我國(guó)油氣用不銹鋼管的發(fā)展
在最近召開(kāi)的不銹鋼管發(fā)展與應(yīng)用高端論壇上，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼管分會(huì)顧問(wèn)莊鋼對(duì)我國(guó)油氣開(kāi)采用不銹鋼管的發(fā)展歷程、產(chǎn)品種類(lèi)、腐蝕環(huán)境選材、我國(guó)油井用不銹鋼管的品種開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)工藝進(jìn)行了回顧和展望?，F(xiàn)將報(bào)告內(nèi)容整理如下，以饗讀者。
1前言
上世紀(jì)70年代，在歐洲的一些天然氣井中，為防止CO2腐蝕，采用9%Cr和13Cr%不銹鋼制作油井管；美國(guó)的油氣井也采用這種高鉻不銹鋼的油井管；后來(lái)，在API 5CT標(biāo)準(zhǔn)1988版中，補(bǔ)充了耐腐蝕油井管鋼種，如C-75鋼級(jí)增加了9Cr和13Cr兩個(gè)馬氏體不銹鋼鋼種；C-90增加了兩個(gè)鋼種。
上世紀(jì)90年代初，隨著天津大無(wú)縫全流程項(xiàng)目（電爐+連軋管+熱處理+螺紋加工）建成投產(chǎn)和寶鋼140機(jī)組品種的開(kāi)發(fā)，油井管的生產(chǎn)得到了快速的發(fā)展，不斷地滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)油田開(kāi)發(fā)的需要。 90年代后期，隨著我國(guó)油氣資源向著深井、復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域開(kāi)發(fā)，油田向油井管生產(chǎn)企業(yè)提出了抗二氧化碳用的13Cr不銹鋼管需要，值此，也拉開(kāi)了我國(guó)油氣用不銹鋼管開(kāi)發(fā)的序幕。
2我國(guó)油氣井用管發(fā)展簡(jiǎn)況
2.1 中國(guó)油氣井管發(fā)展歷程
中國(guó)油氣井管生產(chǎn)有60多年的歷史。新中國(guó)建立以來(lái)，從1954年鞍鋼生產(chǎn)的第一根無(wú)縫油管至今，中國(guó)油井管發(fā)展大致分為四個(gè)階段。
第一階段為1954 -- 1985年
鞍鋼、包鋼和成都無(wú)縫鋼管廠(chǎng)相繼生產(chǎn)油井管。生產(chǎn)初期，鞍鋼的油管產(chǎn)品按照鞍標(biāo)和冶標(biāo)（與原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)等效）交貨。上世紀(jì)70年代原冶金部參照API標(biāo)準(zhǔn)，制定并頒布了“石油套管”部頒標(biāo)準(zhǔn)YB690-1970和“石油對(duì)焊鉆桿、鉆鋌、方鉆桿管材”部頒標(biāo)準(zhǔn)YB691-1970。成都無(wú)縫鋼管廠(chǎng)和包鋼參照上述標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)套管和對(duì)焊鉆桿（包鋼只生產(chǎn)套管）。80年開(kāi)始鞍鋼、包鋼和成都無(wú)縫鋼管廠(chǎng)開(kāi)始按照API標(biāo)準(zhǔn)試制和批量生產(chǎn)油井管。在這一階段，上述三個(gè)廠(chǎng)為大慶、勝利、大港及四川等油田開(kāi)發(fā)的油井管產(chǎn)品主要是DZ40、DZ50和DZ55等低鋼級(jí)產(chǎn)品（碳錳鋼，包鋼的鋼種里加入了微量的鈮和稀土）。盡管是油井管的低端產(chǎn)品，但由于當(dāng)時(shí)的冶煉、軋制、熱處理和管加工裝備水平較低，產(chǎn)品表面質(zhì)量、尺寸精度和螺紋加工質(zhì)量等都難以滿(mǎn)足油田要求。
第二階段為1986年-- 1991年
