分质量分数
表2 试验钢管力学性能
图1 双相热处理工艺示意图
2.2 双相钢直焊缝膨胀波纹管
由于直缝焊管与无缝钢管相比具有壁厚均匀、椭圆度高等特点，在结构上更加适合制造成膨胀波纹管。从已有的报道了解到，目前获得双相钢直缝焊管有两种生产工艺。一种工艺是利用双相钢薄板直接卷曲焊接成钢管，该工艺中卷曲成圆管后需要焊接，焊接过程中因受热将使焊接热影响区的组织发生改变，导致机械性能发生变化，焊接区强度提高而塑性降低，焊管周围的组织和力学性能不连续。此外，钢板卷曲成管的塑性变形过程不仅会对焊管产生加工硬化作用，使焊管与原板材相比均匀延伸率降低，而且变形过程中产生的残余应力也会对焊管的性能造成不利影响。另外一种工艺是利用普通的铁素体－珠光体钢薄板焊接成薄壁管后进行热处理，以获得双相组织。E.J.Pavlina等利用后一种工艺成功地开发出了具有铁素体－马氏体的双相钢管。在试验中，作者首先将1019（Fe －0.19C）合金薄板（显微组织为铁素体－珠光体）卷曲焊接成薄壁管，外径尺寸为44.5 mm，壁厚为1.6mm；然后将钢管进行完全退火，之后利用感应线圈将钢管加热到临界温度区，进行等温淬火以获得铁素体－马氏体双相组织。该热处理工艺如图1所示，热处理后钢管焊缝和本体区显微组织如图2所示。分析可知焊接影响区的组织性能与钢管其他部分的组织基本相同。作者还对试制的双相直缝钢管进行了水力膨胀室内试验，当管内水压力达到54.4MPa时钢管本体发生爆破，而焊缝处完好，表明直焊缝处力学性能优于钢管本体［7］。
图2 双相热处理后Fe－0.19C直缝钢管双相组织
2.3 Bauschinger效应影响分析
双相钢与其他组织的低合金高强度钢相比，膨胀过程对材料的Bauschinger效应具有明显的抑制作用。Bauschinger效应的大小与材料的成分、显微组织、强度、塑性变形量等因素有关。为此，Hitoshi Asahi等详细地研究了显微组织对直缝焊管Bauschinger效应的影响［8］。该试验采用热轧法生产外径尺寸为194mm、壁厚为9.6mm的直缝焊管，轧后进行热处理。表3为试验用钢化学成分，表4为经不同工艺生产的直缝焊管的显微组织、 Bauschinger效应比和挤毁压力。分析表明，Bauschinger效应比（钢管1＃、2＃相比差值高达22％）越大表示材料的Bauschinger效应越小。从表4可以看出，相同化学组成的钢管，显微结构为回火马氏体的（4＃）Bauschinger效应最为明显，铁素体－珠光体显微结构次之（2＃），具有铁素体－马氏体双相组织的Bauschinger效应最小。作者还将膨胀20％后的1＃、4＃钢管做了挤毁试验。由于Bauschinger效应小、加工硬化率高等原因，膨胀后，具有铁素体－马氏体双相组织的直缝焊管抗挤强度明显高于显微组织为马氏体的焊管。该试验充分证明具有铁素体－马氏体双相组织的膨胀管受Bauschinger效应影响较小，在膨胀后具有相对较高的抗外挤强度，应用于加工制造膨胀波纹管，对于改善膨胀工艺性能、提高膨胀后波纹管管体强度具有重要价值。
表3 试验用钢化学成分质量分数
表4 直缝焊管显微组织和力学性能
3 结论
1）根据膨胀波纹管加工和使用过程的特殊要求，其管体材料要求具有较高的抗拉强度和塑性变形能力、较低的屈服强度、较高的加工硬化指数、良好的焊接性能。其中焊接性能是影响膨胀波纹管材料综合性能提高的关键因素之一。
2）根据膨胀波纹管性能要求，膨胀波纹管管材碳含量一般需要控制在0.2％以内，Mn含量控制在2％以内，S和P含量控制在较低范围内。
3）铁素体－马氏体双相钢符合膨胀波纹管材料化学成分与力学性能的要求。可以对普通热轧钢管通过临界区热处理的方法获得铁素体－马氏体双相组织。
4）铁素体－马氏体双相钢管与普通钢管相比具有屈强比低、均匀延伸率高、膨胀后抗外挤强度高等优点。双相钢作为膨胀波纹管材料具有广阔的应用前景。
参考文献
［1］陶兴华，马开华，吴波，等.膨胀波纹管技术现场试验综述及存在问题分析［J］.石油钻探技术，2007，35（4）：63 ～66.
