高品质含Nb无缝油井管与输送管的研发

　　天津钢管集团股份有限公司(简称“TPCO”)是目前国内无缝钢管产品规格最全、高端产品种类最多、生产制造技术最先进的企业，也是世界上单产最大的石油专用管提供商。近年来，TPCO与有关科研部门合作，开发并生产了一系列高品质、高附加值的含Nb调质无缝油井管与输送管。产品广泛应用在勘测、开采、运输、贮存等油气资源开发的各个环节，用户涵盖了全球主要的石油公司和油服专业公司。年产销含Nb管线管20-30万t、抗硫套管近8万t、含射孔枪管和抗硫钻杆在内的工具管近2万t。不仅满足了国内用户的需求，部分产品远销海外，极大地推动了含Nb调质无缝钢管高端产品的开发和应用。

　　1、高品质含Nb无缝油井管与输送管生产关键技术

　　无缝钢管的生产工艺流程一般包括电炉冶炼、连铸、穿管、轧管、热张减、热处理等工序。通过电炉冶炼和连铸获得坯料，随后经环形炉再加热-穿管-热连轧-热张减定径制成不同规格的无缝管，最后通过不同的热处理以获得所需要的综合力学性能。在实际生产中，无缝钢管的化学成分、冶金质量、轧制工艺、热处理制度对成品管的力学性能和使用性能有显著的影响。高品质含Nb无缝油井管与输送管的生产，涉及到以下几个方面的关键工艺技术：

　　1)纯净钢冶炼。配料采用预处理铁水+低P、S优质废钢;高真空VD处理;精炼补铝，脱氧固氮;精炼脱氧后，喂入SiCa丝进行夹杂物变性处理，且控制Ca/S;吹氩搅拌，控制流量和镇静时间，确保不吹开渣面。

　　2)精确控轧技术。在形变奥氏体再结晶区穿孔-热连轧，以细化荒管高温轧制的晶粒;在非再结晶区热张力减径，以形成细化的亚晶结构;增大横向压缩比，提高横向冲击功、减小纵横向冲击功的差异。

　　3)合理的孔型配置，以提高钢管的尺寸精度。

　　4)精确热处理技术。采用适当温度淬火和高温回火热处理，以细化回火马氏体或贝氏体的各级内部结构或亚晶、控制第二相粒子以纳米级尺度和有利分布析出。

　　在调质无缝钢管的实际生产中，添加微量Nb具有如下综合作用效果：(1)Nb的加入可以显著提高奥氏体再结晶温度，在穿孔-热连轧-热张减阶段，可以适当提高轧制温度，以减小轧机负荷，提高生产效率;(2)由于Nb的溶质拖曳作用和第二相粒子的钉扎作用，可以有效细化轧制各阶段的奥氏体晶粒，最终得到细小均匀的组织，使材料实现良好的强韧性匹配;(3)显著提高淬火组织的回火抗力，在保证强度的基础上，通过适当提高回火温度，得到优异的综合力学性能;(4)与V复合添加，可以促进析出，通过提高析出强化效果，提高强度;(5)通过细化最终组织，可以提高钢管材料的低温韧性，显著降低韧脆转变温度，提高低温使用性能;(6)提高钢管材料的抗硫化物应力腐蚀能力;(7)添加微量的Nb，可以适当降低碳含量，通过降低焊接冷裂纹敏感性和提高热影响区的冲击韧性，从而改善管线管的焊接性能。

　　2、Nb在中碳Cr-Mo-V-Nb调质无缝油井管中的强韧化效果

　　油井管是石油天然气开发的基础材料，按用途分为油套管和工具管，后者又包括钻杆和射孔枪管等，按成形工艺分为无缝管和焊管。石油天然气勘探开发消耗大量油井管。据统计，钻井每钻进1m，约需油井管62kg，其中套管48kg，油管10kg，钻杆3kg，钻铤0.5kg。由于全球对石油能源的需求量不断增加，一些超深油气井投入开发使用，而超深油气井所处的地质结构复杂，环境恶劣，从而对超深油气井用套管和工具管的力学性能和使用性能提出了苛刻的要求。力学性能方面不但要求钢管材料具有屈服强度≥1000MPa的超高强度，套管的抗挤毁强度≥167MPa(规格Ø152mm×16.9mm)、全尺寸0℃夏比V型缺口(CVN)冲击功≥100J，钻杆和射孔枪管则要求更为优异的低温韧性。