寶鋼從國(guó)外引進(jìn)的Φ140mm全浮動(dòng)芯棒連軋機(jī)組建成投產(chǎn)（可生產(chǎn)油管和5 1/2〞套管），使國(guó)內(nèi)油井管生產(chǎn)的裝備水平有了突破性的進(jìn)展，但由于受機(jī)組的規(guī)格所限，僅能為油田提供少部分規(guī)格和品種。從1986年1月起，原冶金部正式宣布廢除YB690-1970和YB691-1970等標(biāo)準(zhǔn)，一律改用等同API標(biāo)準(zhǔn)的YB/T和GB3303-1982系列標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)油井管。1990年4月，成都無(wú)縫鋼管廠(chǎng)在國(guó)內(nèi)第一個(gè)通過(guò)美國(guó)石油學(xué)會(huì)頒發(fā)的API 5CT 5B、5D（7）會(huì)標(biāo)許可證。但由于國(guó)內(nèi)鋼管企業(yè)的整體水平仍較低，不能滿(mǎn)足油氣行業(yè)快速發(fā)展的需要，至1991年中國(guó)油井管產(chǎn)量?jī)H13.67萬(wàn)噸，國(guó)產(chǎn)化率僅13.54%。產(chǎn)品主要采用以碳錳鋼生產(chǎn)的J55鋼級(jí)的油套管，N80鋼級(jí)的油套管還處在研制階段。
第三階段1992年-2012年
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展的快車(chē)道，對(duì)石油需求不斷增加，推動(dòng)了石油工業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)也拉動(dòng)了油井管等能源用管需求的快速增長(zhǎng)。另外，天津鋼管公司（天管集團(tuán)前身）從國(guó)外引進(jìn)的Φ250MPM機(jī)組的建成投產(chǎn)（現(xiàn)代化的全流程專(zhuān)業(yè)化油井管生產(chǎn)企業(yè)），一舉改變了中國(guó)油井管生產(chǎn)裝備及工藝的落后局面。之后又建成三條PQF三輥式高精度連軋管機(jī)組，這種機(jī)型代表了當(dāng)今世界無(wú)縫鋼管軋制技術(shù)的頂尖水平。這期間國(guó)內(nèi)一些企業(yè)（包括寶鋼、成都無(wú)縫、衡陽(yáng)鋼管、包鋼、西姆萊斯、安徽天大等）陸續(xù)投資新建了一批現(xiàn)代化的軋機(jī)并改造或新建了熱處理線(xiàn)和管加工線(xiàn)，使中國(guó)油井管整體制造水平有了大幅度提高，油井管產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)。
在這一階段，中國(guó)油井管無(wú)論在產(chǎn)量、質(zhì)量和品種上，都基本滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)油田用管的需求，還大量出口到國(guó)外。2004年，中國(guó)油井管進(jìn)口量為32.20萬(wàn)噸，出口量為33.23萬(wàn)噸，實(shí)現(xiàn)了油井管的凈出口。2008年中國(guó)油井管產(chǎn)量達(dá)到了630萬(wàn)噸，出口333萬(wàn)噸，進(jìn)口24.57萬(wàn)噸，凈進(jìn)口308萬(wàn)噸，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到95.5%。
第四階段2013年及以后
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)步入中高速發(fā)展，和非石化能源快速發(fā)展以及中國(guó)油氣行業(yè)開(kāi)發(fā)增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)（油氣用管表觀消費(fèi)已達(dá)到峰值），其中石油開(kāi)采呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)（石油資源枯竭），石油管材的需求量不斷下降。未來(lái)中國(guó)油氣工業(yè)的發(fā)展是向著頁(yè)巖氣、煤層氣、海洋油氣（包括可燃冰）等資源開(kāi)發(fā)。
2.2 油氣井用管產(chǎn)品
2.2.1API 5CT標(biāo)準(zhǔn)中套管、油管鋼級(jí)包括：