［2］周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）［M］.北京：机械工业出版社，2005.
［3］李郑.合金元素对高强度管线钢埋弧焊缝组织性能的影响［J］.热加工工艺，2011，40（17）：12 ～14.
［4］哈宽富.金属力学性质的微观理论［M］.北京：科学出版社，1983.
［5］马鸣图，吴宝榕.双相钢——物理和力学冶金［M］.北京：冶金工业出版社，2009.
［6］Yamazaki Y，Miyata Y，Kimura M，et al.Seamless expandable oil country tubular goods and manufacturing method thereof［P］.United States Patent Application Publication：US 2007/0116975 Al，2007－05－24.
［7］Pavlina E J，Vantyne C J，Herel K.Hydraulic bulge testing of al phase steel tubes proced using a novel processing route［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，201，242～246.
［8］Asahi H，Tsuru E.Steel plate of steel pipe with small occurrence of bauschinger effect and methods of proction of same［P］.United States Patent Application Publication：US 2008/0286504 Al，2008－11－20.
热心网友
时间：2023-10-10 09:26
刘晓丹1，2陶兴华1牛新明1
（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；
2.中国石油大学，北京 102249）
摘 要 本文在前人研究分析可膨胀实体管材料特性的基础上，结合现场需求，着力进行了膨胀波纹管不同材料成分与使用性能要求匹配性研究。从材料微观角度分析了制约膨胀波纹管强度提高的关键因素，提出了膨胀波纹管材料成分控制要求。据此，分析了铁素体－马氏体双相钢材料用于加工制造膨胀波纹管的适用性和优越性。这对进一步探索膨胀波纹管新型适用材料具有重要启发意义，也为下一步拓展膨胀波纹管的应用范围做好了基础准备。
关键词 膨胀波纹管 材料 化学成分 力学性能 双相钢
Analysis of Expandable Corrugated Liner Materials Properties
and Exploration of New Applicable Materials
LIU Xiaodan1，2，TAO Xinghua1，NIU Xinming1
（1.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101 ，
China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China）
Abstract Based on the former studying of solid expandable tubular materials and combined with the need on cite，the relationship between the composition and performance of the expandable corrugated liner materials were specifically studied in this paper.The key factors restricting the strength increasing for the expandable corrugated liner were analyzed.At the same time the paper also gave out how to control the material composition so as to get higher casing strength.Accordingly，it also demonstrated the applicability and advantages of ferrite－martensite al phase steels using in the manufacture of expandable corrugated liner.As a result，it would be benefit for further exploration of the new applicable materials.It also prepared for the widely use of the expandable profile liner.
