C110钢级套管的开发生产和API规范的工艺控制要求（上）

李平全，董 仁

（1.西安摩尔石油工程实验室有限公司，陕西 西安 710032；2.中国石油塔里木油田公司勘探开发部，新疆 库尔勒 841000）

C110钢级套管的开发生产和API规范的工艺控制要求（上）

李平全1，董 仁2

（1.西安摩尔石油工程实验室有限公司，陕西 西安 710032；2.中国石油塔里木油田公司勘探开发部，新疆 库尔勒 841000）

简要介绍了国外C110钢级套管的开发背景和冶金制造工艺的技术进步，对比了某些制造厂的生产实际做法与API Spec 5CT规范对该钢级合金化设计及工艺控制的规定，并进一步介绍了C110钢级的适用性评价和应用实例，对C110钢及其套管的开发生产提出了建议。

油井管；高温高压低酸性深井；C110钢级；合金化设计；API Spec 5CT；NACE TM 0177；适用性

20 世纪80—90年代，国外抗酸性油套管的研制与开发相当活跃，日本、欧美等发达国家和地区先后开发了抗酸性油套管系列，API Spec 5CT《油套管规范》（第1版）在1989年列入T95抗酸性油套管后，又开发了C100，C105以及C110钢级的低合金高强度抗酸性（HSSS）油井管［1-2］。2003年，美国石油学会（API）成立C110钢级标准化工作组；C110钢级于2011年列入API Spec 5CT《油套管规范》（第9版）［3］（简称API规范）。

1 C110钢级套管开发背景

20 世纪80年代，T95钢级是当时可获得的最高钢级抗酸性用钢。随着高温、高压酸性井的勘探开发，适合于酸性环境用的更高强度钢级套管的研制倍受关注［1-2］。深井套管柱设计要求更高的强度，但由于硫化氢的存在，且受传统的API抗酸性套管强度级C90和T95的限制，有时为了获得设计井所要求的较高屈服内压和抗挤特性，就要求钢管内径适应标准钻头和其他钻柱工具及附件尺寸要求，保持API标准通径的同时，必须采用非标准规格的更厚壁钢管即非标准外径套管。为获得这种厚壁的C90和T95产品，制管厂可能需要对其进行工艺评定，必须签订生产准备时间较长的特殊合同。从油气田用户的角度来看，这需要采用更大尺寸的井眼和套管柱，以容纳特殊的C90和T95管柱，从而增加了产品成本以及整个钻井和完井的最终成本。油气田用户的需求，促使将最低屈服强度为 100 kpsi（689 MPa）、 105 kpsi（724 MPa）和 110 kpsi（758 MPa）的套管的开发研制提上日程。C100、C105、C110一类低合金高强度抗酸性套管，可使油气井设计者在设计高温、高压井时，许多情况下可采用标准的套管外径规格。这种标准规格套管的成功应用，可使钻井和完井成本获得持续改善。

2 C110钢级套管开发成功的条件

冶金学和钢管制造工艺技术的进步，为C110钢级套管的成功开发创造了条件。

20 世纪90年代，由于钢包精炼工艺和连铸坯技术［2，4］、先进的热处理炉温度控制和淬火系统的采用［2，5］，成功开发出C110钢级油套管并申请了专利，该钢级抗硫化物应力腐蚀开裂（SSC）能力的试验结果分别在1993年和1998年发表，还应用于一些高温高压井项目［6-7］。

抗酸性C110钢级用管材，采用典型的AISI 41XX（Cr-Mo）的改型钢，是用深脱S、P铁水转炉吹氧炼钢，或用精铁粉+废钢的电炉炼钢；普遍采用适当的钢包精炼和真空脱气工艺，保持超低P、N含量，降低［N］、［H］、［O］气体含量；采用钢包电磁搅拌、钢包吹氩工艺，促进合金均匀化、非金属夹杂物充分上浮，减少非金属夹杂物含量，提高钢水纯净度；采用钢包喷粉处理或连铸坯中喂丝钙处理工艺，使钢中残留非金属夹杂物特别是硫化锰球化。

管坯化学成分明显的偏析，可造成管材成分在全壁厚或从一端至另一端的波动，导致钢的最终显微组织不均匀，对良好的SSC抗力有害。抗酸性C110钢级管材钢坯采用连铸技术生产，显著地减少化学成分偏析。通过控制连铸坯鼓肚量，控制浇注温度和拉坯速度，采用电磁搅拌、轻压下等技术，显著减少中心偏析与中心疏松，使连铸钢坯质量提高且各向较为同性。连铸与提高钢水纯净度、控制夹杂物形态相结合，减小了热加工时组织的拉长趋向，并使材料的各向异性降至最低，显著改善了钢的SSC抗力。