第一組（低、中強(qiáng)度油套管）:
H40、J55、K55、N80-1、N80-Q、R95
第二組（限制屈服強(qiáng)度，適用于耐硫 化 氫應(yīng)力或二氧化碳腐蝕環(huán)境油套管）:
M65、L80-1、L80-9Cr、L80-13Cr、C90、T95、C110
第三組（高強(qiáng)度油套管）：
P110
第四組（限制硬度波動(dòng)的高強(qiáng)度油套管）：
Q125
2.2.2
非API 5CT標(biāo)準(zhǔn)套管、油管鋼級(jí)包括：
130、140、150、160、170等。
表1 拉伸和硬度要求
2.2.3API SPEC 5CRA - 套管、油管和接箍料用耐蝕合金無(wú)縫鋼管規(guī)范
該標(biāo)準(zhǔn)給出了用于酸性油氣井用耐蝕合金無(wú)縫套油管，在高含CO2/H2S或H2S的石油天然氣環(huán)境中服役的性能要求和建議。規(guī)定了耐蝕合金無(wú)縫管材的尺寸、外形、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝及儲(chǔ)存方法。
標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供具有較好耐腐蝕性能，適用于石油和天然氣行業(yè)的套管和油管的耐蝕合金無(wú)縫管標(biāo)準(zhǔn)。還包括供運(yùn)行在石油和天然氣勘探開(kāi)發(fā)高含CO2/H2S或H2S環(huán)境中耐蝕合金設(shè)備材料的選擇和評(píng)定的要求和建議。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了套管和油管用耐蝕合金材料的基礎(chǔ)理化性能、含CO2/H2S腐蝕介質(zhì)下的硫化物應(yīng)力開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂等耐蝕性評(píng)價(jià)方法以及交貨技術(shù)指標(biāo)。
標(biāo)準(zhǔn)包括的材料鋼級(jí)有：65、80、95、110、125、140。
標(biāo)準(zhǔn)包括的材料類(lèi)型共分4組：
第1組 ------ 馬氏體或馬氏體/鐵素體不銹鋼；
第2組 ------ 鐵素體-奧氏體不銹鋼（雙相鋼或超級(jí)雙相鋼）；
第3組 ------ 鐵基奧氏體不銹鋼；
第4組 ------ 奧氏體鎳基合金。
表2 耐蝕合金的化學(xué)成分
3油氣田腐蝕環(huán)境的選材
我國(guó)油氣資源中，大部分含有H2S或/和CO2。其中，部分油氣井或僅含H2S或僅含CO2，而更多的油氣井卻同時(shí)含有H2S和CO2。
對(duì)于僅含H2S的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題，50多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外持續(xù)做了大量研究，腐蝕機(jī)理和規(guī)律相對(duì)比較清楚，腐蝕控制方法和防護(hù)措施也比較成熟，在國(guó)際上形成了NACE MR0175/ISO15156等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，我國(guó)也有石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0599。
近20年來(lái)，高溫高壓條件下CO2腐蝕機(jī)理和防護(hù)措施的研究也取得了許多成果。但是，對(duì)于H2S、CO2同時(shí)存在時(shí)的腐蝕機(jī)理和規(guī)律的研究，由于H2S和CO2之間復(fù)雜的交互作用，至今尚未形成較完善的理論體系，許多理論和技術(shù)問(wèn)題尚待深入研究。
進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，世界范圍一些嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境油氣田相繼開(kāi)發(fā)。國(guó)外加大了研究和開(kāi)發(fā)抗CO2及CO2、H2S、Cl-共存（當(dāng)然還有H2O）的耐腐蝕油井管的力度。
