專利名稱：：一種13Cr油井管試驗實物制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種！3Ci"馬氏體不銹鋼材料石油鉆井油管或套管和35CrMo或30CrMo等類材料夾頭焊接制備試驗實物的方法。技術(shù)背景油氣生產(chǎn)過程中，材料往往處于高溫、高壓環(huán)境和氣、水、烴、固共存的多相流腐蝕介質(zhì)中。腐蝕是金屬材料主要失效形式之一，石油和天然氣開發(fā)與加工行業(yè)歷來是腐蝕比較嚴(yán)重的幾個行業(yè)之一，而且?guī)缀跎婕暗礁鞣N腐蝕類型，每年因腐蝕問題造成的損失巨大。加強腐蝕防護，可以為石油工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，采用耐蝕性能優(yōu)良的材料是腐蝕防護的主要方向之一。塔里木油田克拉氣田含有較高濃度的腐蝕性介質(zhì)，井下大量采用13Cr油井管，包括兩種類型，其典型的化學(xué)成分見表l。由于高溫、高壓和腐蝕性環(huán)境，對管子的質(zhì)量要求很高，對管子的性能進行試驗評價是保證工程用管質(zhì)量的有效手段。表1兩種13Cr不銹鋼典型的化學(xué)組成(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>進行13Cr油井管的實物試驗評價時，兩端需要與夾頭連接，然后才能連接到試驗設(shè)備上。進行高壓密封試驗時，夾頭還起到堵頭的密封作用。根據(jù)國外供貨方提供的技術(shù)，該結(jié)構(gòu)不能焊接，需要采用螺紋+膠密封結(jié)構(gòu)，國外生產(chǎn)廠家實驗室均采用這種結(jié)構(gòu)。我們按國外提供技術(shù)進行的三根油井管實物實驗，兩件在螺紋+膠密封結(jié)構(gòu)部位失效，試驗失敗。采用焊接方式連接，對焊接的要求是試驗時不能在焊縫或熱影響區(qū)部位斷裂或泄漏。這對掉接接頭的性能要求主要有三點(l)焊縫和熱影響區(qū)不能產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷；(2)焊縫要有足夠的強度，熱影響區(qū)不能在焊接過程中產(chǎn)生明顯的軟化；(3)焊縫和熱影響區(qū)要有一定的韌性和疲勞強度，不能產(chǎn)生脆斷和疲勞開裂。13Cr油井管和35CrMo材料夾頭兩種材料的成分和冶金性能相差很大，又均為馬氏體組織，焊接性很差。焊接后13Cr材料熱影響區(qū)會不會明顯軟化或脆化，兩種材料能否很好的結(jié)合(能否形成沒有冶金缺陷的焊縫)，以及接頭的性能能否滿足試驗要求(不能在焊接接頭處斷裂或泄露)是確定焊接工藝的難點和關(guān)鍵點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是采用焊接工藝，解決13Cr不銹鋼材料和35CrMo或30CrMo材料的連接問題，保證高溫、高壓壓力試驗和軸向拉伸或壓縮試驗時焊接接頭不會出現(xiàn)泄漏或斷裂。本發(fā)明涉及的材料為13Cr不銹鋼油井管和試驗用35CrMo或30CrMo夾頭，進行高壓密封試驗時，夾頭還起到堵頭密封作用。具體技術(shù)特征包括(1)結(jié)構(gòu)首先將試驗的油井管材，兩端加工成焊接坡口，距焊接坡口端面100mm處加工若干沿周向均勻分布的塞焊孔；將兩件試驗夾頭的一端加工成坡口和試驗管材焊接，另一端外部或內(nèi)部加工有螺紋，與試驗設(shè)備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側(cè)面與試驗管連接在一起；或/和沿管子均布一圈加強筋，材料為一般低合金高強鋼，多個沿管子一圈均布，采用角焊縫與夾頭和試驗管連接在一起(2)焊接方法選用電弧焊，設(shè)備為直流焊機，極性為反接，焊接材料選用鐵素體一奧氏體雙相不銹鋼焊條，其熔敷金屬的化學(xué)成分按重量百分比如下C《0.04%、Cr為21.0-23.5%、Ni為8.5-10.5%、Mo為2.5-3.5%、Mn為0.5-2.