劉曉丹1，2 陶興華1 牛新明1
（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；
2.中國石油大學，北京 102249）
摘 要 本文在前人研究分析可膨脹實體管材料特性的基礎上，結合現場需求，著力進行了膨脹波紋管不同材料成分與使用性能要求匹配性研究。從材料微觀角度分析了制約膨脹波紋管強度提高的關鍵因素，提出了膨脹波紋管材料成分控制要求。據此，分析了鐵素體－馬氏體雙相鋼材料用於加工制造膨脹波紋管的適用性和優越性。這對進壹步探索膨脹波紋管新型適用材料具有重要啟發意義，也為下壹步拓展膨脹波紋管的應用範圍做好了基礎準備。
關鍵詞 膨脹波紋管 材料 化學成分 力學性能 雙相鋼
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 dual 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；dual phase steel
膨脹波紋管技術是俄羅斯石油工程領域最先興起的套管補貼技術之壹。管體截面呈波紋狀或梅花瓣狀。采用圓形管材進行冷壓加工處理，以減小管截面外徑尺寸，確保作業期間通過上層套管或裸眼下入目標層段，再通過液壓和機械膨脹，恢復成圓管，達到修復外層損壞套管提高地層承壓能力和封堵復雜地層的目的［1］。隨著膨脹波紋管技術應用領域的逐步拓展，需要研制出高強度、高塑性、高穩定性的膨脹波紋管。分析認為管體材料是影響膨脹波紋管強度性能的重要因素之壹。本文從材料成分與性能要求之間的匹配性研究入手，通過分析膨脹波紋管材料主控因素，研究關鍵因素之間的相互影響關系，進而給出了膨脹波紋管材料選擇的基本原則。據此，初步探索了鐵素體－馬氏體雙相鋼用於加工制造膨脹波紋管的適用性。為進壹步探索膨脹波紋管新型適用材料提供借鑒和參考，啟發新的研究思路。
1 膨脹波紋管材料性能及成分控制分析
截至目前，膨脹波紋管工程應用方面有了較大發展，但仍無法滿足復雜地質和工程環境下石油勘探和開發的需要。因受選材範圍、焊接工藝、加工成型設備等因素限制，難以獲得更高性能的膨脹波紋管。為此，需要從膨脹波紋管加工成型及施工工藝角度分析其性能要求，提出材料成分控制的要求。
1.1 膨脹波紋管材料特性分析
國內膨脹波紋管目前采用圓管冷壓成型，下入目標層後需要通過水力和機械方式膨脹為圓管。為此，其管體材料應滿足以下幾點要求：(1)具有良好的塑性變形能力；(2)較高的抗拉強度；(3)較低的屈服強度；(4)較高的加工硬化指數。此外，因膨脹波紋管需要在施工現場進行焊接，要求管材具備良好的野外焊接性能，資料分析表明，需要將C當量控制在0.46％之內［2］，因此，在目前施工工藝條件下，膨脹波紋管材料壹般選用低合金高強度鋼或微合金鋼［3］。細晶強化是低合金高強度鋼和微合金鋼的主要強化手段。具體方法為：在合金化方面是以少量強碳化物形成元素Nb、V、Ti等進行微合金化；成形加工技術主要有：(1)由控制終軋溫度和軋後冷卻速度等途徑來細化奧氏體再結晶晶粒和冷卻後的鐵素體晶粒；(2)由循環熱處理達到晶粒超細化；(3)快速奧氏體化多級熱處理等。晶粒細化的強化效果可以用Hall－Petch方程表示［4］：
油氣成藏理論與勘探開發技術（五）
式中：σy為屈服應力；σ0為晶格摩擦力；K為常數；d為晶粒直徑。
根據對低碳鋼的試驗結果，晶粒細化會使加工硬化指數n降低，其關系為：
油氣成藏理論與勘探開發技術（五）
由此表明，通過晶粒細化提高了材料強度，也同時提高了材料的屈強比，降低了材料的加工硬化指數。根據上述膨脹波紋管特殊的性能要求，在材料化學成分以及管材軋制和熱處理等工藝過程中，需要嚴格控制，確保將管材性能控制在合理的範圍內。