C110钢级套管热处理大多采用装备有可编程序逻辑控制器（PLC）电脑监控的步进式加热炉系统，它可提供极好的温度控制和均热处理能力。精确的温度控制，使C110钢管的屈服强度始终控制在70 MPa（10 kpsi）的“窗口”范围（即屈服强度上下限范围）内。由于钢管通过炉内移动（在流转梁上步进）时小幅度旋转，保证了钢管与辊梁接触点没有冷点。这种加热方法与传统气体燃烧+热滚筒炉或感应加热系统相比较，其奥氏体化高温区设定温度可降至最低，保证了全壁厚区均温较长时间内不增大晶粒尺寸，这对于极厚壁接箍坯料管产品特别重要。

通常，制造厂都会根据C110产品规格及其淬火设备的工艺控制能力，对钢的化学成分细心地加以调整。槽外型层流+内轴向喷射的水淬系统，可通过电脑分段调整层流水量、钢管通过层流各段移动速度，以弥补内轴向喷射产生的沿钢管长度方向冷却的不均匀。钢管旋转、管外层流、管内轴向喷射系统，通过电脑控制水流量、压力和钢管旋转移动速度，可获得最佳的淬火效力，使厚壁接箍坯料管包括内壁表面（在H2S环境中氢扩散起始处）在内的全壁厚材料同时转变为马氏体显微组织。

3 C110钢级合金化设计及工艺控制

C110钢级列入API规范之前，一些制造厂按照与API C90和T95类似的工艺控制做法试制C110钢级套管。

3.1 钢的化学成分设计及其淬透性

表1是某些制造厂采用C、Mn、Cr、Mo、Ni以及Ti、V、Nb、B等合金化和微合金化的AISI 41XX（Cr-Mo）改型钢试制、生产C110钢级套管的实例。Nb等晶粒细化元素，微量Ti作为控制N含量、保证B固溶量的元素，具有提高钢的淬透性作用［4］。C110钢级的化学成分，不同的制造厂是不同的，取决于所采用的热处理和淬火系统。表1给出API规范对C110和C90、T95钢级化学成分及淬透性的规定和相应的计算值［4，7-11］。

表 2、图 1 是淬透性检测的两个例子［2，4］，表明钢的化学成分设计、钢管规格和采用的淬火系统匹配，能保证C110钢淬火后硬度满足API规范要求，保证全截面淬透。图1～3是Cr-Mo系Nb-Ti-B钢（0.26%C、0.40%Mn、1.0%Cr、0.70%Mo、0.03%Nb、0.018%Ti、0.001 3%B）C110 钢级产品淬透性、淬火+回火态硬度和屈服强度控制的又一例子［4］。产品全截面淬透的均匀性保证钢回火后产品外壁（OD）、中壁（MW）、内壁（ID）位置硬度以至全截面的均匀性，经回火后产品的屈服强度均值781 MPa，标准偏差 12.3 MPa，在 70 MPa（10 kpsi）“窗口”中限之下。满足API规范统计拉伸试验补充要求规定的屈服强度统计验收准则的要求：屈服强度统计验收均值－1.74倍标准偏差≥API规范规定屈服强度下限值，即781 MPa-1.74×12.3 MPa∧758 MPa。

表1 部分C110钢级套管的化学成分分析结果及API规范要求

表2 淬透性检测结果①

图1 C110钢级Cr-Mo系Nb-Ti-B钢淬火态硬度分布（横断面）

图2 C110钢级Cr-Mo系Nb-Ti-B钢淬火+回火后的硬度分布

3.2 材料性能控制

3.2.1 拉伸性能及硬度控制

图3 C110钢级Cr-Mo系Nb-Ti-B钢淬火＋回火后的屈服强度

C110钢级列入API规范之前，部分制造厂对C110钢级拉伸性能、硬度控制要求及部分文献的相应控制范围，以及API规范对C110钢级拉伸性能、统计拉伸试验屈服强度及硬度的控制要求，见表 3［4，7，12-16］。表 4 是化学成分经适当控制后的AISI 41XX改型钢一批C110钢级产品的硬度和拉伸、屈服强度控制的例子［2］。该炉批钢管的C含量为0.24%，原始奥氏体晶粒度为8级，淬火后全横截面第1～4象限的OD、MW、ID位置硬度均匀：最低46.2 HRC，最高48.4 HRC，截面平均硬度47.2 HRC，大于API规范规定的全壁厚的推测硬度43.2 HRC（淬透至95%马氏体）。经适当回火后钢的屈服强度为785 MPa（113.8 kpsi），位于屈服强度控制“窗口”（70 MPa/10 kpsi）中限之下。从表3可见，API规范C110钢级屈服强度的控制要求与部分制造厂产品的内控要求有两个主要区别：

