国产55钢级SEW膨胀管实物试验研究*

韦 奉，李远征，何石磊，张 峰

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

国产55钢级SEW膨胀管实物试验研究*

韦 奉1,2，李远征1,2，何石磊1,2，张 峰1,2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

为了评估国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能，采用液压式膨胀方法对国产55钢级SEW膨胀管（牌号为BX55）进行了实物膨胀试验，并对膨胀后钢管的尺寸、力学性能、抗内压至失效、抗外压挤毁性能进行了研究。结果显示，BX55液压膨胀11.5%的启动压力为24 MPa，行进压力为22～25 MPa，膨胀过程的压力平稳；膨胀后管材的屈服强度为499 MPa，抗拉强度为562 MPa，伸长率29%，母材横向和焊缝中心半尺寸试样0℃夏比冲击功分别为66 J和48 J，抗内压至失效压力超出API SPEC 5CT要求值87%，抗外压挤毁强度高于API RP 5C3标准要求值9%。试验结果表明，国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能优良。

膨胀管；热张力减径电阻焊；膨胀性能；力学性能

实体膨胀管主要用于套损井修复、油田堵水及层系封堵、老油田二次开发的加深/侧钻、钻遇垮塌和漏失等复杂情况时的应急套管及尾管悬挂等。随着复杂地层井、大斜度井、成熟井、贫化井及深井、高温高压井的日益普遍，其应用方式已从先前的应急手段转变为常规的、有计划性选择的解决方案[1-3]。实体膨胀管可以采用无缝钢管或HFW钢管，为了确保膨胀过程全管体均匀塑性变形，一般优先考虑HFW钢管，尤其是经过无缝化处理的HFW钢管[4-6]。

本研究针对宝鸡石油钢管有限责任公司（简称宝鸡钢管）研制开发的55钢级无缝化HFW钢管，即SEW（热张力减径电阻焊）膨胀管（牌号为BX55），开展了实物膨胀试验，并对其膨胀性能及膨胀后的尺寸、力学性能、抗内压至失效、抗外压挤毁性能等进行了检测分析。

1 试验材料及方法

试验材料是宝鸡钢管自主研制的规格为Φ139.7 mm×8.15 mm的BX55钢级膨胀管，该管材采用高纯净低碳低合金钢热轧卷板为原料，通过精密成型焊接制成Φ193.7 mm×7.80 mm母管，再将母管经中频感应炉快速加热到管材的奥氏体化转变温度Ac3以上30～60℃，然后经过热张力减径到所需规格的管坯，随即对仍在高温的热张减管坯进行全管体在线控制冷却处理，得到所需的组织和性能。BX55膨胀管的化学成分见表1。

表1 BX55膨胀管的化学成分 %

实物膨胀试验的胀锥直径为136.4 mm，锥角为15°，模拟补贴套管规格为Φ177.8 mm×12.65 mm，膨胀率（内径扩大率）预计为10.5%。首先，对Φ139.7 mm×8.15 mm的BX55膨胀管内壁进行喷砂、除锈及均匀喷涂润滑脂处理，然后进行端部预膨胀、膨胀锥总成安装及端部封堵，随后用高压柱塞泵进行液压（介质为清水）膨胀，膨胀速率约为0.8 m/min，膨胀试验后实物如图1所示。

图1 BX55实物膨胀试验现场照片

沿试验管的母材纵向取拉伸试样，尺寸（减窄区宽度×标距）为25.4 mm×50.8 mm，在ZIWCK 1200E型电子万能试验机上依据GB/T 228[7]进行拉伸试验。冲击试验采用半尺寸试样，即55.0 mm×10.0 mm×5.0 mm， 在 PSW750 ZWICK/ROELL冲击试验机上测试吸收能。依据API RP 5C5[8]规定的试验方法，对试验管进行了抗内压至失效及抗外压挤毁试验。

2 试验结果与分析

2.1 尺寸变化

BX55试验管膨胀前后尺寸的测量结果（均值）见表2。

表2 BX55膨胀管膨胀前后的尺寸变化（均值）

从表2可见，BX55膨胀管采用Φ136.4 mm膨胀锥进行液压膨胀后的壁厚减薄率和长度收缩率分别为6.7%和2.1%，其实际膨胀率11.7%，高于预期膨胀率，这与先前笔者开展的80钢级SEW膨胀管同类试验的膨胀率变化趋势一致，可能是由于整个液压膨胀过程中管内一直存在压力，导致其塑性变形程度较高引起的[9]。

2.2 膨胀压力

衡量套管可均匀膨胀变形难易程度时，较为直观的指标是膨胀压力的大小及其波动程度。试验管膨胀过程的压力测试结果如图2所示。

由图2可见，BX55液压膨胀11.5%的启动压力约为24 MPa，行进压力为22～25 MPa，整个膨胀过程的压力平稳，表明国产BX55膨胀管具有良好的可均匀膨胀变形性能。