()%、Si《0.9%、P《0.()4%、S《0.03%、N為0.08-0.20%、Cu《0.75%;這種焊接材料焊縫金屬的典型力學(xué)性能可以達到屈服強度612MPa，抗拉強度855MPa，延伸率27%，一20。C夏比沖擊功50J。(3)焯前要對工件進行預(yù)熱，溫度達到15020(TC時開始焊接，焊接過程控制層間溫度在15025(TC之間；由于夾頭較厚，預(yù)熱及后熱時工件要熱透，否則降溫很快，'淳縫或熱影響區(qū)可能出現(xiàn)裂紋。(4)采用焊條直徑為3.2mm，焊接參數(shù)選用的原則是合適大小的電流，電弧盡量低(電弧電壓小)，焊條盡量不擺動，如果擺動其幅度不超過焊條芯直徑的3倍，在保證熔合良好的前題下盡量采用快焊速，推薦的焊接電流為90120A，并控制焊接線能量在0.51.OkJ/mm范圍。(5)首先進行主焊縫的焊接，坡口焊滿后焊縫要有至少2mm加強高度，并在試驗管焊縫邊緣平行堆焊道焊縫，焊接時焊條不能擺動，寬度約10mm(目的是改善試驗管熱影響區(qū)的薄弱帶的形狀分布和受力狀態(tài))。(6)進行塞焊焊縫的焊接，首先要保證根部與夾頭良好熔合，其次要注意每層焊完后停下來冷卻，清理干凈焊渣和飛濺，然后焊接下一層，保證良好的熔合。(7)當(dāng)13Cr油井管的抗拉強度級別達到850MPa以上時，根據(jù)試驗時輝接接頭處的受力情況需要，采用加強筋(長度約200mni，寬度約80mm，厚度約1020mm，間距約100mm，數(shù)量視管徑而定，沿管子一圈均布)進行補強。加強筋的焊接采用同樣的焊材和工藝參數(shù)，在根部焊一圈角焊縫，焊腳高度1()15mra。(8)焊接工作完成后，等待焊接部位冷卻至150'C左右，保溫30分鐘(注意不要冷到]O(TC以下)，促使焊接熱影響區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變，保證接頭強度。然后將焊縫及兩側(cè)各IOO國范圍加熱至約40(rc，保溫12小時后空冷。發(fā)明效果經(jīng)過多次實物試驗，尤其是在高溫、高壓、反復(fù)加載試驗條件下，焊接接頭完好，證明焊接工藝可行，解決了13Cr油管實物試驗時與夾頭的連接問題。較采用螺紋+膠密封結(jié)構(gòu)，采用發(fā)明的技術(shù)可靠性和成功率高，縮短試驗周期，提高工作效率，降低了試驗成本，技術(shù)在國內(nèi)外領(lǐng)先。為我單位油井管實物試驗積累了技術(shù)和經(jīng)驗提高了中油集團的技術(shù)能力，保證了油ffl用管子的質(zhì)量。圖]13Cr油井管與試驗夾頭焊縫結(jié)構(gòu)示意圖。其中l(wèi)油井管材、2試驗夾頭、3主承載焊縫、4塞焊焊縫、5加強筋具體實式實施例l本發(fā)明涉及的被焊接的材料為兩種，其一為13Cr不銹鋼油井管，其二為試驗用35CrMo或同類材料夾頭進行高壓密封試驗時，夾頭還起到堵頭作用。具體技術(shù)特征包括如圖l所示的結(jié)構(gòu)形式，首先將試驗的油井管材(1)，兩端加工成焊接坡口，據(jù)焊接坡口端面100mm距離處加工若干沿周向均勻分布的塞焊孔；將兩件試驗夾頭(2)的一端加工成坡口和試驗管材焊接坡口焊接成主承載煌縫(3),另-端外部或內(nèi)部加工有螺紋，與試驗設(shè)備連接；塞焊焊縫(4)根部與夾頭焊接在一起，側(cè)面與試驗管連接在一起；或/和沿管子均布一圈加強筋(5)，材料為一般低合金高強鋼，多個沿管子一圈均布，采用角焊縫與夾頭和試驗管連接在一起；(2)焊接方法選用手工電弧焊，設(shè)備為直流悍機，極性為反接(焊條接正)。焊接材料選用鐵素體一奧氏體雙相不銹鋼焊條，其熔敷金屬的化學(xué)成分(重量百分比)見下表。