表3 部分制造厂和API规范对C110钢级拉伸性能、硬度的控制要求①

（1）条件屈服强度的试样标距段总伸长率规定值不同。API规范规定C110钢级的屈服强度为试样标距段总伸长率0.7%的拉伸应力，而部分制造厂的内控要求规定为标距段总伸长率0.6%（与API P110钢级规定相同）的拉伸应力。试样标距段总伸长率从0.6%变为0.7%，意味着淬火+回火的C110钢级材料应回火更充分，硬度较低，在材料屈服时，试样标距段更易延伸变形，总延伸长度增加。API规范的这一规定，表明充分回火的淬火+回火C110钢级试样标距段总伸长0.7%时的屈服应力应与Rp0.2的屈服应力一致。需要说明的是，文献［7］采用的屈服强度为yield strength values（0.2%offset），0.2%offset yield可译为Rp0.2或Rr0.2；Rp0.2表示规定塑性伸长率（即偏离线性的非比例伸长率）为0.2%的拉伸应力，Rr0.2表示规定残余伸长率为0.2%的应力，前者适于自动法测量，较方便，后者采用卸载法测量。两者测定方法不同，但数值上应等效，定义和测量方法见现行版GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》。

表4 一批规格为Φ306.4 mm×19.0 mm C110钢级产品的洛氏硬度HRC

（2）屈服强度的控制“窗口”大小不同。API规范降低了屈服强度上限值，屈服强度“窗口”缩小至70 MPa（10 kpsi），部分制造厂的C110钢级屈服强度“窗口”则与C90和T95钢级的屈服强度“窗口”保持一致，为104 MPa（15 kpsi），屈服强度上限值比前者高34 MPa（5 kpsi）。

由此可见，API规范对屈服强度的控制要求意在尽量提高C110钢级的SSC抗力。此前，为使材料的SSC抗力最大化，文献［7，12］规定C110钢级屈服强度“窗口”比传统的C90和T95钢级缩小了34 MPa（5 kpsi），文献［4］则缩小21 MPa（3 kpsi）。API规范规定C110钢级屈服强度的控制“窗口”更窄，即要求进行更精确的化学成分、淬透性控制，精确的热处理工艺控制等。为了更严格控制钢的屈服强度范围，API规范对C110钢级可以补充统计拉伸试验要求（见API规范附件A补充要求中A.12 SR38条款）。

钢管横截面硬度检查是酸性套管生产工艺控制的重要方法。

淬透性试验（淬火横截面硬度试验）是钢的化学成分设计与匹配的淬火加热炉及淬火系统效力相结合，以证明可接受的最低淬透性的定量评定方法。淬火横截面硬度平均值达到规定要求和硬度均匀分布，意味着管材全壁厚范围内，特别是在钢与H2S气体接触的内壁表面获得均匀分布的全淬火马氏体显微组织，而不必利用显微镜作马氏体百分比定量评定，是更适合于材料生产的接受/拒收准则。

由于每个制造厂产品的拉伸性能通常具有一定的屈强比，因而屈服强度和硬度间也存在某种相关性，硬度检测可间接用于评定每根钢管的屈服强度。为使C110钢级SSC抗力最大化，API规范规定C110钢级的屈服强度“窗口”比C90和T95钢级窄了34 MPa（5 kpsi），仅为70 MPa（10 kpsi），因此对C110钢级屈服强度的控制很重要。由于拉伸试验仅在每热处理批的代表性样品上进行，若采用统计拉伸补充要求，则大批量抽样检验甚至对每根钢管进行拉伸试验是不经济的。硬度检测是评定每批每根钢管屈服强度分布均匀性的一种经济方法，对取自管端的钢管试块，从全壁厚的OD、MW以及ID位置进行横截面硬度测量。这种测量不仅反映试验材料的硬度，而且还反映了产品屈服强度的均匀性。硬度检测是重要而经济的工艺控制方法。

