CN108220782A - 一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陆地及海洋油气井用管技术领域,具体地说,是一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管,包括以下组分:C 0.17%‑0.33%、Mn 1.2%‑1.8%、P≤0.02%、S≤0.005%、Si 0.15%‑0.5%、Fe余量。本发明打破原材料、焊缝等因素对连管性能的限制,同时为了适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求,开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致,强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。
Description
技术领域
本发明涉及陆地及海洋油气井用管技术领域,具体地说,是一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管及其制备方法。
背景技术
连续油管不同于常规螺纹连接的油管,其是一种缠绕在滚筒上,可连续下井或起出的单根长达数千米的无接头油管。连续油管技术是当前国际上较为先进的技术,由于其作业成本低、简单省时、安全可靠等优越性能,而被广泛应用于冲砂、洗井、测井、完井及钻井等多个领域。随着油、气田开采的难度不断加大,深井、高压井、高腐蚀环境逐渐增多,高强度、高疲劳寿命、大管径、耐腐蚀、性能适应范围广是今后连续油管的主要发展方向。
连续油管技术发展至今,仍是以常规的低碳合金钢管为主,这种连续油管的问题在于,钢带原材料经过卷曲成型、焊接成管,然后对管体进行简单热处理,热处理对改善连续油管性能所发挥的作用有限。虽然近几年由于钢铁冶炼技术、钢材轧制技术的发展,连续油管材料性能也得到一定程度的提高,但由于工艺手段的原因,现有连续油管的组织仅局限在常规的低强度铁素体、珠光体或贝氏体范围内,仅仅依靠合金化、轧制、冷却等强化方式,超高强度、高疲劳寿命连续油管的开发仍然十分困难。
根据现场使用情况统计,绝大多数的连续油管失效源自于钢带斜焊缝或连管直焊缝,尤其斜焊缝最高仅为正常模拟寿命的80%。究其原因,焊接之后原材料固有的组织、性能遭到破坏,且焊接后未经恰当的热处理,导致焊缝、热影响区与母材间组织差异较大,力学性能分布不均,焊缝部位存在较大组织应力及焊接应力。现场应用过程中,焊缝部位更容易产生应力集中且耐腐蚀性较差,最终引发连续油管过早失效,这也是常规连续油管比较难以克服的问题之一。
连续油管一般长达数千米、重量可达数十吨,其下入井内除了承受自身重力载荷外,还要受到拉伸、弯曲及内外压等复杂载荷的作用。为了平衡整盘连续油管的承载能力,现多采用变径连续油管的方案,通过增加靠近井口段的壁厚达到增强承载力的目的,显然该种方式,无可避免的会缩减连续油管的内径及液体泵送能力,且会导致原材料成本的大幅度增加。另外,遇到腐蚀环境恶劣的井段,通常只能牺牲连续油管的整体强度及疲劳寿命,折中以求满足产品的抗腐蚀性能要求。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的不足,提供了一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管,还提供了其制造方法,打破原材料、焊缝等因素对连续油管性能的限制,开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致,强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。通过专门的热处理***装置,实现了连续油管组织及性能的在线、连续、动态可调,以适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求。
解决上述技术问题的技术方案如下:
一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管,按照质量百分比计,包括以下组分:C 0.17%-0.33%、Mn 1.2%-1.8%、P≤0.02%、S≤0.005%、Si 0.15%-0.5%、Fe余量。
进一步地说,为提高热处理工艺性,还包括Cr、Ni、Mo、B合金元素中的一种或任意几种,所述的合金元素的总量不超过5.7%。
该在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法,包括以下步骤:
(1)原材料的处理
将热轧钢卷根据管径要求剪切成相应宽度的钢带,热轧使得钢带获得铁素体和珠光体共混平衡组织,通过微合金化,加入Nb、V或Ti合金化元素,并通过控轧控冷获得均匀、晶粒细小的原材料组织;为后续决定连续油管性能的热处理做好组织上的准备。
(2)焊接钢带
连续油管一般长达数千米,为获得相应长度的成品连续油管,需要将钢带通过端部焊接的方式接长至所需连续油管相应长度,钢带焊接前,将两待焊接端部斜切成45°并加工I型坡口,组对待焊接;焊接后打磨去除焊缝余高,焊缝加热到480~960℃并空冷进行焊后热处理;按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接,获得与成品连管相适应的钢带长度。
