膨胀波纹管的材料特性分析及选择
(1.中国石油化工工程技术研究院，北京100101；
2.中国尤氏大学，北京102249)
本文在前人对可膨胀实心管材料特性研究和分析的基础上，结合现场需求，重点研究了可膨胀波纹管不同材料成分和性能要求的匹配问题。从材料的微观角度分析了制约膨胀波纹管强度提高的关键因素，提出了对膨胀波纹管材料成分控制的要求。在此基础上，分析了铁素体-马氏体双相钢材料在制造膨胀波纹管中的适用性和优越性。这对进一步探索新的适用于膨胀波纹管的材料具有重要的启发意义，也为下一步扩大膨胀波纹管的应用范围做了基础准备。
膨胀波纹管材料；化学成分和力学性能；双相钢
可膨胀瓦楞纸衬垫材料性能分析
和探索新的适用材料
刘晓丹1，2，陶杏花1，牛新明1
(1.中国石化石油工程研究院，北京100101，
中国；2.中国石油大学，北京102249，中国)
本文在以往实心膨胀管材料研究的基础上，结合现场需要，对可膨胀波纹内衬材料的组成与性能之间的关系进行了具体研究。分析了制约可膨胀波纹内衬强度提高的关键因素。同时给出了如何控制材料成分以获得较高的套管强度。因此，这也证明了铁素体-马氏体双相钢用于制造可膨胀波纹内衬的适用性和优点。这将有利于进一步探索新的适用材料。这也为膨胀型衬管的广泛应用做了准备。
关键词可膨胀瓦楞纸板；材料；化学成分；机械性能；双相钢
膨胀波纹管技术是俄罗斯石油工程领域最早的套管补贴技术之一。管体的横截面为波纹状或梅花花瓣状。圆管采用冷压加工，缩小管段外径，保证作业时目标井段通过上部套管或肉眼下入，然后通过水力和机械膨胀恢复成圆管，达到修复外层破损套管，提高地层承载能力，封堵复杂地层的目的[1]。随着膨胀波纹管技术应用领域的逐步扩大，有必要开发高强度、高塑性、高稳定性的膨胀波纹管。认为管材是影响膨胀波纹管强度和性能的重要因素之一。本文对材料成分与性能要求的匹配进行了研究。通过分析膨胀波纹管材料的主要控制因素，研究了关键因素之间的相互作用，给出了膨胀波纹管材料选择的基本原则。在此基础上，初步探索了铁素体-马氏体双相钢在制造膨胀波纹管中的适用性。为进一步探索膨胀波纹管新的适用材料提供参考，启发新的研究思路。
1膨胀波纹管的材料性能分析及成分控制
到目前为止，膨胀波纹管的工程应用已经取得了很大进展，但仍不能满足复杂地质和工程环境下石油勘探开发的需要。由于材料选择、焊接技术和加工设备的限制，很难获得更高性能的膨胀波纹管。因此，有必要从加工和施工工艺的角度分析膨胀波纹管的性能要求，并提出材料成分控制的要求。
1.1膨胀波纹管材料特性分析
目前国内的膨胀波纹管都是圆管冷压成型，需要下入目的层后通过液压和机械手段膨胀成圆管。因此，管材应满足以下要求:(1)具有良好的塑性变形能力；(2)抗拉强度高；(3)屈服强度低；(4)较高的加工硬化指数。此外，由于膨胀波纹管需要在施工现场焊接，因此要求管道具有良好的现场焊接性能。数据分析表明，C当量需要控制在0.46%以内[2]。因此，在目前的施工工艺条件下，膨胀波纹管材料一般为低合金高强度钢或微合金钢[3]。细晶强化是低合金高强度钢和微合金钢的主要强化方法。具体做法是:合金化方面，对少量强碳化物形成元素Nb、V、Ti等进行微合金化；成形技术主要包括:(1)通过控制终轧温度和轧后冷却速度，细化奥氏体再结晶晶粒和冷却铁素体晶粒；(2)通过循环热处理获得超细晶粒；(3)快速奥氏体化多级热处理等。晶粒细化的强化效果可以用Hall-Petch方程[4]表示:
油气成藏理论与勘探开发技术(5)
其中:σy为屈服应力；σ0是晶格摩擦力；k是常数；d是颗粒直径。
根据低碳钢的试验结果，晶粒细化会降低加工硬化指数n，其关系如下:
油气成藏理论与勘探开发技术(5)
说明晶粒细化提高了材料的强度，也提高了材料的屈强比，降低了材料的加工硬化指数。根据上述膨胀波纹管的特殊性能要求，需要严格控制材料的化学成分以及管材轧制和热处理的工艺，确保管材的性能控制在合理的范围内。