　　国外已全面掌握了超高强度高韧性油井管生产和应用的关键技术，而国内的相关研究工作尚处于起步阶段。为了对我国地质条件复杂、开采难度大的西南部油田、西部油田和海上油田的开发提供有力的材料支撑，就必须实现这类高端产品的国产化。

　　从2007年至今，在“863项目”和中信-CBMM R&D项目的支持下，TPCO与燕山大学合作开展了超深井用高性能油井管材料及关键技术、以及Nb在调质无缝油井管中的应用研究。为了实现材料的强韧性匹配，将组织设计和控制为细化的板条马氏体和纳米级沉淀粒子;在成分设计上，采用中碳Cr-Mo-V低合金钢。2011年，天津钢管成功开发了150ksi级25CrMo48V石油套管，并实现了批量生产，实现了国产超深井用无缝石油套管的国产化。在V150套管的基础上，适当降低C含量、添加微量Nb，开发了155ksi级20CrMo47NbV射孔枪管，TP155P射孔枪管已实现了批量供货。两类产品的综合性能均优于国外同类产品，达到了世界领先水平。

　　采用Nb微合金化后，20CrMo47NbV钢管与25CrMo48V钢管相比，具有以下优点：

　　1)实际工业生产的20CrMo47NbV钢管具有极佳的综合力学性能，与25CrMo48V钢管相比，强度与韧性同步提高。主要原因是Nb发挥了显著的晶粒细化作用和析出强化作用。

　　2)20CrMo47NbV的韧脆转变温度明显降低，低温韧性更为优异。

　　3)在相同调质工艺下，20CrMo47Nb的强韧性优于25CrMo48V。

　　4)20CrMo47Nb满足性能要求的回火温度范围较25CrMo48V宽，降低了生产的难度，保证了产品的合格率。

　　随着中碳Cr-Mo-V-Nb调质无缝钢管材料的成功开发，Nb微合金化技术已先后应用到140-165ksi钢级高抗挤毁套管、高韧性钻杆和液压支架管等重要产品的生产中，实现了超高强度石油专用管的国产化。Nb微合金化技术在这类高端产品的生产和应用上发挥了十分重要的作用。

　　3、深海用含Nb无缝管线管的研制与开发

　　目前，已探明海洋油气储量占全球总储量的30%-40%，产量达到30%以上，海洋油气已成为世界石油生产增长的主要来源。随着国家能源战略从陆地转向海洋，国内海洋石油、天然气的开发迅速崛起，作为运输载体的海底管线用钢的重要性日益凸显。深海管线管作为技术水平最高、难度最大、附加值最高的产品之一，既代表钢管企业科研和生产的整体技术水平，同时具有广阔的市场前景。

　　近年来，TPCO按照API 5L PSL2、DNV和壳牌公司的DEP深海管线规范，已成功研制和批量生产了X65以上钢级大口径厚壁无缝管线管。这类产品综合性能指标要求高，技术难度大。尤其是按壳牌DEP规范生产，主要技术难度是：规定了主要元素的波动范围，增加了炼钢的难度;严格要求钢的Pcm或CEV;严格限定强度波动范围、屈强比、断后伸长率、硬度、韧脆转变温度、应变时效性能、压扁性能等多项性能指标。

　　为了保证深海用大口径厚壁无缝管满足上述多项性能指标的要求，在成分设计上，采用了低C、Mn、Cr、Mo、Cu、Ni、Nb、V、Ti的多元合金化设计。其中，合金元素的作用是提高淬透性、强韧性、抗腐蚀性能，复合微合金化是为了进一步提高强韧性水平和焊接性能。另外，还采用纯净均质化技术，以严格控制S和P的含量，减少中心偏析和夹杂物。