對(duì)于抗CO2腐蝕，API Spec 5CT列有L80-9Cr、L80-13Cr兩個(gè)鋼級(jí)，而各生產(chǎn)廠(chǎng)均建立了自己的非API鋼級(jí)系列。如日本的JFE、住金，國(guó)內(nèi)天管集團(tuán)、寶鋼等。
在CO2和H2S共存，或H2S分壓未達(dá)臨界但Cl-很高，13Cr鋼（包括超級(jí)13Cr鋼）是不能滿(mǎn)足要求的，需要采用22Cr雙相不銹鋼（ASF2205）或超級(jí)雙相不銹鋼25Cr，甚至要采用含Cr20%以上、含Ni30%以上的高Ni、Cr不銹鋼和Ni基與FeNi基合金如G3、825、028。
塔里木油田某井油管CO2腐蝕形貌圖
塔里木和川渝井下CI-含量極高，在油套管選材時(shí)應(yīng)特別關(guān)注NKK選材指南。
NKK選擇指南表明，22Cr雙相不銹鋼、25Cr超級(jí)雙相不銹鋼與13Cr和超級(jí)13Cr油套管相比，不僅抗均勻腐蝕性能更好，尤其具有優(yōu)越的抗點(diǎn)蝕能力和一定的SSCC抗力。
JFE的JFE-UHP-15Cr-125和JFE-UHP-17Cr-110～125有比超級(jí)13Cr更高的強(qiáng)度和抗CO2腐蝕能力，但在CI-很高的條件下并不能取代雙相不銹鋼。
日本新日鐵住金選材圖
日本JFE公司選材圖
4我國(guó)油氣井用不銹鋼管的品種
4.1 13Cr系列油氣井管的開(kāi)發(fā)
上世紀(jì)90年代后期，油田向油井管制造企業(yè)提出了需要抗二氧化碳腐蝕的13Cr管材。最初，由于生產(chǎn)工藝、技術(shù)、坯料等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)油井管制造企業(yè)還
拿不出這種產(chǎn)品給油田使用。本世紀(jì)初，經(jīng)與油田協(xié)商和技術(shù)論證，確定前期開(kāi)發(fā)低鉻（3Cr、5Cr）管材，配合采用緩釋劑的方案，解決了部分區(qū)域二氧化碳腐蝕油井管材問(wèn)題，但是這種低鉻抗二氧化碳腐蝕的管材，其適用范圍是有限，使用效果也是有限的。2001年10月，天津鋼管在250機(jī)組上成功試軋出了2Cr13不銹鋼管，2003-2004年寶鋼、天津鋼管相繼開(kāi)發(fā)出了13Cr油管和套管，隨后根據(jù)油田的需要，又開(kāi)發(fā)出HP13Cr、SUP13Cr抗二氧化碳腐蝕的管材。
表1 國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)馬氏體不銹鋼油井管的企業(yè)及其主要產(chǎn)品
表2 油井管主要化學(xué)成分(wt%)
4.2 雙相不銹鋼油氣井管的開(kāi)發(fā)
當(dāng)含有CO2的油(氣)井溫度超過(guò)200℃時(shí)，馬氏體不銹鋼SUP15Cr也不能滿(mǎn)足耐腐蝕要求，需采用具有良好的耐CO2和CI-應(yīng)力腐蝕裂紋性能的雙相不銹鋼。目前開(kāi)發(fā)的22Cr和25Cr雙相(奧氏體相和鐵素體相)不銹鋼適用于200℃以上的CO2 油氣井，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。
表3 雙相不銹鋼管化學(xué)成分（wt%）
在對(duì)22Cr和25Cr雙相鋼的化學(xué)成分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，以調(diào)整Cr和Ni的含量來(lái)調(diào)整耐腐蝕效果。雙相鋼由鐵素體相加奧氏體相組成，晶粒相互交叉，習(xí)慣上由于奧氏體相和鐵素體相的比率不同，其耐腐蝕的性能也不相同。在雙相鋼中除基本成分Cr、Ni外，添加Mo和N等元素可提高耐孔蝕性能。雙相不銹鋼除了具有良好的耐高溫腐蝕性能外，相比馬氏體不銹鋼還具有更好的耐H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，在常溫的NACE TM 0177-A法試驗(yàn)中，在A溶液，85%SMYS加載環(huán)境中，馬氏體不銹鋼最多只能通過(guò)10KPaH2S分壓試驗(yàn)，而雙相不銹鋼25Cr可以通100KPa的H2S分壓試驗(yàn)。目前生產(chǎn)雙相不銹鋼油井管的公司主要有國(guó)外的NSMMC、V&M和國(guó)內(nèi)的天津鋼管、寶鋼等，主要產(chǎn)品見(jiàn)表4。