1.2 膨脹波紋管材料成分控制要求
基於上述膨脹波紋管材料特殊性能的分析認為，合理控制波紋管管材成分是達到控制其性能要求的關鍵因素。如上所述，膨脹波紋管材料壹般采用低合金高強度鋼或微合金鋼，含碳量壹般控制在0.2％之內，此時，鋼管韌性好，延伸率高，適於冷壓成型。從微觀角度分析，錳是弱碳化物形成元素，少數溶於滲碳體，大部分溶於鐵素體中，對鐵素體的固溶強化作用較為明顯，能提高鋼的強度，削弱和消除硫的不良影響，並能提高鋼的淬透性，降低材料屈強比。當錳含量較低（壹般是小於1％～1.5％）時，隨著錳含量增加，鋼的沖擊韌性提高；當錳含量大於1％～1.5％時，沖擊韌性隨錳含量增加顯著降低。此外，過高的錳含量會提高鋼的冷裂紋敏感指數，降低焊縫韌性［3］。碳含量在0.2％之內時，錳含量在1％～2％範圍內，對鋼的焊接性能不會造成顯著影響。因此，膨脹波紋管材料中錳含量應盡量控制在2％範圍內。矽是固溶強化作用較明顯的元素，可通過提高材料中的Si含量來降低材料的屈強比，但過高的矽含量會顯著降低鋼的焊接性能，因此，Si含量也需要控制在壹定範圍內。此外，還可通過添加適量的Cr、Mo等合金元素提高鋼的淬透性，降低鋼的屈強比。S和P為鋼中有害雜質元素，其降低鋼的延展性和韌性，惡化焊接性能，需要將鋼中S、P含量控制在較低的範圍內。
2 雙相鋼用於制造膨脹波紋管的適用性分析
2.1 雙相鋼材料的優越性及應用
雙相鋼具有良好的強塑性匹配及冷變形性能。與通常使用的低合金高強度鋼相比，在相同強度級別條件下，雙相鋼具有較低的屈強比、較高的延伸率和很高的加工硬化率。這些特點使其具有良好的加工成形性能，特別適用於冷拔、冷軋、冷沖壓等冷加工成型［5］。雙相鋼與常規低合金高強度鋼相比，抗拉強度高，屈強比低，沒有明顯的屈服平臺。這是因為壹般低合金高強度鋼由鐵素體、珠光體以及鐵素體內碳化物、氮化物沈澱等組成，其強化機制壹般都是基於阻礙位錯運動的固溶強化與細晶強化，從而導致屈服強度較高，並且具有明顯的屈服平臺。對於雙相鋼，在雙相區部分奧氏體化過程中，C、Mn等合金元素向奧氏體中聚集，鐵素體成為純凈基體，奧氏體轉變為馬氏體後，體積膨脹3％～8％，在馬氏體－鐵素體交界面附近誘發大量高密度的可動位錯，這些可動位錯在低的外加應力作用下便可以運動，引起材料屈服，而強韌馬氏體的存在，可以協調塞積端的應力集中，因而雙相鋼表現出低屈服與連續屈服的特征。此外，雙相鋼合金含量較低，因而具有良好的焊接性能。同時，雙相鋼的生產工藝簡單，成本低廉，作為可膨脹波紋管的材料具有廣闊的發展空間。
雙相鋼因其優越的力學性能，目前已經引起了石油工程科研人員的濃厚研究興趣。2007年，Yamazaki等發表了利用雙相無縫鋼管作為實體膨脹管的美國專利，專利中對熱軋無縫鋼管采用常規熱處理或雙相熱處理工藝［6］。表1為試驗用鋼管化學成分，表2為經過不同熱處理工藝後試驗鋼管的顯微組織和力學性能。從表2可以看出，對化學成分相同的鋼管分別進行雙相熱處理和常規熱處理後，經雙相熱處理的鋼屈強比降低，均勻延伸率和斷後延伸率提高。
表1 試驗用鋼化學成分質量分數
表2 試驗鋼管力學性能
圖1 雙相熱處理工藝示意圖
2.2 雙相鋼直焊縫膨脹波紋管