(3)制管
所需钢带对接完成后,正式进入连续油管制管环节,将上述步骤(2)得到的焊接钢带经过成型机组卷曲成型,调整焊接挤压辊,保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象,通过高频感应焊或激光焊进行连管直焊缝焊接,焊接完成后进行定径处理,获得所需要的连管外径尺寸,定径完成后将进入热处理***,进行在线、连续热处理;
(4)热处理
热处理***包括三个环节即一次热处理、加热烘干及二次热处理;
所述的一次热处理为采用功率至少为1000kw的加热炉进行感应加热,将连管管体加热到Ac3线以上,所述的感应加热炉需具备必要的有效加热长度,可以采用多个加热炉组合使用的形式,以保证整个管体均匀透热,加热完成后在1-2米内快速进入冷却水***进行盐水冷却,所述的盐水的浓度、温度、流量、压力由连管壁厚及制管速度决定,根据原材料处理工艺性、连管壁厚及制管速度等合理调整盐水浓度、温度、流量、压力等参数,以确保整个管壁在10s内冷却到相变点温度以下,完成组织转变;经过一次热处理后,焊缝的恶劣组织已经被消除,获得了焊缝与母材组织、性能均匀统一的连续油管。所述的焊缝包括钢带斜焊缝及连管直焊缝,后续经过二次热处理组织中的碳化物均匀弥散析出,使连续油管获得良好的综合力学性能。
再将连管表面加热到50~80℃,去除入水冷却过程中所残留的水分;
再将连管进行二次热处理,所述的二次热处理通过感应加热炉将管体加热到300~680℃,采用多个加热炉组合使用,确保充足的加热、保温有效长度,然后经过空冷冷却到100℃以下,最后入水冷却到室温即得该连续油管。
进一步地说,步骤(2)中所述的焊接为TIG、MIG或等离子焊中任意一种。
作为优选,所述热处理***可以进行在线、连续、动态调整,通过调整二次热处理工艺参数,使得不同管段具有不同的承载强度,当加热温度为300~550℃时,管段具有更高的强度,现场使用过程中该类管段位于井口端,具有更强的承载能力,发挥变径连续油管的作用。
作为优选,所述热处理***可以进行在线、连续、动态调整,通过调整二次热处理工艺参数,使得不同管段具有不同的抗腐蚀性能,当加热温度为600~680℃时,使得碳化物更加均匀的弥散析出,同时降低连管硬度,使得该管段具有更好的抗腐蚀能力,以满足不同井段对连续油管抗腐蚀性能的要求。
本发明的有益效果是:
本发明打破原材料、焊缝等因素对连管性能的限制,同时为了适应不同工况对连续油管承载能力、抗腐蚀性能的要求,开发出了一种焊缝与母材组织、性能均匀一致,强度高、疲劳寿命好、耐腐蚀性能优良且经济性好的连续油管。连续油管需要重新开发连续油管材料、设计钢带原材料成分及工艺,以适应后续热处理工艺要求。不同于常规连续油管仅进行简单的热处理,钢带经过连续卷曲及焊接成型后,本发明通过专门设计的在线连续、动态可调式热处理***完成对连续油管的特殊热处理,从而获得强度高、疲劳寿命好且耐腐蚀性能优异的连管组织,且可通过热处理消除焊接形成的恶劣组织,达到整管组织、性能的均匀统一。
本发明的生产过程是与卷曲、焊接成型速度相匹配的在线、连续、快速热处理,而不是待连续油管生产完成后,通过倒管再进行线下处理,其生产速度快、技术含量较高。与常规的变径连续油管不同,本发明在连续生产过程中,通过动态调整热处理工艺参数,使得不同管段具有不同的强度,而不用通过变径(变壁厚)的方式平衡连续油管承载能力。不同于将异种材料采用钢带斜焊缝或管环焊缝的方式进行对接,本专利在同种材料的情况下,在连续生产过程中,通过动态调整热处理工艺参数,改善组织使得不同管段具有不同的硬度及组织性能,以适应不同井段的抗腐蚀性能要求,有效的避免了因异种材料焊接而引起的电化学腐蚀。
本发明专门设计的连续油管材料为一种高品质、高性能热轧钢卷。采用微合金化方式,加入适量Nb、V、Ti等合金化元素,并通过先进的控轧控冷工艺获得组织均匀、晶粒细小的原材料组织。
采用专门设计的热处理***装置,对连续油管进行特殊热处理,打破常规连续油管对原材料性能的依赖,开发出高强度、高疲劳寿命的连续油管(其疲劳寿命可达同钢级普通连续油管的3-5倍),以适应深井、高压井的作业需求。
通过特殊的热处理可消除焊缝恶劣组织,实现焊缝与母材在组织、性能方面的均匀统一,避免钢带斜焊缝或连管直焊缝对连续油管作业的影响,大幅度提升连续油管整体使用寿命。
采用专门设计的热处理***装置,可与钢带卷曲并焊接成型的速度相匹配,实现连续油管性能的在线、连续、动态可调。
不必通过变径(变壁厚)、异种材料对接的方式,通过在线动态调整热处理工艺参数,即可满足连续油管对不同管段承载能力、耐腐蚀性能的特殊要求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明的制管环节流程示意图;
具体实施方式
实施例1:
按照质量百分比,本实施例所用钢材的化学成分为C 0.17%、Mn 1.5%、P0.01%、S 0.003%、Si 0.33%、B 0.0005%、Fe余量。通过微合金化,加入Nb、V或Ti合金化元素,热轧获得晶粒度为13级的铁素体+珠光体平衡组织,轧后钢卷经过剪切,获得2.000in*0.175in连管用钢带。