图2 BX55膨胀管液压膨胀过程的压力曲线

2.3 力学性能

为了满足膨胀施工工艺及后续工程应用要求，膨胀管除了要具备良好的可均匀塑性变形能力外，还必须确保膨胀后的力学性能达到相应钢级套管的API SPEC 5CT[10]等相关标准要求。试验管膨胀前后的力学性能测试结果见表3，0℃半尺寸夏比冲击吸收功测试结果见表4。

表3 BX55膨胀管膨胀前后的力学性能

表4 BX55膨胀管膨胀前后的横向夏比冲击功

由表3和表4可见，BX55膨胀管发生塑性变形膨胀11.5%后，由于材料冷作硬化作用的影响，其屈服强度和抗拉强度分别提升了22%和4.5%，处于API SPEC 5CT中J55钢级要求的中上限水平；伸长率由39%下降为29%，高于API SPEC 5CT规定值18%，表明管材仍具有良好的塑性，可确保服役过程中仍能承受较大的塑性变形而不发生脆裂。此外，试验管母材横向和焊缝中心半尺寸试样的0℃夏比冲击功虽然分别下降了28%和27%，但均≥48 J。综上所述，国产BX55膨胀管膨胀后的力学性能满足API SPEC 5CT的要求，仍具有优良的强度、塑性及韧性匹配。

2.4 抗内压至失效

依据API RP 5C5标准，利用水压爆破试验系统在室温条件下对膨胀前后的BX55试验管进行静水压及内压爆破试验，结果见表5。

从表5可见，膨胀后管材的内压爆破压力超出API SPEC 5CT要求值（33.0 MPa）的87%。相比膨胀前的管材，其内压爆破压力下降了13%，这是由于受到了膨胀后管材外径增大、壁厚减薄、屈服强度增加等多种因素综合影响的结果。

表5 BX55膨胀管膨胀前后的静水压及内压爆破试验结果

2.5 抗外挤强度

根据API RP 5C5标准，对膨胀前后的BX55试验管进行全尺寸外压挤毁试验，结果见表6，外压挤毁形貌如图3所示。

从表6中可见，膨胀后Φ153.0 mm×7.60 mm试验管的抗外压挤毁强度高出API TR 5C3[10]要求值（25.6 MPa）9%，比膨胀前的管材下降了31%，这同样是由于受到了管材外径增大、壁厚减薄等多种因素共同影响的结果。

表6 BX55膨胀管膨胀前后的外压失效试验结果

图3 Φ153.0 mm×7.60 mm膨胀管外压失效形貌

3 结 论

（1）采用Φ136.4 mm膨胀锥，BX55液压式膨胀管膨胀11.5%的启动压力为24 MPa，行进压力为22～25 MPa，整个膨胀过程的压力平稳；膨胀后的管材平均壁厚减薄率和长度收缩率分别为6.7%和2.1%。

（2）BX55膨胀管膨胀11.5%后，管材屈服强度为499 MPa，抗拉强度为562 MPa，伸长率为29%，母材横向和焊缝中心半尺寸试样的0℃夏比冲击功分别为66 J和48 J，抗内压至失效压力超出API SPEC 5CT要求值87%，抗外压挤毁强度高于API RP 5C3[11]要求值9%，表明国产BX55膨胀管膨胀后仍具有优良的综合力学性能。

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[2]COHEN M.New offerings fill in the gaps of expandables technology[J].World Oil，2009，230（7）：23-29.

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Experiment Research of Domestic 55 Steel Grade SEW Expansion Pipe

WEI Feng1，2,LI Yuanzheng1，2,HE Shilei1，2,Zhang Feng1，2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Steel Pipe Research Institute,Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

In order to assess the comprehensive mechanical properties of domestic 55 steel grade SEW expansion pipe,the expansion test for domestic 55 grade SEW expansion pipe(No.BX55)was conducted by adopting hydraulic expansion method.Meanwhile,the steel pipe size,mechanical properties,internal pressure up to failure and external collapse-resistant strength after expansion pipe were investigated.The results indicated that the starting pressure of BX55(expansion ration up to 11.5%)is 24 MPa,the marching pressure is 22～25 MPa,and the pressure in expansion process is stable.After expansion,the yield strength is 499 MPa,the tensile strength is 562 MPa,the elongation is 29%,and the impact values（1/2-size,0℃）of base mental and weld are 66 J and 48 J,respectively.The internal pressure exceeds 87%of API SPEC 5 CT requirement value,and the collapse pressure is 9%above the requirement of API RP 5C3.The test results showed that the comprehensive mechanical properties of domestic 55 steel grade SEW expansion pipe is good.

expansion pipe;hot stretch-reducing electric welding;expansion performance;mechanical properties

TG115.5

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.005

陕西省科技统筹创新工程计划项目“高性能SEW膨胀管关键技术研究”（项目号：2015KTCL01-15）。

韦 奉（1977—），男，硕士，工程师，主要从事油气管材及制造工艺技术研究。

2015-06-10

黄蔚莉