王 蕊，李东风，莫子雄，张 乐，张益铭
（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077）
摘 要：为了确保高钢级套管全尺寸试样制备时套管与堵头的可靠连接，分析了高钢级套管、堵头材料的焊接性能及焊接结构，探讨并制定出高钢级套管全尺寸试样堵头焊接工艺，即采用2 种焊条进行多层多道焊接，并进行焊前预热、焊后热处理的焊接工艺方法，能有效提高焊缝强度及韧性。实际应用表明，该焊接工艺能够保证焊接接头的连接强度，同时节约试验成本，可满足高钢级套管全尺寸实物评价要求。
关键词：高钢级套管；全尺寸试验；堵头；焊接
西部油气埋藏深，地层存在大量腐蚀介质，勘探开发难度大，套管服役条件十分苛刻。另外，页岩气的开发工艺也对套管的强度提出了较高要求，因此对套管强度提出了超出国际通用标准规定的要求，在套管选材过程中油气田提出使用140 ksi、150 ksi 及155 ksi 等高强度钢级要求以满足勘探开发的需求[1-2]。为了准确评价 140 ksi、150 ksi 钢级等高强度套管的质量性能及工况适用性，通常采用全尺寸试验评价方法[3]，评价油套管的密封性能、抗滑脱强度及抗挤毁强度等管材结构和密封完整性的相关性能，以弥补常规检测方法的不足。在进行油井管产品全尺寸性能检测试样的制备过程中，需要将试样两端与特定封堵堵头连接，然后再连接到复合载荷试验机上进行性能检测。尤其是在进行套管密封载荷包络线试验中，堵头不仅可以对套管两端进行密封，同时也能起到传递轴向载荷的作用。因此，油套管与堵头的安全可靠连接是油井管全尺寸试验顺利开展的关键。笔者根据高强度套管实物评价的特点，并经过工艺试验和分析，选择出适当的焊接材料，设计了新型焊接结构，确立了高强度套管全尺寸试样焊接制备方法。
试验选用30CrMo 堵头和150 ksi 钢级套管，其化学成分见表1。
表1 试验用套管和堵头的化学成分
150 ksi 钢级套管由于合金含量较高，淬硬性大，焊接时容易产生冷裂纹。根据美国金属学会提出的适用于碳钢和低合金高强钢计算预热温度的碳当量计算公式[4]
区域上，沉积盆地发生显著分异，花垣—保靖—张家界一线为界，北西为碳酸盐台地环境，南东为斜坡环境深水陆棚环境，该线一带为碳酸盐台地边缘堡礁带环境（见图2）。
可以得出150 ksi 钢级套管的碳当量为0.80%，堵头材料碳当量为0.66%。从计算结果可以看出，两种材料均具有较高的淬硬倾向，可焊性差，容易在焊接过程产生冷裂纹，而且在焊接过程中容易导致焊接接头脆化。因此，应制定合理的焊接工艺，设计良好的焊接结构，采用正确的焊前、焊后处理方式，减少热影响区所受热循环不同导致的组织变化，是防止焊接裂纹的产生、确保焊接接头具有优良的力学性能的关键。
气动盾形闸系统主要由钢闸门、可充气强化橡胶气袋、埋件、气动系统和控制系统组成。它是利用空气压缩的原理，通过对气袋的充气与排气，驱动钢闸门升起与倒伏，以维持特定的水位高度，可在设计水位内实现任意水位高度的调节。其原理示意图如图1。
高强度套管焊接技术必须保证试验过程中不能在焊缝或热影响区部位断裂或泄漏，确保全尺寸试验的顺利进行。因此，焊接接头的性能应满足管体性能要求，焊缝和热影响区不能产生裂纹等焊接缺陷，同时焊缝要有足够的强度，热影响区不能在焊接过程中产生明显的软化，在复合载荷试验过程中，焊缝和热影响区应保证一定的韧性和疲劳强度，不能产生脆断和疲劳断裂。
堵头与套管管体焊接结构如图1所示。其中堵头的一端为带螺纹的圆柱体，该端通过螺纹与试验系统连接，另一端为圆锥台状与套管管体连接。套管两端加工成焊接坡口，坡口角度与堵头圆锥台面连接，焊接过程中保证堵头与管体的同轴度。该设计有效地解决了一种规格堵头对应多种规格套管的焊接问题，极大地提高了堵头的利用率。该设计能够确保套管与堵头的有效连接，对全尺寸实物试样的连接具有非常好的适用性。