将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口,组对以准备进行焊接,采用等离子焊完成钢带焊接,焊接后打磨去除焊缝余高,焊缝加热到550℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接,获得总长度为4300m的钢带。
4300m长度的钢带,从入头开始以12m/min的速度进入制管机组,在线、连续完成制管。具体流程为,钢带经过成型机组卷曲成型,调整焊接挤压辊,保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象,通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接,焊接完成后进行定径处理,获得所需要的连管外径尺寸(2in),定径完成后将进入特殊设计的热处理***,进行在线、连续热处理。
组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热,将管体加热到900℃,加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水***进行盐水冷却,控制盐水浓度在5%-10%、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力,确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下,完成组织转变。
经过一次热处理后,通过加热烘干设备将连管表面加热到50℃,快速去除入水冷却过程中所残留的水分。
二次热处理通过感应加热炉将管体加热到500℃(4个加热炉组合使用,确保充足的加热、保温有效长度,以使碳化物充分弥散析出),然后经过空冷冷却到100℃以下,最后入水快速冷却到室温,以便收管获取成品连续油管。
实施例2:
按照质量百分比,本实施例所用钢材的化学成分为C 0.22%、Mn 1.2%、P0.01%、S 0.002%、Si 0.15%、Mo 0.25%B 0.0007%、Fe余量。通过微合金化,加入Nb、V或Ti合金化元素,热轧获得晶粒度为13级的铁素体+珠光体平衡组织,轧后钢卷经过剪切,获得2.000in*0.204in连管用钢带。将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口,组对以准备进行焊接,采用TIG焊完成钢带焊接,焊接后打磨去除焊缝余高,焊缝加热到480℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接,获得总长度为3600m的钢带。
3600m长度的钢带,从入头开始以10m/min的速度进入制管机组,在线、连续完成制管。具体流程为,钢带经过成型机组卷曲成型,调整焊接挤压辊,保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象,通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接,焊接完成后进行定径处理,获得所需要的连管外径尺寸(2in),定径完成后将进入特殊设计的热处理***,进行在线、连续热处理。
组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热,将管体加热到925℃,加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水***进行盐水冷却,控制盐水浓度在5%-10%、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力,确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下,完成组织转变。
经过一次热处理后,通过加热烘干设备将连管表面加热到80℃,快速去除入水冷却过程中所残留的水分。
二次热处理需4个感应加热炉组合使用,确保充足的加热、保温有效长度。加热到一定温度后(在线动态调整二次热处理温度,控制碳化物的析出程度,以调整组织及硬度,具体为,前1000m控制加热温度为300℃,后2600m控制加热温度为600℃)经过空冷冷却到100℃以下,最后入水快速冷却到室温,以便收管获取成品连续油管(前1000m具有更高的承载能力,以发挥变径连续油管的作用)。
实施例3:
按照质量百分比,本实施例所用钢材的化学成分为C 0.33%、Mn 1.8%、P0.02%、S 0.005%、Si 0.5%、Mo 0.20%、Cr 1.4%、Ni0.05%、Fe余量。通过微合金化,加入Nb、V或Ti合金化元素,热轧获得晶粒度为14级的铁素体+珠光体平衡组织,轧后钢卷经过剪切,获得2.000in*0.156in连管用钢带。将钢带端部斜切成45°并加工I型坡口,组对以准备进行焊接,采用MIG焊完成钢带焊接,焊接后打磨去除焊缝余高,焊缝加热到960℃并空冷进行焊后热处理。按照上述流程完成所有钢带焊缝的对接,获得总长度为5500m的钢带。
