2016新编高品质含Nb无缝油井管与输送管的研发

2016新编高品质含Nb无缝油井管与输送管的研发由于全球石油、天然气供应的严峻形势以及油气居高不下，一些严酷环境下的油气田(超深井、深海油田、含H2S气体井等)相继开发，石油行业对无缝油井管与输送管的各项性能提出了更加苛刻的要求。钢管材料除了要求具有高强、高韧等基本力学性能以外，还需要满足抗挤毁(超深井用管)、抗SSC(抗硫管)、抗大变形、耐低温、易焊接(深海管线管)等使用性能的要求。石油行业对高端管材品种持续增长的需求，对无缝钢管制造企业而言，既是前所未有的机遇，又是巨大的挑战。随着Nb微合金化在无缝钢管中的应用研究工作的持续开展和逐步深入，在更高钢级、服役环境更为严酷的无缝钢管高端产品的研制生产技术必将得到更加广泛的应用。

天津钢管股份有限(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和油服专业。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-CBMMR&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。