3.2.2 夏比冲击试验

C110钢级钢管、接箍毛坯、接箍材料和接箍半成品具有内外螺纹特殊端部加工的附件和附件材料，横向冲击功要求：YSmax（0.001 18 t+0.012 59）或20 J，取二者之间的较大者；纵向冲击功要求：YSmax（0.002 36 t+0.025 18）或41 J，取二者较大者；式中，YSmin和YSmax分别代表规定最小、最大屈服强度，t代表产品规定壁厚或产品的临界壁厚。

C110钢级采用淬火+回火的AISI 41XX改型钢，在设计钢的化学成分时，采用Nb等细化晶粒元素，控制淬火加热、均温温度和保温时间，使奥氏体晶粒较均匀、细小，同时考虑钢管规格与淬火设备效力和淬透性的匹配，保证钢管全壁厚淬透；因此只要正确回火，钢的OD、MW、ID位置的冲击韧性都非常好，完全满足API规范要求。

夏比冲击试验结果的最小剪切面积百分比应为75%。当钢管规定壁厚取不出规定试样时，应采用文件化程序（至少考虑化学成分、定径和壁厚的变化）和冲击试验结果，来证明在规定试验温度时夏比V型缺口冲击转变曲线已达到上平台。

3.2.3 SSC评定试验控制

SSC评定试验按API标准和NACE TM 0177—2005《金属在H2S环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》［17］规定采用A、D法进行。SSC评定试验是产品质量控制的方法，是评定材料在规定环境条件下的特性的方法，而不是材料在任何特定酸性环境应用的合格评定。

对每批C110钢级产品，应证明从该批生产流程前、中、后各1/3产品组成的3个子批抽取的3件不同产品，从端头截取的每个试样都满足或超过85%YSmin临界应力的要求。试样应取自该批3个子批中硬度最高的一根钢管、硬度最高的一端、硬度最高的位置（OD、MW或ID）。

对于C110钢级，如果初次试验中仅有1个试样未通过，可以进行一次复验。复验可以在两个补充试样上进行，补充复验试样应取自未通过试验的该产品初次取样区的相邻区域［3］。如果初次试验中有1个以上的试样未通过，则该批钢管应拒收。如果复验试验的2个试样有1个未通过，则该批钢管应拒收。被拒收的试验批钢管可以重新进行热处理，并作为新的一批钢管进行检验。

评定试验控制包括对抽取试样准则（代表性），试样制备（过热、变形、过渡圆角大小、表面光洁度），试验溶液浓度、pH值、饱和溶液H2S气体或混合气分压，试样加载操作，载荷、位移测定，试验温度等因素的控制。对于高强度低合金C110钢级产品，取样准则和试样制备控制尤其重要。

硬度检测不仅在套管生产工艺控制方面起重要的作用，在SSC评定试验中的作用也是不可替代的。这是因为全壁厚硬度试验、表面硬度控制检验平均硬度值，是SSC评定试验抽样的准则，即从组成一批的3个子批产品中硬度值最高的一根钢管、一端、一个位置（OD、MW或ID）各取1个试样；为加快筛除不能通过SSC试验的产品，硬度试验是捕获必选钢管的有效方法。根据产品试样的硬度值，就可对该产品的SSC试验是否能通过进行预判；SSC试验前、后试样相应位置的硬度检测，有助于对SSC试验的结果进行分析和评判。

油田经验和实验室试验都证明硬度达到特定极限以上，套管将出现开裂。虽然NACE MR 0175/ISO 15156-2∶2003《石油与天然气工业在油气生产中含H2S环境下使用的材料》［18］规定C110钢级的最终回火硬度必须不超过30 HRC，但实际上要具有好的SSC抗力，必须具有相对低的硬度值，其极限可能在27.7～28.8 HRC以下［12］。采用通过标准检验程序的C90和C110钢级商用套管产品，重回火向下微调硬度后，按NACE TM 0177标准A法，以实际屈服强度的某一百分比正常施加应力进行若干个SSC试验，将试验数据汇集在一起，并进行粗略拟合的失败评估曲线（即SSC极限应力与硬度的关系曲线），如图 4 所示［19］。