由於直縫焊管與無縫鋼管相比具有壁厚均勻、橢圓度高等特點，在結構上更加適合制造成膨脹波紋管。從已有的報道了解到，目前獲得雙相鋼直縫焊管有兩種生產工藝。壹種工藝是利用雙相鋼薄板直接卷曲焊接成鋼管，該工藝中卷曲成圓管後需要焊接，焊接過程中因受熱將使焊接熱影響區的組織發生改變，導致機械性能發生變化，焊接區強度提高而塑性降低，焊管周圍的組織和力學性能不連續。此外，鋼板卷曲成管的塑性變形過程不僅會對焊管產生加工硬化作用，使焊管與原板材相比均勻延伸率降低，而且變形過程中產生的殘余應力也會對焊管的性能造成不利影響。另外壹種工藝是利用普通的鐵素體－珠光體鋼薄板焊接成薄壁管後進行熱處理，以獲得雙相組織。E.J.Pavlina等利用後壹種工藝成功地開發出了具有鐵素體－馬氏體的雙相鋼管。在試驗中，作者首先將1019（Fe －0.19C）合金薄板（顯微組織為鐵素體－珠光體）卷曲焊接成薄壁管，外徑尺寸為44.5 mm，壁厚為1.6mm；然後將鋼管進行完全退火，之後利用感應線圈將鋼管加熱到臨界溫度區，進行等溫淬火以獲得鐵素體－馬氏體雙相組織。該熱處理工藝如圖1所示，熱處理後鋼管焊縫和本體區顯微組織如圖2所示。分析可知焊接影響區的組織性能與鋼管其他部分的組織基本相同。作者還對試制的雙相直縫鋼管進行了水力膨脹室內試驗，當管內水壓力達到54.4MPa時鋼管本體發生爆破，而焊縫處完好，表明直焊縫處力學性能優於鋼管本體［7］。
圖2 雙相熱處理後Fe－0.19C直縫鋼管雙相組織
2.3 Bauschinger效應影響分析
雙相鋼與其他組織的低合金高強度鋼相比，膨脹過程對材料的Bauschinger效應具有明顯的抑制作用。Bauschinger效應的大小與材料的成分、顯微組織、強度、塑性變形量等因素有關。為此，Hitoshi Asahi等詳細地研究了顯微組織對直縫焊管Bauschinger效應的影響［8］。該試驗采用熱軋法生產外徑尺寸為194mm、壁厚為9.6mm的直縫焊管，軋後進行熱處理。表3為試驗用鋼化學成分，表4為經不同工藝生產的直縫焊管的顯微組織、 Bauschinger效應比和擠毀壓力。分析表明，Bauschinger效應比（鋼管1＃、2＃相比差值高達22％）越大表示材料的Bauschinger效應越小。從表4可以看出，相同化學組成的鋼管，顯微結構為回火馬氏體的（4＃）Bauschinger效應最為明顯，鐵素體－珠光體顯微結構次之（2＃），具有鐵素體－馬氏體雙相組織的Bauschinger效應最小。作者還將膨脹20％後的1＃、4＃鋼管做了擠毀試驗。由於Bauschinger效應小、加工硬化率高等原因，膨脹後，具有鐵素體－馬氏體雙相組織的直縫焊管抗擠強度明顯高於顯微組織為馬氏體的焊管。該試驗充分證明具有鐵素體－馬氏體雙相組織的膨脹管受Bauschinger效應影響較小，在膨脹後具有相對較高的抗外擠強度，應用於加工制造膨脹波紋管，對於改善膨脹工藝性能、提高膨脹後波紋管管體強度具有重要價值。
表3 試驗用鋼化學成分質量分數
表4 直縫焊管顯微組織和力學性能
3 結論
1）根據膨脹波紋管加工和使用過程的特殊要求，其管體材料要求具有較高的抗拉強度和塑性變形能力、較低的屈服強度、較高的加工硬化指數、良好的焊接性能。其中焊接性能是影響膨脹波紋管材料綜合性能提高的關鍵因素之壹。
2）根據膨脹波紋管性能要求，膨脹波紋管管材碳含量壹般需要控制在0.2％以內，Mn含量控制在2％以內，S和P含量控制在較低範圍內。
3）鐵素體－馬氏體雙相鋼符合膨脹波紋管材料化學成分與力學性能的要求。可以對普通熱軋鋼管通過臨界區熱處理的方法獲得鐵素體－馬氏體雙相組織。
4）鐵素體－馬氏體雙相鋼管與普通鋼管相比具有屈強比低、均勻延伸率高、膨脹後抗外擠強度高等優點。雙相鋼作為膨脹波紋管材料具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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