表4 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)雙相不銹鋼油井管的公司及其主要牌號(hào)
4.3 鎳基合金油氣井管的開(kāi)發(fā)
有關(guān)研究報(bào)告指出對(duì)高含H2S、CO2和CI-的高溫環(huán)境超深井天然氣田，鎳基系列合金、鈷基系列合金和鈦基系合金都是很好的選用材料?？紤]到資源和經(jīng)濟(jì)效益，大多數(shù)是采用鎳基合金作耐腐蝕合金。對(duì)其檢驗(yàn)的耐腐蝕項(xiàng)目有：酸洗后麻坑、一般腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性等。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)包括四點(diǎn)彎曲試樣的檢驗(yàn)、C型和雙懸臂梁式斷口試樣檢驗(yàn)以及模擬條件下進(jìn)行試驗(yàn)，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、井底溫度條件，按發(fā)生失效變化來(lái)確定最佳的耐蝕合金?，F(xiàn)將幾個(gè)主要鋼管公司的耐蝕合金（CRA）產(chǎn)品列于表5。
表5 國(guó)內(nèi)外主要企業(yè)鎳基合金油氣井管的主要成分
5我國(guó)油氣井用不銹鋼管生產(chǎn)工藝
5.1 關(guān)于軋制工藝的確定
歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家不銹鋼無(wú)縫管生產(chǎn)中，擠壓管占67%，冷軋（拔）管占33%。這個(gè)比例在我國(guó)恰好相反，而且冷軋（拔）管的比例更高。造成這種現(xiàn)象的原因是由于早期我國(guó)沒(méi)有擠壓機(jī)組，采用的是“斜軋穿孔+冷軋（拔）”工藝，該工藝已經(jīng)使用了幾十年，工藝成熟，生產(chǎn)成本低，成材率較高。盡管后來(lái)長(zhǎng)城特鋼引進(jìn)了擠壓機(jī)組，但受坯料單重的限制，擠壓管的長(zhǎng)度、外徑等尺寸也受到了限制。90年代初，國(guó)內(nèi)有關(guān)信息報(bào)道了日本成功地采用熱軋機(jī)組軋制不銹鋼的文章，90年代后末，油田提出了抗二氧化碳腐蝕的13Cr套管的需求。為了開(kāi)發(fā)不銹鋼管，天管曾采用穿孔機(jī)穿軋出300mm的304不銹鋼毛管，2001年又通過(guò)穿孔+連軋機(jī)，試軋出了2cr13的不銹鋼管，值此，采用熱連軋機(jī)組軋制部分不銹鋼管品種的思路已經(jīng)確立。本世紀(jì)初天管集團(tuán)在新建168機(jī)組的設(shè)計(jì)中，將不銹鋼品種納入到設(shè)計(jì)方案里，在設(shè)備設(shè)計(jì)中增大了設(shè)備的能力如穿孔機(jī)的電機(jī)功率、傳動(dòng)扭矩等。之后460機(jī)組、258機(jī)組、寶鋼460機(jī)組建設(shè)以及寶鋼140的改造均考慮了有關(guān)不銹鋼產(chǎn)品的軋制，增大了設(shè)備的能力。
5.2 國(guó)內(nèi)外熱軋不銹鋼管（高合金管）的機(jī)組
國(guó)際上著名的鋼管企業(yè)都不同程度的使用現(xiàn)有的熱軋鋼管機(jī)組生產(chǎn)不同類(lèi)型的不銹鋼管及高合金管。
國(guó)內(nèi)外主要廠(chǎng)家機(jī)組類(lèi)型和產(chǎn)品類(lèi)型
5.3 各品種不銹鋼油氣井管生產(chǎn)工藝流程
(1) 13Cr系列不銹鋼
鍛、軋坯（剝皮、打定心孔） —— 加熱——穿孔 ——連軋 ——定徑——冷卻——切頭——送熱處理
淬火——回火——熱定徑——熱矯直——噴丸——探傷——水壓——螺紋加工——檢查——包裝
(2) 雙相不銹鋼