這種焊接材料焊縫金屬的可以達到屈服強度612MPa，抗拉強度855MPa，延伸率27%，一20。C夏比沖擊功50J。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(3)焊前要對工件進行預(yù)熱，溫度達到15020(TC時開始焊接，焊接過程控制層間溫度在15()25CTC之間。由于夾頭較厚，預(yù)熱及后熱時工件要熱透，否則降溫很快，焊縫或熱影響區(qū)可能出現(xiàn)裂紋。(4)采用焊條直徑為3.2mm，焊接參數(shù)選用的原則是合適大小的電流，電弧盡量低(電弧電壓小)，焊條盡量不擺動，如果擺動其幅度不超過燥條芯直徑的3倍。在保證熔合良好的前題下盡量采用快焊速，推薦的焊接電流為9()i2()A，并控制焊接線能量在().51.OkJ/咖范圍。(5)首先進行主焊縫3的焊接，坡口焊滿后焊縫要有至少2國加強高度，并在試驗管焊縫邊緣平行堆焊2道焊縫，焊接時焊條不能擺動，寬度約10mm(目的是改善試驗管熱影響區(qū)的分布薄弱帶的形狀和受力狀態(tài))。(6)進行塞焊焊縫的焊接，首先要保證根部與夾頭良好熔合，其次要注意每層焊完后停下來冷卻，清理干凈焊渣和飛濺，然后焊接下一層，保證良好的熔合。(7)當(dāng)13Cr油井管的抗拉強度級別達到850MPa以上時，根據(jù)試驗時焊接接頭處的受力情況需要，采用加強筋(長度約200國，寬度約80mrn，厚度約1020mm，間距約100mm，數(shù)量視管徑而定，沿管子一圈均布)進行補強。加強筋的焊接采用同樣的焊材和工藝參數(shù)，在根部焊一圈角焊縫，焊腳高度1015mm。(8)悍接工作完成后，等待焊接部位冷卻至15(TC左右，保溫30分鐘(注意不要冷到l()(TC以下)，促使悍接熱影響區(qū)的馬氏體轉(zhuǎn)變，保證接頭強度。然后將焊縫及兩側(cè)各100mm范圍加熱至約40(TC保溫12小時后空冷；油井管材料鉻(Cr)元素的含量范圍按重量百分比為1218%。實施例2對円本某公司生產(chǎn)的規(guī)格為088.90X6.45咖、型號為KO-13Cr_110FOX油管(普通13Cr不銹鋼)采用實施例1工藝進行夾頭焊接，在內(nèi)壓下進行5種參數(shù)的拉伸或壓縮試驗(1)拉伸載荷為130，000kg，內(nèi)壓為0，持續(xù)時間5分鐘，未發(fā)生任何泄漏和開裂；(2)拉伸載荷為89，400kg，內(nèi)壓為86.2MPa，持續(xù)時間5分鐘，未發(fā)生任何泄漏和開裂；(3)壓縮載荷為50，800kg，內(nèi)壓為109MPa，持續(xù)時間5分鐘，未發(fā)生任何泄漏和開裂；(4)壓縮載荷為90,000kg，內(nèi)壓為82.7MPa，持續(xù)時間5分鐘，未發(fā)生任何泄漏和開裂；(5)壓縮載荷為130，OOOkg，內(nèi)壓為0，載荷持續(xù)時間5分鐘，在保載過程中，油管發(fā)生失穩(wěn)變形，而焊接接頭完好。實施例3對閂本某公司生產(chǎn)的規(guī)格為0137.70X9.17鵬、型號為K0-HPl-13Cr110FOX的套管(超級13Cr不銹鋼)，利用實施例1工藝進行夾頭焊接，進行內(nèi)壓循環(huán)與熱循環(huán)試驗。加壓介質(zhì)為千燥氮氣，利用氣泡瓶檢測試樣泄漏情況，加壓速率<:MMPa/Min。共進行兩種參數(shù)的試驗，試樣編號分別為1Z和2Z。1Z試樣在177。C，試驗壓力為64.5MP，2Z試樣在室溫，試驗壓力為87.9MPa，按規(guī)定試驗方法循環(huán)一周時間，均未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。試驗后，繼續(xù)提高試驗壓力至試樣失效。