Key words expandable corrugated liner；materials；chemical composition；mechanical properties；al phase steel
膨胀波纹管技术是俄罗斯石油工程领域最先兴起的套管补贴技术之一。管体截面呈波纹状或梅花瓣状。采用圆形管材进行冷压加工处理，以减小管截面外径尺寸，确保作业期间通过上层套管或裸眼下入目标层段，再通过液压和机械膨胀，恢复成圆管，达到修复外层损坏套管提高地层承压能力和封堵复杂地层的目的［1］。随着膨胀波纹管技术应用领域的逐步拓展，需要研制出高强度、高塑性、高稳定性的膨胀波纹管。分析认为管体材料是影响膨胀波纹管强度性能的重要因素之一。本文从材料成分与性能要求之间的匹配性研究入手，通过分析膨胀波纹管材料主控因素，研究关键因素之间的相互影响关系，进而给出了膨胀波纹管材料选择的基本原则。据此，初步探索了铁素体－马氏体双相钢用于加工制造膨胀波纹管的适用性。为进一步探索膨胀波纹管新型适用材料提供借鉴和参考，启发新的研究思路。
1 膨胀波纹管材料性能及成分控制分析
截至目前，膨胀波纹管工程应用方面有了较大发展，但仍无法满足复杂地质和工程环境下石油勘探和开发的需要。因受选材范围、焊接工艺、加工成型设备等因素*，难以获得更高性能的膨胀波纹管。为此，需要从膨胀波纹管加工成型及施工工艺角度分析其性能要求，提出材料成分控制的要求。
1.1 膨胀波纹管材料特性分析
国内膨胀波纹管目前采用圆管冷压成型，下入目标层后需要通过水力和机械方式膨胀为圆管。为此，其管体材料应满足以下几点要求：(1)具有良好的塑性变形能力；(2)较高的抗拉强度；(3)较低的屈服强度；(4)较高的加工硬化指数。此外，因膨胀波纹管需要在施工现场进行焊接，要求管材具备良好的野外焊接性能，资料分析表明，需要将C当量控制在0.46％之内［2］，因此，在目前施工工艺条件下，膨胀波纹管材料一般选用低合金高强度钢或微合金钢［3］。细晶强化是低合金高强度钢和微合金钢的主要强化手段。具体方法为：在合金化方面是以少量强碳化物形成元素Nb、V、Ti等进行微合金化；成形加工技术主要有：(1)由控制终轧温度和轧后冷却速度等途径来细化奥氏体再结晶晶粒和冷却后的铁素体晶粒；(2)由循环热处理达到晶粒超细化；(3)快速奥氏体化多级热处理等。晶粒细化的强化效果可以用Hall－Petch方程表示［4］：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
式中：σy为屈服应力；σ0为晶格摩擦力；K为常数；d为晶粒直径。
根据对低碳钢的试验结果，晶粒细化会使加工硬化指数n降低，其关系为：
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
由此表明，通过晶粒细化提高了材料强度，也同时提高了材料的屈强比，降低了材料的加工硬化指数。根据上述膨胀波纹管特殊的性能要求，在材料化学成分以及管材轧制和热处理等工艺过程中，需要严格控制，确保将管材性能控制在合理的范围内。
1.2 膨胀波纹管材料成分控制要求
基于上述膨胀波纹管材料特殊性能的分析认为，合理控制波纹管管材成分是达到控制其性能要求的关键因素。如上所述，膨胀波纹管材料一般采用低合金高强度钢或微合金钢，含碳量一般控制在0.2％之内，此时，钢管韧性好，延伸率高，适于冷压成型。从微观角度分析，锰是弱碳化物形成元素，少数溶于渗碳体，大部分溶于铁素体中，对铁素体的固溶强化作用较为明显，能提高钢的强度，削弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，降低材料屈强比。当锰含量较低（一般是小于1％～1.5％）时，随着锰含量增加，钢的冲击韧性提高；当锰含量大于1％～1.5％时，冲击韧性随锰含量增加显著降低。此外，过高的锰含量会提高钢的冷裂纹敏感指数，降低焊缝韧性［3］。碳含量在0.2％之内时，锰含量在1％～2％范围内，对钢的焊接性能不会造成显著影响。因此，膨胀波纹管材料中锰含量应尽量控制在2％范围内。硅是固溶强化作用较明显的元素，可通过提高材料中的Si含量来降低材料的屈强比，但过高的硅含量会显著降低钢的焊接性能，因此，Si含量也需要控制在一定范围内。此外，还可通过添加适量的Cr、Mo等合金元素提高钢的淬透性，降低钢的屈强比。S和P为钢中有害杂质元素，其降低钢的延展性和韧性，恶化焊接性能，需要将钢中S、P含量控制在较低的范围内。
2 双相钢用于制造膨胀波纹管的适用性分析
2.1 双相钢材料的优越性及应用