鍛、軋坯（剝皮、打定心孔） ——加熱——穿孔 ——連軋 ——定徑——冷卻——切頭——送熱處理
固溶處理——熱定徑——熱矯直——噴丸——探傷——水壓——螺紋加工——檢查——包裝
(3) 鎳基合金
鍛坯（剝皮、鉆通心孔） ——加熱——潤(rùn)滑、擴(kuò)孔——加熱——潤(rùn)滑、擠壓 ——固溶處理——冷軋——探傷——水壓——螺紋加工——檢查——包裝
5.4 有關(guān)工藝難點(diǎn)
(1) 環(huán)形爐加熱方式及注意點(diǎn)
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)油井管不銹鋼的企業(yè)，采用的都是環(huán)形加熱爐。環(huán)形爐適用于無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)，用于加熱不銹鋼，易使管坯氧化以及易造成加熱不均等問(wèn)題，故加熱過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
在確保天然氣完全燃燒的前提 下 ，加熱段應(yīng)盡可能減少空氣過(guò)剩系數(shù) ，以保證爐內(nèi)呈弱氧化氣氛 ，均熱段空氣過(guò)剩 數(shù)應(yīng)略高 ，以保證所產(chǎn)生的氧化鐵皮可除性;
管坯在加熱區(qū)和 均熱區(qū)的加熱溫度絕 對(duì)不能 超出目標(biāo)溫度的控制范圍 ，否則會(huì)使其鐵素體含量劇增加 ，影響熱加工性能和出現(xiàn)表面缺陷;
不銹鋼管坯因?qū)嵯禂?shù)低， 膨脹系數(shù)較大， 要求在 600~800度以?xún)?nèi)要嚴(yán)格控制加熱速度，升溫不能過(guò)快，否則易產(chǎn)生開(kāi)裂;
當(dāng)不銹鋼管坯裝 爐后，爐內(nèi)其它碳鋼的出鋼節(jié)奏應(yīng)以確保不銹鋼管坯的各段在爐時(shí)間為原 則， 以保證不銹鋼管坯在各段的必要加熱時(shí)間;
保證生產(chǎn)順行，防止管坯在爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)過(guò)熱過(guò)燒等加熱問(wèn)題;
(2) 優(yōu)化穿孔過(guò)程中的金屬變形條件
從兩輥穿孔機(jī)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，經(jīng)歷從桶形輥到錐形輥穿孔機(jī)的演變，在穿孔過(guò)程中金屬流動(dòng)速度也從“小-大-小” （使金屬產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)變形）不合理狀態(tài)，到金屬流速逐漸增大（金屬扭轉(zhuǎn)大大減?。┑暮侠頎顟B(tài)。這些變化都有利于塑性較低的不銹鋼管坯穿孔，減少缺陷的發(fā)生。
評(píng)價(jià)穿孔機(jī)的能力指標(biāo)不僅是延伸率的提高，還需考察穿孔機(jī)穿軋合金鋼的能力。在二輥穿孔時(shí)，在管坯的中心線(xiàn)區(qū)域中（從咬入點(diǎn)到頂頭端部）作用著交變的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，拉應(yīng)力在垂直于軋輥?zhàn)饔镁€(xiàn)的平面內(nèi)。其頂頭前壓下量受到臨界壓下量的限制（一般頂頭前壓下量變化在4%~9%范圍內(nèi)）。當(dāng)超過(guò)臨界壓下量以后，就會(huì)引起管坯的中心破裂。管坯中心出現(xiàn)了內(nèi)裂或孔腔，導(dǎo)致毛管產(chǎn)生了裂紋、折疊、層裂等缺陷。（寶鋼9Cr管坯的臨界壓下率實(shí)驗(yàn)）
從工藝參數(shù)方面講，錐輥式穿孔機(jī)基本要點(diǎn)是兩個(gè)角度值即輾軋角 和送進(jìn)角，前者對(duì)一個(gè)機(jī)組來(lái)講是定值，后者送進(jìn)角是可調(diào)的。輾軋角和送進(jìn)角的各種配合，對(duì)穿孔過(guò)程中的剪切變形將產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。圖1、圖2 分別是桶型輥穿孔機(jī)和改進(jìn)型錐形穿孔機(jī)穿孔毛管的不同扭轉(zhuǎn)說(shuō)明。