1.2膨胀波纹管的材料成分控制要求
通过对上述膨胀波纹管材料特殊性能的分析，认为合理控制波纹管的成分是控制其性能要求的关键因素。如上所述，膨胀波纹管的材料一般为低合金高强度钢或微合金钢，含碳量一般控制在0.2%以内。此时钢管韧性好，延伸率高，适合冷压成型。从微观上看，锰是一种弱碳化物形成元素，少量溶于渗碳体，大部分溶于铁素体，对铁素体有明显的固溶强化作用，能提高钢的强度，削弱和消除硫的不利影响，提高钢的淬透性，降低材料的屈强比。当锰含量较低时(一般小于1% ~ 1.5%)，钢的冲击韧性随锰含量的增加而增加。当锰含量大于1% ~ 1.5%时，冲击韧性随锰含量的增加而显著下降。此外，锰含量过高会增加钢的冷裂纹敏感性指数，降低焊缝韧性[3]。当碳含量小于0.2%时，锰含量在1% ~ 2%范围内，不会对钢的焊接性产生显著影响。因此，膨胀波纹管材料中的锰含量应尽可能控制在2%以内。硅是一种固溶强化作用明显的元素，提高材料中的Si含量可以降低材料的屈强比，但过高的Si含量会显著降低钢的可焊性，所以Si含量也需要控制在一定范围内。此外，通过添加适当的合金元素如Cr、Mo，可以提高钢的淬透性，降低钢的屈强比。硫和磷是钢中有害的杂质元素，它们降低钢的塑性和韧性，恶化焊接性。有必要将钢中的S和P含量控制在较低的范围内。
2双相钢制造膨胀波纹管的适用性分析
2.1双相钢材料的优势及应用
双相钢具有良好的强塑性匹配和冷变形性能。与常用的低合金高强度钢相比，双相钢在相同强度等级下具有更低的屈强比、更高的延伸率和更高的加工硬化率。这些特点使其具有良好的成形性，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷成形[5]。与常规低合金高强度钢相比，双相钢抗拉强度高，屈强比低，没有明显的屈服平台。这是因为一般的低合金高强度钢是由铁素体、珠光体、碳化物和铁素体中的氮化物析出组成，其强化机制一般是以阻碍位错运动的固溶强化和细晶强化为主，从而产生较高的屈服强度和明显的屈服平台。对于双相钢，在双相区部分奥氏体化过程中，C、Mn等合金元素在奥氏体中聚集，铁素体成为纯基体，奥氏体转变为马氏体后体积膨胀3% ~ 8%，在马氏体和铁素体界面附近诱发大量高密度可动位错。这些可动位错可以在较低的外应力作用下移动，使材料屈服，强马氏体的存在可以协调堵塞端的应力集中，所以双相钢。此外，双相钢的合金含量低，因此具有良好的焊接性能。同时，双相钢生产工艺简单，成本低，作为可膨胀波纹管的材料具有广阔的发展空间。
双相钢因其优越的力学性能引起了石油工程研究人员的极大兴趣。2007年，Yamazaki等人发表了一项使用双相无缝钢管作为实心膨胀管的美国专利，其中热轧无缝钢管采用常规热处理或双相热处理工艺[6]。表1给出了试验钢管的化学成分，表2给出了不同热处理工艺后试验钢管的显微组织和力学性能。从表2可以看出，化学成分相同的钢管经过双相热处理和常规热处理后，双相热处理后钢的屈强比降低，均匀伸长率和断后伸长率增加。
表1试验钢的化学成分质量分数
表2试验钢管的力学性能
图1双相热处理工艺示意图
2.2双相钢直焊缝用膨胀波纹管
与无缝钢管相比，直缝焊管具有壁厚均匀、椭圆度高的特点，在结构上更适合制成膨胀波纹管。根据现有报道，目前获得双相钢直缝焊管有两种生产工艺。一种工艺是用双相钢板直接卷曲焊接成钢管。在这个过程中，需要将其卷曲成圆管后再进行焊接。在焊接过程中，热量会改变焊接热影响区的结构，导致力学性能发生变化，焊接区强度增加，塑性降低，焊管周围的组织和力学性能是不连续的。此外，轧制钢板成管的塑性变形过程不仅会对焊管产生加工硬化效应，还会降低焊管相对于原板的均匀延伸率，变形过程中产生的残余应力也会对焊管的性能产生不利影响。