图1 堵头与套管管体焊接结构示意图
高钢级油套管规格较多，为了便于试验操作，通常采用手工电弧焊焊接方法。焊接接头形式为单面V 形坡口，坡口角度37.5°，根部间隙宽度4.5～5 mm。焊接前需要对堵头及焊接管体进行预热[4-7]，预热温度 150～200 ℃。焊接过程中管体要与堵头保持严格的对中，避免在后续复合载荷试验中引起试样断裂。试样对中完成后，首先进行定位焊接，然后进行多层多道焊。在多层焊接过程中必须控制层间温度，层间温度不能低于预热温度。为改善焊缝组织，提高焊缝强度及韧性，焊接过程中选用2 种不同的焊条焊接，首先用Φ3.2 mm 镍基合金焊条打底焊透根部，然后用 Φ4.0 mm 或 Φ5.0 mm 低氢高强钢焊条焊接，两种焊条化学成分见表2。
焊接完成后对焊缝进行300～400 ℃的焊后热处理[8]，消氢的同时也对焊缝进行低温回火热处理，可进一步改善焊缝综合性能。
表2 套管全尺寸焊接试验焊条化学成分
对焊接接头取1#板状试样及2# 棒状试样进行小尺寸拉伸及硬度试验，拉伸试验及硬度试验结果分别见表3和表4。
表3 焊接接头拉伸试验结果
表4 焊接接头硬度试验结果
拉伸试验及硬度试验结果表明，虽然拉伸试验断裂于焊缝处，但是焊接接头强度值能够满足150 ksi 钢级套管强度要求，并且焊接接头硬度均匀，上下表面焊缝硬度值基本相同。
高钢级套管在井下承受拉伸、弯曲、内压、外压等载荷的复合作用，开展全尺寸实物性能试验是为了尽可能地模拟套管在井下的受力状态。在全尺寸实物模拟试验过程中，焊缝承受与套管相同的复合载荷作用，在复合载荷条件下焊缝处于三轴应力状态，易引起焊缝断裂失效。因此，根据工况条件设计极限载荷及复合载荷试验[9]，以验证焊缝的焊接质量满足全尺寸实物试验要求。采用上述焊接方法对Φ244.48 mm×11.51 mm 规格150V 套管进行极限载荷试验，试验结果见表5。
表5 极限载荷试验结果
对规格为 Φ177.80 mm×12.65 mm 150V 套管进行拉伸弯曲条件下气密封试验，试验加载条件及试验结果见表6。
在现网已建有EPON网络的区域内，叠加一套GPON网络。采用二级分光模式配置，按照1:32的分光比严格控制所承载用户数。在渗透率高的区域，现有分纤箱的旁侧，新建二槽分纤箱，新建配线光缆，主干上行光缆；
全尺寸复合载荷试验结果表明，采用上述焊接结构及工艺制备的焊接接头，能够满足全尺寸实物评价试验中堵头与高钢级管体连接强度要求。
一名优秀的BIM团队成员可能只具有平均的BIM水平，但是其合作、沟通以及交互能力要比单纯的BIM技术力更为重要。一群具有平均水平的BIM成员组成的团队，若具有良好的内部沟通、交流、互动能力，要比那些虽然拥有一批高水平尖子但不能有效交流的团队更有执行力。
表6 复合载荷试验加载条件及试验结果
（1）设计的新型焊接堵头结构可以满足不同规格套管焊接要求，确保焊接强度。提高了焊接堵头的利用率，有效降低了试验成本。
（2）高钢级套管与堵头焊接需进行严格的焊前预热及焊后热处理，避免焊接裂纹。
（3）小尺寸及全尺寸实物试验结果表明，本设计的全尺寸试样制备方法能够满足高钢级套管全尺寸实物评价要求。
在《香蜜沉沉烬如霜》中，原本认为杨紫颜值配不上剧中女主锦觅“绝色美人”设定的网友后来都纷纷被杨紫的演技圈粉。一滴落泪，杨紫将与心上人别离的无奈心伤表达得恰到好处；一声轻笑，将被爱人误解拒绝的心碎发挥得淋漓尽致。粉丝留言说，“被杨紫的演技虐到心痛！”“我要吹爆杨紫演技。”
联系客服