5500m长度的钢带,从入头开始以14m/min的速度进入制管机组,在线、连续完成制管。具体流程为,钢带经过成型机组卷曲成型,调整焊接挤压辊,保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象,通过高频感应焊完成连管直焊缝焊接,焊接完成后进行定径处理,获得所需要的连管外径尺寸(2in),定径完成后将进入特殊设计的热处理***,进行在线、连续热处理。
组合使用3个2000KW的大功率加热炉进行感应加热,将管体加热到945℃,加热完成后在1-2米范围内快速进入冷却水***进行盐水冷却,控制盐水浓度在5%-10%、温度在25℃以下、调整循环水流量及压力,确保整个管壁快速冷却到相变点温度以下,完成组织转变。
经过一次热处理后,通过加热烘干设备将连管表面加热到60℃,快速去除入水冷却过程中所残留的水分。
二次热处理需4个感应加热炉组合使用,确保充足的加热、保温有效长度。加热到一定温度后(在线动态调整二次热处理温度,控制碳化物的析出程度,调整组织及硬度,具体为,前3000m及后2000m分别控制加热温度为550℃、400℃,中间500m控制加热温度为660℃)经过空冷冷却到100℃以下,最后入水快速冷却到室温,以便收管获取成品连续油管(中间500m具有更好的耐腐蚀性能,以适应不同井段的腐蚀环境要求)。
本发明专门设计的连续油管材料为一种高品质、高性能热轧钢卷。采用微合金化方式,加入适量Nb、V、Ti等合金化元素,并通过先进的控轧控冷工艺获得组织均匀、晶粒细小的原材料组织。
采用专门设计的热处理***装置,对连续油管进行特殊热处理,打破常规连续油管对原材料性能的依赖,开发出高强度、高疲劳寿命的连续油管(其疲劳寿命可达同钢级普通连续油管的3-5倍),以适应深井、高压井的作业需求。
通过特殊的热处理可消除焊缝恶劣组织,实现焊缝与母材在组织、性能方面的均匀统一,避免钢带斜焊缝或连管直焊缝对连续油管作业的影响,大幅度提升连续油管整体使用寿命。
采用专门设计的热处理***装置,可与钢带卷曲并焊接成型的速度相匹配,实现连续油管性能的在线、连续、动态可调。
不必通过变径(变壁厚)、异种材料对接的方式,通过在线动态调整热处理工艺参数,即可满足连续油管对不同管段承载能力、耐腐蚀性能的特殊要求。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种在线连续生产、性能动态可调的连续油管,其特征在于,按照质量百分比计,包括以下组分:C 0.17%-0.33%、Mn 1.2%-1.8%、P≤0.02%、S≤0.005%、Si 0.15%-0.5%、Fe余量。
2.根据权利要求1所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管,其特征在于,还包括Cr、Ni、Mo、B合金元素中的一种或任意几种,所述的合金元素的总量不超过5.7%。
3.一种如权利要求1或2所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)原材料的处理
将热轧钢卷根据管径要求剪切成相应宽度的钢带,热轧使得钢带获得铁素体和珠光体共混平衡组织,通过微合金化,加入Nb、V或Ti合金化元素,并通过控轧控冷获得均匀、晶粒细小的原材料组织;
(2)焊接钢带
将钢带通过端部焊接的方式接长至所需连续油管相应的长度,钢带焊接前,将两待焊接端部斜切成45°并加工I型坡口,组对待焊接;焊接后打磨去除焊缝余高,焊缝加热到480~960℃并空冷进行焊后热处理;
(3)制管
将上述步骤(2)得到的焊接钢带经过成型机组卷曲成型,调整焊接挤压辊,保证卷曲后钢带边缘紧密贴合且无错边现象,通过高频感应焊或激光焊进行连管直焊缝焊接,焊接完成后进行定径处理,获得所需要的连管外径尺寸,定径完成后将进入热处理工序;
(4)热处理
热处理包括三个环节:一次热处理、加热烘干及二次热处理;
所述的一次热处理为采用功率至少为1000kw的加热炉进行感应加热,将连管管体加热到Ac3线以上,所述的感应加热炉需具备必要的有效加热长度,以保证整个管体均匀透热,加热完成后在1-2米内进入冷却水***进行盐水冷却,所述的盐水的浓度、温度、流量、压力由连管壁厚及制管速度决定,以确保整个管壁在10s内冷却到相变点温度以下,完成组织转变;
再将连管表面加热到50~80℃,去除入水冷却过程中所残留的水分;
再将连管进行二次热处理,所述的二次热处理通过感应加热炉将管体加热到300~680℃,然后经过空冷冷却到100℃以下,最后入水冷却到室温即得该连续油管。
4.根据权利要求3所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的焊接为TIG、MIG或等离子焊中任意一种。
5.根据权利要求3所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的二次热处理在处理有承载强度要求的管段时,其加热温度为300~550℃。
6.根据权利要求3所述的在线连续生产、性能动态可调的连续油管的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的二次热处理在处理有抗腐蚀能力要求的管段时,其加热温度为600~680℃。
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