1Z試樣內(nèi)壓至131.6MPa，2Z試樣內(nèi)壓至131.2(2Z)MPa管體爆破，高于套管技術(shù)條件規(guī)定套管內(nèi)壓屈服強度最低值為87.lMPa壓力，焊接接頭處完好。權(quán)利要求1、一種13Cr油井管試驗實物的制備工藝，其特征在于將試驗用13Cr不銹鋼油井管和試驗用35CrMo材料夾頭焊接在一起，具體工藝包括(1)結(jié)構(gòu)首先將試驗的油井管材，兩端加工成焊接坡口，據(jù)焊接坡口端面100mm距離處加工若干沿周向均勻分布的塞焊孔；將兩件試驗夾頭的一端加工成坡口和試驗管材焊接，另一端外部或內(nèi)部加工有螺紋，與試驗設(shè)備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側(cè)面與試驗管連接在一起；或/和沿管子均布一圈加強筋，材料為一般低合金高強鋼，多個沿管子一圈均布，采用角焊縫與夾頭和試驗管連接在一起；(2)焊接方法選用電弧焊，設(shè)備為直流焊機，極性為反接，焊接材料選用鐵素體一奧氏體雙相不銹鋼焊條，其熔敷金屬的化學(xué)成分按重量百分比如下C≤0.04％、Cr為21.0-23.5％、Ni為8.5-10.5％、Mo為2.5-3.5％、Mn為0.5-2.0％、Si≤0.9％、P≤0.04％、S≤0.03％、N為0.08-0.20％、Cu≤0.75％。(3)焊前要對工件進行預(yù)熱，溫度達到150～200℃時開始焊接，焊接過程控制層間溫度在150～250℃之間；(4)采用焊條直徑為3.2mm，焊接選用電弧電壓小，焊接電流為90～120A，并控制焊接線能量在0.5～1.0kJ/mm；(5)首先進行主焊縫的焊接，坡口焊滿后焊縫要有2mm加強高度，并在試驗管焊縫邊緣平行堆焊2道焊縫，焊接時焊條擺動寬度小于10mm；(6)進行塞焊焊縫的焊接，根部與夾頭熔合，每層焊完后停下來冷卻，清理干凈焊渣和飛濺，然后焊接下一層；(7)當(dāng)油井管的強度級別達到850MPa以上時，和/或采用長度200mm，寬度80mm，厚度10～20mm，間距100mm的加強筋，數(shù)量視管徑而定，沿管子一圈均布；在根部焊一圈角焊縫，焊腳高度10～15mm；(8)焊接工作完成后，等待焊接部位冷卻至150℃左右，保溫30分鐘，然后將焊縫和焊縫兩側(cè)各100mm范圍加熱至400℃，保溫1～2小時后空冷。2.—種13Cr油井管試驗實物的制備工藝，其特征在于油井管材料鉻(Cr)元素的含量范圍按重量百分比為1218%。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于13Cr馬氏體不銹鋼材料制成的石油鉆井用油管、套管實物試驗時與35CrMo或30CrMo材料夾頭的焊接方法，將試驗的油井管材，兩端加工成焊接坡口，據(jù)焊接坡口端面100mm距離處加工若干沿周向均勻分布的塞焊孔；將兩件試驗夾頭的一端加工成坡口與試驗管焊接，另一端外部或內(nèi)部加工有螺紋，與試驗設(shè)備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側(cè)面與試驗管連接在一起；或/和沿管子均布一圈加強筋，材料為低合金高強鋼，多個沿管子一圈均布，采用角焊縫與夾頭和試驗管連接在一起；在高溫、高壓、反復(fù)加載試驗條件下，焊接接頭完好，解決了13Cr油管實物試驗時與夾頭的連接問題，較采用螺紋+膠密封結(jié)構(gòu)，可靠性和成功率高，試驗周期短，提高工作效率，降低了試驗成本。文檔編號G01N3/08GK101149319SQ20061011326公開日2008年3月26日申請日期2006年9月21日優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日發(fā)明者馮耀榮,劉迎來,李為衛(wèi),熊慶人,趙新偉,韓新利申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所