專利名稱：：一種13Cr油井管試驗實物制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種！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。技術背景油氣生產過程中，材料往往處于高溫、高壓環境和氣、水、烴、固共存的多相流腐蝕介質中。腐蝕是金屬材料主要失效形式之一，石油和天然氣開發與加工行業歷來是腐蝕比較嚴重的幾個行業之一，而且幾乎涉及到各種腐蝕類型，每年因腐蝕問題造成的損失巨大。加強腐蝕防護，可以為石油工業帶來巨大的經濟效益，采用耐蝕性能優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，井下大量采用13Cr油井管，包括兩種類型，其典型的化學成分見表l。由于高溫、高壓和腐蝕性環境，對管子的質量要求很高，對管子的性能進行試驗評價是保證工程用管質量的有效手段。表1兩種13Cr不銹鋼典型的化學組成(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。根據國外供貨方提供的技術，該結構不能焊接，需要采用螺紋+膠密封結構，國外生產廠家實驗室均采用這種結構。我們按國外提供技術進行的三根油井管實物實驗，兩件在螺紋+膠密封結構部位失效，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)焊縫和熱影響區不能產生裂紋等焊接缺陷；(2)焊縫要有足夠的強度，熱影響區不能在焊接過程中產生明顯的軟化；(3)焊縫和熱影響區要有一定的韌性和疲勞強度，不能產生脆斷和疲勞開裂。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材料熱影響區會不會明顯軟化或脆化，兩種材料能否很好的結合(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鍵點。
發明內容本發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泄漏或斷裂。本發明涉及的材料為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。具體技術特征包括(1)結構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，另一端外部或內部加工有螺紋，與試驗設備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側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，預熱及后熱時工件要熱透，否則降溫很快，'淳縫或熱影響區可能出現裂紋。(4)采用焊條直徑為3.2mm，焊接參數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的薄弱帶的形狀分布和受力狀態)。(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13Cr油井管的抗拉強度級別達到850MPa以上時，根據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，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)，促使焊接熱影響區的馬氏體轉變，保證接頭強度。然后將焊縫及兩側各IOO國范圍加熱至約40(rc，保溫12小時后空冷。發明效果經過多次實物試驗，尤其是在高溫、高壓、反復加載試驗條件下，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+膠密封結構，采用發明的技術可靠性和成功率高，縮短試驗周期，提高工作效率，降低了試驗成本，技術在國內外領先。為我單位油井管實物試驗積累了技術和經驗提高了中油集團的技術能力，保證了油ffl用管子的質量。圖]13Cr油井管與試驗夾頭焊縫結構示意圖。其中l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。具體技術特征包括如圖l所示的結構形式，首先將試驗的油井管材(1)，兩端加工成焊接坡口，據焊接坡口端面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-端外部或內部加工有螺紋，與試驗設備連接；塞焊焊縫(4)根部與夾頭焊接在一起，側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，預熱及后熱時工件要熱透，否則降溫很快，焊縫或熱影響區可能出現裂紋。(4)采用焊條直徑為3.2mm，焊接參數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的分布薄弱帶的形狀和受力狀態)。(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13Cr油井管的抗拉強度級別達到850MPa以上時，根據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，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)，促使悍接熱影響區的馬氏體轉變，保證接頭強度。然后將焊縫及兩側各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對円本某公司生產的規格為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，在內壓下進行5種參數的拉伸或壓縮試驗(1)拉伸載荷為130，000kg，內壓為0，持續時間5分鐘，未發生任何泄漏和開裂；(2)拉伸載荷為89，400kg，內壓為86.2MPa，持續時間5分鐘，未發生任何泄漏和開裂；(3)壓縮載荷為50，800kg，內壓為109MPa，持續時間5分鐘，未發生任何泄漏和開裂；(4)壓縮載荷為90,000kg，內壓為82.7MPa，持續時間5分鐘，未發生任何泄漏和開裂；(5)壓縮載荷為130，OOOkg，內壓為0，載荷持續時間5分鐘，在保載過程中，油管發生失穩變形，而焊接接頭完好。實施例3對閂本某公司生產的規格為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，進行內壓循環與熱循環試驗。加壓介質為千燥氮氣，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，按規定試驗方法循環一周時間，均未發生泄漏現象。試驗后，繼續提高試驗壓力至試樣失效。1Z試樣內壓至131.6MPa，2Z試樣內壓至131.2(2Z)MPa管體爆破，高于套管技術條件規定套管內壓屈服強度最低值為87.lMPa壓力，焊接接頭處完好。權利要求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)結構首先將試驗的油井管材，兩端加工成焊接坡口，據焊接坡口端面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，另一端外部或內部加工有螺紋，與試驗設備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側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，另一端外部或內部加工有螺紋，與試驗設備連接；塞焊焊縫根部與夾頭焊接在一起，側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+膠密封結構，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日優先權日2006年9月21日發明者馮耀榮,劉迎來,李為衛,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