双相钢具有良好的强塑性匹配及冷变形性能。与通常使用的低合金高强度钢相比，在相同强度级别条件下，双相钢具有较低的屈强比、较高的延伸率和很高的加工硬化率。这些特点使其具有良好的加工成形性能，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷加工成型［5］。双相钢与常规低合金高强度钢相比，抗拉强度高，屈强比低，没有明显的屈服平台。这是因为一般低合金高强度钢由铁素体、珠光体以及铁素体内碳化物、氮化物沉淀等组成，其强化机制一般都是基于阻碍位错运动的固溶强化与细晶强化，从而导致屈服强度较高，并且具有明显的屈服平台。对于双相钢，在双相区部分奥氏体化过程中，C、Mn等合金元素向奥氏体中聚集，铁素体成为纯净基体，奥氏体转变为马氏体后，体积膨胀3％～8％，在马氏体－铁素体交界面附近诱发大量高密度的可动位错，这些可动位错在低的外加应力作用下便可以运动，引起材料屈服，而强韧马氏体的存在，可以协调塞积端的应力集中，因而双相钢表现出低屈服与连续屈服的特征。此外，双相钢合金含量较低，因而具有良好的焊接性能。同时，双相钢的生产工艺简单，成本低廉，作为可膨胀波纹管的材料具有广阔的发展空间。
双相钢因其优越的力学性能，目前已经引起了石油工程科研人员的浓厚研究兴趣。2007年，Yamazaki等发表了利用双相无缝钢管作为实体膨胀管的美国专利，专利中对热轧无缝钢管采用常规热处理或双相热处理工艺［6］。表1为试验用钢管化学成分，表2为经过不同热处理工艺后试验钢管的显微组织和力学性能。从表2可以看出，对化学成分相同的钢管分别进行双相热处理和常规热处理后，经双相热处理的钢屈强比降低，均匀延伸率和断后延伸率提高。
表1 试验用钢化学成分质量分数
表2 试验钢管力学性能
图1 双相热处理工艺示意图
2.2 双相钢直焊缝膨胀波纹管
由于直缝焊管与无缝钢管相比具有壁厚均匀、椭圆度高等特点，在结构上更加适合制造成膨胀波纹管。从已有的报道了解到，目前获得双相钢直缝焊管有两种生产工艺。一种工艺是利用双相钢薄板直接卷曲焊接成钢管，该工艺中卷曲成圆管后需要焊接，焊接过程中因受热将使焊接热影响区的组织发生改变，导致机械性能发生变化，焊接区强度提高而塑性降低，焊管周围的组织和力学性能不连续。此外，钢板卷曲成管的塑性变形过程不仅会对焊管产生加工硬化作用，使焊管与原板材相比均匀延伸率降低，而且变形过程中产生的残余应力也会对焊管的性能造成不利影响。另外一种工艺是利用普通的铁素体－珠光体钢薄板焊接成薄壁管后进行热处理，以获得双相组织。E.J.Pavlina等利用后一种工艺成功地开发出了具有铁素体－马氏体的双相钢管。在试验中，作者首先将1019（Fe －0.19C）合金薄板（显微组织为铁素体－珠光体）卷曲焊接成薄壁管，外径尺寸为44.5 mm，壁厚为1.6mm；然后将钢管进行完全退火，之后利用感应线圈将钢管加热到临界温度区，进行等温淬火以获得铁素体－马氏体双相组织。该热处理工艺如图1所示，热处理后钢管焊缝和本体区显微组织如图2所示。分析可知焊接影响区的组织性能与钢管其他部分的组织基本相同。作者还对试制的双相直缝钢管进行了水力膨胀室内试验，当管内水压力达到54.4MPa时钢管本体发生爆破，而焊缝处完好，表明直焊缝处力学性能优于钢管本体［7］。
图2 双相热处理后Fe－0.19C直缝钢管双相组织
2.3 Bauschinger效应影响分析
双相钢与其他组织的低合金高强度钢相比，膨胀过程对材料的Bauschinger效应具有明显的抑制作用。Bauschinger效应的大小与材料的成分、显微组织、强度、塑性变形量等因素有关。为此，Hitoshi Asahi等详细地研究了显微组织对直缝焊管Bauschinger效应的影响［8］。该试验采用热轧法生产外径尺寸为194mm、壁厚为9.6mm的直缝焊管，轧后进行热处理。表3为试验用钢化学成分，表4为经不同工艺生产的直缝焊管的显微组织、 Bauschinger效应比和挤毁压力。分析表明，Bauschinger效应比（钢管1＃、2＃相比差值高达22％）越大表示材料的Bauschinger效应越小。从表4可以看出，相同化学组成的钢管，显微结构为回火马氏体的（4＃）Bauschinger效应最为明显，铁素体－珠光体显微结构次之（2＃），具有铁素体－马氏体双相组织的Bauschinger效应最小。作者还将膨胀20％后的1＃、4＃钢管做了挤毁试验。由于Bauschinger效应小、加工硬化率高等原因，膨胀后，具有铁素体－马氏体双相组织的直缝焊管抗挤强度明显高于显微组织为马氏体的焊管。该试验充分证明具有铁素体－马氏体双相组织的膨胀管受Bauschinger效应影响较小，在膨胀后具有相对较高的抗外挤强度，应用于加工制造膨胀波纹管，对于改善膨胀工艺性能、提高膨胀后波纹管管体强度具有重要价值。
表3 试验用钢化学成分质量分数
表4 直缝焊管显微组织和力学性能
3 结论
1）根据膨胀波纹管加工和使用过程的特殊要求，其管体材料要求具有较高的抗拉强度和塑性变形能力、较低的屈服强度、较高的加工硬化指数、良好的焊接性能。其中焊接性能是影响膨胀波纹管材料综合性能提高的关键因素之一。
2）根据膨胀波纹管性能要求，膨胀波纹管管材碳含量一般需要控制在0.2％以内，Mn含量控制在2％以内，S和P含量控制在较低范围内。
3）铁素体－马氏体双相钢符合膨胀波纹管材料化学成分与力学性能的要求。可以对普通热轧钢管通过临界区热处理的方法获得铁素体－马氏体双相组织。
4）铁素体－马氏体双相钢管与普通钢管相比具有屈强比低、均匀延伸率高、膨胀后抗外挤强度高等优点。双相钢作为膨胀波纹管材料具有广阔的应用前景。
参考文献
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