高压直管的关键技术控制点

 

高压管汇广泛用于钻井、固井和压裂等工况，钻井管汇的工作压力通常低于50 MPa；固井管汇的工作压力通常低于 70 MPa；而压裂管汇的工作压力范围比较大，目前最高工作压力接近140 MPa。用于加砂压裂管汇中的高压直管，在使用中有着较长的施工周期、较高的施工压力、施工过程压力频繁交替变化、施工流量高、流体粒子冲蚀速度快等原因造成高压直管应力聚集、高压直管疲劳、流体粒子冲蚀造成管壁变薄是发生高压直管失效的主要原因。

高压直管从原料到成品需要经历如下工序：原料以正火状态入厂检验→下料→加热墩粗锻造→调质处理→探伤→精加工→探伤→装配→检测（强度及密封）→喷涂。其中原料成分、墩粗锻造、热处理、密封件的质量控制对直管的成品质量尤为重要。

一、原材料

1、高压直管用钢对化学成分和质量控制要求严格，原料要求要保证必要的强度和足够的韧性，必要时还应满足低温的特殊性能要求。市场现有的高压直管所使用的材料主要有4130、4140、30CrMo等，好的钢材的化学成分应当严格控制有害元素含量（S、P含量），加入必要的合金元素；微观结构上还应有较细的晶粒度。 

（图1）30CrMo化学成分

（图2）30CrMo化学成分表

（图1）与（图2）分别为国内两家钢材厂出具的用于生产高压直管的30CrMo材料的化学成分，其中（图1）材料中的Ni元素含量是（图2）材料的11倍，同时Cr、Mo元素的含量也高图2，这些合金元素的差异直接影响材料热处理后的韧性、强度、抗腐蚀冲刷能力，从而影响产品的最终性能。

（图3）4140化学成分

（图4）4140化学成分

（图3）与（图4）分别为两个不同厂家出具的4140的化学成分检验单，两家的化学成分均符合标准要求，（图3）中的有害元素P含量是（图4）的2倍以上，（图3）中的有害元素S含量是（图4）的3倍以上，S的增多使得钢材脆性增加；P元素直接导致钢材塑性、韧性显著降低，低温时更为严重；材料中的两种有害元素的存在，造成材料本身的断裂韧度不够，在较低的应力作用下出现裂纹快速扩展，最终影响成品的性能。

2、原材料的规格

     市场上2寸直管使用的无缝钢管有∅63.5*10、∅68*10、∅68*12等多种规格；3寸直管使用的无缝钢管有∅89*10、∅89*12、∅89*14、∅89*15、∅95*15等多种规格；我公司的直管采用大冶特钢的原料生产，两寸的直管推荐使用∅68*12的直管、三寸的推荐使用∅95*15的直管，即兼顾了安全性，又提高了整体通径；

二、墩粗锻造

镦粗锻造后的直管应当保持光滑的外观形状，正常的端头锻造应该是三火实现（图5），材料性能均匀性及力学性能有保障。价格低廉的产品为了节省成本，会选择两火锻造，加大了产生锻造缺陷的风险，伴有局部凹坑、模具压痕、锈蚀等质量问题，甚至有些厂家直接采用堆焊的形式实现（图6），工艺的简化处理，为日后产品使用埋下了种种质量隐患。

（图5）好的锻造直管头部性能优良

（图6）直管端头采用堆焊方式实现

（图7）锻造端头有明显的凹坑缺陷

 

三、热处理

对于高压直管的整体性能而言，热处理的质量控制与材料化学成分的控制有着同等重要的地位；现有直管的材料有4130、4140、30CrMo等，主要的热处理工艺为调质处理。在直管的调质过程中，高温冷却速度的均匀性直接关乎直管的整体性能，淬火过程如果水平入水时，因直管较长会导致中间部位有蒸汽存在，影响温度降低速度的均匀性，因此垂直入水比水平入水更容易保障直管整体热处理的质量。

 （图8）直管4130材料采用井式炉处理淬火过程垂直入水     
四、密封件的质量控制

直管端面密封件的材质有氢化丁腈橡胶（HNBR）和丁腈橡胶（NBR）两种，HNBR的耐高温性为130～180℃，耐寒性为-55～-38℃，机械性能优良，可耐酸、耐油、耐溶剂；NBR的耐高温为120℃，耐低温及耐酸性比HNBR弱一些；秦森公司直管产品使用的密封件材料为HNBR。

    直管端面密封件的形式有带铜圈、带钢圈的和不带金属圈的（图9），带金属圈的密封件的抗变形能力好，带铜圈的比钢圈的延展性好，三种密封圈中带铜圈的使用性能排在前列，但价格偏高，秦森公司直管在70MPa以上的均使用带铜圈的密封件。

（图9）带铜圈的密封件和不带金属圈的密封件

• 五、全工序的严格质量控制

    西安秦森科技有限公司成立于2001年，致力于气井及油水井带压设备设备及辅件、配件、标准件和井口工具的研究、开发、制造及销售。