日本住友公司從上世紀(jì)８０年代就開(kāi)始研究使用改進(jìn)型穿孔機(jī)穿孔馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相鋼及鎳基合金等高合金鋼管。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。得出的結(jié)論如下：
（1）這種新的軋機(jī)有可能使得管坯金屬流動(dòng)的情況與擠壓的情形相同或相似。
（2）采用大輾軋角和大送進(jìn)角的穿孔工藝時(shí)，穿軋不銹鋼不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)孔缺陷。
所以，日本住友將這種錐輥式穿孔機(jī)機(jī)稱(chēng)作 “Super Piercer”
圖3 不同輾軋角、送進(jìn)角組合對(duì)高合金管坯穿孔缺陷的影響
(3) 解決軋制問(wèn)題-孔型設(shè)計(jì)問(wèn)題
二輥連軋機(jī)，在軋制過(guò)程中將產(chǎn)生較大的不均勻變形，生產(chǎn)塑性較差的金屬易產(chǎn)生裂紋。對(duì)策是：原則上采用三輥連軋管機(jī)生產(chǎn)；針對(duì)不銹鋼軋制應(yīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)孔型和速度制度，軋制過(guò)程中避免“拉鋼、堆鋼”軋制。
(4) 解決工具強(qiáng)度及潤(rùn)滑問(wèn)題
因不銹鋼高溫強(qiáng)度比碳鋼高許多，所以就要求軋制工具具有更高的強(qiáng)度、更好的耐磨特性。使用常規(guī)的工具軋制不銹鋼，工具壽命低、成本高、易產(chǎn)生鋼管質(zhì)量等一系列問(wèn)題。需要改進(jìn)的主要有：
①頂頭 目前可選擇的辦法：頂頭潤(rùn)滑、頂頭材質(zhì)改變，見(jiàn)表（增加Mo\W的含量）、使用復(fù)合頂頭（表面層用Mo基合金，芯部為工具鋼）及鉬基頂頭等。見(jiàn)圖5。
②導(dǎo)板或?qū)ПP(pán)：對(duì)于容易粘鋼的導(dǎo)板或?qū)ПP(pán)，主要對(duì)策是使用具有潤(rùn)滑功能的材料或者增加潤(rùn)滑設(shè)備，后者效果更明顯，見(jiàn)圖6。目前國(guó)內(nèi)已有企業(yè)在使用相同的導(dǎo)盤(pán)潤(rùn)滑系統(tǒng)。
③穿孔軋輥：由于軋輥表面較軟，不銹鋼表面強(qiáng)度高，生產(chǎn)少量不銹鋼管后軋輥易發(fā)生打滑現(xiàn)象。為此需要變更軋輥的材質(zhì)或增加摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)使用時(shí)間。圖7說(shuō)明了生產(chǎn)一定量13Cr不銹管后軋輥表面硬度降低的趨勢(shì)。
④芯棒潤(rùn)滑：為防止不銹管的碳污染以及提高芯棒的使用壽命，現(xiàn)有的石墨潤(rùn)滑劑已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，需使用無(wú)碳的潤(rùn)滑劑，下表和圖8分別是新型芯棒潤(rùn)滑劑基本組成和使用前后軋制力變化示意圖。
6結(jié)語(yǔ)
我國(guó)油氣井用不銹鋼管的研究與開(kāi)發(fā)，近十多年來(lái)已有了很大的進(jìn)步，但與國(guó)外先進(jìn)水平比還有很大的差距，未來(lái)還有很多工作要做。
品種方面：
? 雙相不銹鋼與Ni基、FeNi基耐蝕合金油套管全面國(guó)產(chǎn)化
? H2S+CO2+CI- 和元素S共存時(shí)的經(jīng)濟(jì)性耐蝕合金油井管
? 開(kāi)發(fā)介于22Cr、25Cr雙相不銹鋼與鎳基、鐵鎳基合金之間較經(jīng)濟(jì)的耐蝕合金
? 鈦合金的應(yīng)用
? 以鎳基、鐵鎳基合金為襯里的雙金屬?gòu)?fù)合油套管
生產(chǎn)工藝：
? 13Cr鋼直接采用連鑄坯軋制的工藝技術(shù)
? 熱軋不銹鋼管的工藝技術(shù)進(jìn)一步的研發(fā)和完善。