另一种工艺是将普通铁素体-珠光体钢板焊接成薄壁管，然后进行热处理，获得双相组织。E.J.Pavlina等人通过使用后一种工艺成功地开发了具有铁素体和马氏体的双相钢管。实验中，作者首先将1019(Fe-0.19c)合金薄板(显微组织为铁素体-珠光体)卷曲焊接成薄壁管，外径为44.5 mm，壁厚为1.6mm；；然后将钢管完全退火，再用感应线圈将钢管加热到临界温度区，进行等温淬火，得到铁素体-马氏体双相组织。热处理工艺如图1所示，热处理后钢管焊缝和主体区域的显微组织如图2所示。分析表明，焊接影响区的组织和性能与钢管其他部分基本相同。作者还对试制的双相直缝钢管进行了液压胀形室内试验。当管内水压达到54.4MPa时，钢管体发生爆炸，但焊缝完好无损，说明直缝钢管体的力学性能优于钢管体[7]。
图2双相热处理后Fe-0.19c直缝钢管的双相组织。
2.3包辛格效应分析
与其他低合金高强度钢相比，双相钢的膨胀过程对材料的包辛格效应有明显的抑制作用。包辛格效应的大小与材料的成分、微观结构、强度和塑性变形有关。因此，Hitoshi Asahi等人详细研究了显微组织对直缝焊管包申格效应的影响[8]。本实验采用热轧生产外径为194mm、壁厚为9.6mm的直缝焊管，轧制后进行热处理。表3给出了试验钢的化学成分，表4给出了不同工艺生产的直缝焊管的显微组织、包辛格效应比和抗挤毁压力。分析表明，包辛格效应比越大(钢管1 #与钢管2 #之差高达22%)，包辛格效应越小。从表4可以看出，相同化学成分钢管的(4 #)包辛格效应最明显，其次是铁素体-珠光体组织(2 #)，铁素体-马氏体双相组织的包辛格效应最小。作者还做了1 #和4 #钢管胀缩20%的抗挤毁试验。由于包申格效应小，加工硬化率高，铁素体-马氏体双相组织的直缝焊管胀接后的抗挤强度明显高于马氏体组织的焊管。本次试验充分证明了铁素体-马氏体双相组织的膨胀管受包申格效应的影响较小，膨胀后具有较高的外挤强度。将其应用于制造膨胀波纹管，对改善膨胀工艺性能和提高膨胀波纹管管体的强度具有重要价值。
表3试验钢化学成分的质量分数
表4直缝焊管的显微组织和力学性能
3结论
1)根据膨胀波纹管加工和使用过程中的特殊要求，管材要求抗拉强度和塑性变形能力高，屈服强度低，加工硬化指数高，焊接性能好。其中，焊接性能是影响膨胀波纹管材料综合性能提高的关键因素之一。
2)根据膨胀波纹管的性能要求，膨胀波纹管的碳含量一般需要控制在0.2%以内，Mn含量控制在2%以内，S、P含量控制在较低范围内。
3)铁素体-马氏体双相钢满足膨胀波纹管材料的化学成分和力学性能要求。普通热轧钢管可通过临界区热处理获得铁素体-马氏体双相组织。
4)铁素体-马氏体双相钢管与普通钢管相比，具有屈强比低、均匀延伸率高、膨胀后挤压强度高的优点。双相钢作为膨胀波纹管材料具有广阔的应用前景。
参考
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李政。合金元素对高强度管线钢埋弧焊焊缝组织和性能的影响[J].热加工技术，2011，40 (17): 12 ~ 14。
哈宽夫。金属力学性能的微观理论[M]。北京:科学出版社，1983。
涂、吴宝荣。双相钢-物理和机械冶金[M]。北京:冶金工业出版社，2009。
[6]Yamazaki Y，Miyata Y，Kimura M，等.无缝可膨胀石油管材及其制造方法[P].美国专利申请公开:US 2007/0116975 a1，2007年5月24日。
[7]Pavlina E J，Vantyne C J，Herel K .采用新型工艺路线生产的双相钢管的液压胀形试验[J].材料加工技术学报，2008，201，242~246。
[8]朝日H，鹤E .包申格效应发生率小的钢管钢板及其制造方法[P].美国专利申请公开:US 2008/0286504 a1，2008-11-20。