　　在深海无缝管线管中采用Nb微合金化，产品及其工艺具有以下优点：

　　1)Nb显著提高奥氏体再结晶温度，可以在较高的温度下进行轧制，明显减小厚壁管的轧制力，提高生产率;同时细化高温形变组织的晶粒。

　　2)在淬火加热过程中析出Nb(C，N)，明显细化奥氏体晶粒;在奥氏体晶粒不发生异常长大的前提下，可以适当提高奥氏体化温度和奥氏体化时间，提高厚壁管的组织均匀性;

　　3)在淬火冷却过程中剩余固溶Nb推迟多边形铁素体和珠光体转变，促进中温转变，有利于针状铁素体/贝氏体组织的形成。

　　4)在回火过程中，促进细小第二相粒子大量而弥散的析出，提高回火稳定性。有利于在最终产品形成细化的组织、良好的强韧性。

　　TPCO采用上述低碳Nb微合金化技术，已实现了深海用X65以上级大口径厚壁无缝管线管的大批量生产。产品的拉伸、冲击、抗应变、焊接、抗腐蚀等各项性能均完全符合技术要求，尤其是韧脆转变温度低，CTOD值较高，应变时效敏感性较低，抗压扁性能较好。

　　4、含Nb抗H2S应力腐蚀套管的开发

　　H2S是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一。普通油套管在用于含硫化氢的油气资源开采时，在应力和硫化氢气体的作用下，往往会在受力远低于其本身的屈服强度时就突然发生脆断，这种现象被称作为硫化物应力腐蚀，简称SSC。其危害，轻者造成套管柱或整口井报废，重者造成井喷，硫化氢随油气外溢，对生态环境造成巨大的破坏。目前世界油气田中大约1/3含有硫化氢气体。在我国的几大油气田如四川、长庆、中原、华北、塔里木油气田以及美国的巴拿马、加拿大的阿尔伯达等油田都含有不同程度的H2S气体。开采含有H2S气体的油气田，必须采用抗H2S应力腐蚀的油套管。

　　为了满足含H2S气体油气田开发的需要，TPCO先后成功研制开发了90-100ksi单抗(S)和双抗(SS)型抗硫化氢应力腐蚀系列石油套管。产品性能均可满足API SPEC 5CT要求并顺利通过油田井下试验，在国内油田已广泛使用并远销海外。

　　随着含H2S气体高温高压油气田的开发，石油行业对高强度抗SSC油套管的需求越来越大。要求不仅在强度上达到更高的级别，而且要具有优良的抗SSC性能。为此，C110级抗SSC管已被最新版API SPEC 5CT纳入强制性规范，成为API系列中技术要求最为苛刻的产品。TPCO经多年的开发和技术的不断完善，目前该产品已在国内市场占据了最大的份额。

　　为了保证材料有良好的抗H2S应力腐蚀性能，首先采用纯净钢冶炼技术，严格控制夹杂物的形态;在成分设计上应采用中碳Cr-Mo-V-Nb钢，适当降低Ni、Mn含量，严格控制S、P的含量;通过优化热处理工艺，在细化的回火板条马氏体基体形成细小弥散的多组元沉淀相。按NACETM0177-96规范、以标准A溶液和80%名义屈服强度水平轴向加载为条件、以720h不开裂作为合格判据，进行了大量试验评价。结果表明，Nb的加入，显著提高了C110管的抗SSC性能。其主要作用机理，一是结合工艺优化减少了材料中氢的扩散通道;二是以大量细小弥散沉淀粒子的形式存在，作为氢的“不可逆陷阱”，阻碍氢的扩散。二者综合作用的效果是显著提高了SSC发生的临界应力。

　　目前在抗SSC油井管中是否添加Nb，国内外在相关技术思路上尽管还存在分歧。但是，我们现有的工作表明，在C110管中添加微量的Nb，显著提高了抗SSC性能。采用Nb微合金化技术，极有可能是C110以上级抗SSC油井管生产的必经之路。目前有关技术基础研究正在进行中。

　　5、结语

　　近年来，天津钢管集团股份有限公司与燕山大学合作，一直致力于高品质含Nb无缝石油管的研究、开发和生产，产品涉及套管、钻杆、射孔枪管、深海管线、抗挤毁管、桩腿管等多个系列和不同用途。其中多项产品填补了国内空白并已实现批量化生产，部分产品已经达到或处于国际领先水平，为我国石油工业的国产化和可持续发展做出了应有的贡献。