图4 SSC极限应力与硬度的关系曲线

失败评估曲线表明：低硬度值时，SSC极限应力稍高于90%AYS（实际屈服强度）；硬度值约27 HRC时，SSC极限应力开始显著下降；硬度值28/29 HRC以上时，SSC极限应力跌落变得很陡；至32 HRC时，极限应力大约仅是实际屈服强度的20%。据文献［11］介绍，厚壁接箍坯料的全横截面OD和MW位置硬度值为29.5～30.2 HRC，标准直径6.35 mm拉伸试样在A溶液、94%AYS条件下的SSC试验12～207 h失败。高品质的不同产品间的SSC极限应力与硬度关系的曲线形状预测不会有显著的变化。

图5是Nb钢（屈服强度765～779 MPa，即111～113 kpsi）和 Cr-Mo-Nb-B-Ti钢（屈服强度 806～820 MPa，即 117～119 kpsi）的 HRC 硬度与 NACE TM0177标准A法SSC试验失败率的关系［4］。SSC试验条件：用1 bar（1 bar=0.1 MPa）H2S饱和A溶液，试样加载应力为85%SMYS（规定最低屈服强度）［4］。图5表明，硬度大于29 HRC时，材料的SSC抗力很差。

文献［4，12，19］所提供硬度限制，其套管化学成分、制造工艺参数可能有差异，但与SSC试验不通过的极限硬度基本吻合，比NACE MR 0175及API规范规定的硬度最高值（30 HRC）低2～3 HRC，实际生产中为使SSC抗力最大化，套管材料都控制在较低的硬度水平。因此产品硬度检测结果可以帮助制造厂及时调整回火工艺参数控制淬火+回火态产品硬度范围。

图5 材料硬度对SSC试验失败率的影响

3.3 制造工艺控制

3.3.1 加 厚

除非购方要求加厚并与制造厂协商一致，否则产品不应加厚［3］。加厚会使加厚区和管体的淬火态、淬火+回火态的组织和性能不均匀，尽管淬透性要求可考虑加厚区壁厚，但加厚后热处理加热和均温时，加厚区和管体区难以协调。如加厚要进行工艺评定，生产控制应保证SSC抗力最差部位符合API规范要求。

3.3.2 矫直和校正

在最终热处理后，如需矫直，应采用热旋转矫直，并控制矫直终了温度低于最终回火温度，不超过165℃；如采用冷旋转矫直，应在低于规定最终回火温度30～56℃的温度下进行消除应力处理。如需进行校正，应采用小型压力机进行轻微校正［3］。钢管在191℃下0.3%～0.9%的塑性应变，可使其SSC 抗力显著下降［19］。

3.3.3 螺纹内外表面喷砂处理

C110钢级管端的内外螺纹均需喷砂处理，除非经由购方与制造厂协商确定包括螺纹加工在内的管端加工可采用任何适当工艺技术进行处理，以避免上紧时出现材料对撕裂的敏感性或导致黏结［3］。

3.3.4 锤压印标记

产品标记通常不采用冷锤压标记，若采用标准字模具和圆面字模具冷锤压标记，标记后应进行热处理［3］。C110钢级套管通常不采用API标准螺纹，没有对钢管有损伤的上紧三角形标记；如需上紧标记，可采用非锤压、不损伤钢管的上紧标记代替。

（待 续）

Development&Production of C110 Casing and Process Control Requirements of API Specification（PartⅠ）

LI Pingquan1，DONG Ren2
（1.Xi’an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China；2.Survey and Development Department，CNPC Tarim Oilfield Company，Korla 841000，China）

Briefly introduced in the paper are the background for R&D of C110 casing and technical progress of metallurgical manufacturing process abroad.Actual operations of some manufacturers are compared with the requirements of API Spec 5CT for alloying design and process control of this grade.Also introduced are the applicability evaluation and actual application cases of C110 casing，and proposed are the relevant suggestions for the development and production of C110 steel and C110 casing.

tubing and casing；high-temperature high-pressure mildly sour deep well，C110 grade；alloying design，API Spec 5CT；NACE TM 0177；fit-for-purpose environment；SSC test

环境；SSC试验

TG335.7；TE931+.2

A

1001-2311（2014）03-0021-08

李平全（1943-），男，教授级高级工程师，长期从事石油管的应用研究、检测、技术监督、失效分析及预防预测、石油管标准化工作；近年从事非API油井管、抗酸性油井管、管线钢管、抗CO2/H2S腐蚀石油管的研究开发和应用研究工作。

2014-01-05；修定日期：2014-04-30）