在高端不锈钢管的开发与应用论坛上，中国钢结构协会钢管分会顾问庄刚对我国石油中不锈钢管的使用发展历史进行了回顾。石油天然气的开发，产品类型，腐蚀环境材料以及油井用不锈钢管的品种开发和生产技术。该报告的内容按读者组织如下。
1.前言
年代，在欧洲的一些天然气井中，为防止CO2腐蚀，使用9％Cr和13Cr％的不锈钢制作油井管；美国的油气井也使用了这种高铬不锈钢油井管；后来，在API5CT标准中，此外，还添加了耐腐蚀的油井管钢种。例如，C-75钢牌号增加了两个马氏体不锈钢牌号9Cr和13Cr；C-90增加了两个钢种。
年代初，随着天津大型无缝全过程项目（电炉+连续轧管+热处理+螺纹加工）的建成投产以及宝钢部机组的发展，油井管的生产迅速发展，继续满足满足国内油田开发需求。在年代后期，随着我国的油气资源向深井和地质条件复杂的地区发展，油田向油井管制造商提出了对13Cr不锈钢管的抗二氧化碳需求。借此机会，我国石油和天然气用不锈钢管的开发也开始了。序幕。
2.我国油气井管发展概况
2.1中国油气井管的发展历史
中国的石油和天然气井管生产已有60多年的历史。新中国成立以来，从年鞍钢生产第一条无缝油管开始，中国的油井油管开发大致分为四个阶段。
第一阶段是年-年
鞍钢，包钢和成都无缝钢管厂相继生产油井管。在生产的初期，鞍钢的油管产品按照鞍钢和冶炼标准（相当于原始的苏联标准）交货。年代，前冶金部参照API标准制定并颁布了《石油套管》部级标准YB-和《石油对接焊钻杆，钻D，凯利管》标准部YB-。成都无缝钢管厂和包头钢铁按照上述标准生产套管和对焊钻杆（宝钢仅生产套管）。年，鞍钢，包头钢铁和成都无缝钢管厂开始按照API标准试生产油井管。现阶段，上述三大厂为大庆，胜利，大港，四川等油田开发的油井管产品主要为低品位产品，如DZ40，DZ50，DZ55（碳锰钢，钢种）。的包头钢中添加了痕量的）。铌和稀土）。尽管它是油井管的低端产品，但由于当时用于熔炼，轧制，热处理和管材加工的设备水平较低，因此该产品的表面质量，尺寸精度和螺纹加工质量难以确定。满足油田要求。
第二阶段是年至年
宝钢从国外进口的Φmm全浮式芯棒连续轧机建成投产（可生产油管和51/2“套管），在国内油井管生产设备水平上实现了突破。年1月起，原冶金部正式宣布废除YB-和YB-等标准，并使用符合API标准的YB/T和GB-系列标准生产的油井管年4月，成都无缝钢管厂通过了美国石油学会颁发的API5CT5B，5D（7）会标许可证。但是，由于国内钢管企业的整体水平，它相对较低，不能满足石油和天然气工业快速发展的需要，到年，中国的石油井管生产产量仅为13.67万吨，国产化率仅为13.54％。该产品主要使用J55钢级油管和碳锰钢制成的套管，而N80钢级油管套管仍处于开发阶段。
第三阶段-
随着中国经济进入快速发展的快车道，对石油的需求持续增长，促进了石油工业的快速发展，同时带动了对油井管等能源需求的快速增长。管道。此外，天津钢管公司（天冠集团的前身）（一家现代化的全过程专业油井管生产企业）从国外进口的ΦMPM装置的建成投产，改变了中国油井管生产设备的落后局面。一举将技术推向高潮。之后，建造了三台PQF三辊高精度连续管轧机。该模型代表了当今世界无缝钢管轧制技术的最高水平。在此期间，一些国内企业（包括宝钢，成都无缝钢管，衡阳钢管，包头钢铁，西姆勒，安徽天大等）先后投资了一些现代化的轧钢厂，并改造或新建了热处理线和管材加工。线。中国油井管的整体制造水平得到了很大提高，油井管的产量迅速增长。
在现阶段，中国的油井管无论从产量，质量还是品种上都已经基本满足了国内对油田管的需求，并且大量出口到国外。年，中国油井管进口量为32.2万吨，出口量为33.23万吨，实现了油井管净出口。年，中国油井管产量达到万吨，出口万吨，进口24.57万吨，净进口万吨，国产化率达到95.5％。
年第4阶段及以后
随着中国经济进入中高速发展，非石化能源的快速发展和中国石油天然气工业的发展呈现下降趋势（油气管道表观消费量已达到峰值），而石油产量则呈下降趋势（石油资源枯竭）。对石油管道的需求持续下降。中国石油和天然气工业的未来发展将朝着开发页岩气，煤层气和海上油气（包括可燃冰）等资源的方向发展。
2.2油气井油管产品
2.2.1API5CT标准中套管和钢管的钢种包括：
第一组（中低强度套管）：
H40，J55，K55，N80-1，N80-Q，R95
第二组（屈服强度有限，适用于抗硫，氢应力或二氧化碳腐蚀环境的管材和套管）：
M65，L80-1，L80-9Cr，L80-13Cr，C90，T95，C
第三组（高强度油管和套管）：
P
第四组（高强度管子和套管，以限制硬度波动）：
Q
2.2.2
非API5CT标准套管和油管钢牌号包括：
、、、、等。
表1拉伸强度和硬度要求
2.2.3APISPEC5CRA-规范，用于套管，管材和连接材料的耐腐蚀合金无缝钢管
本标准提供了在酸性石油和天然气井中使用的耐腐蚀合金无缝套管的性能要求和建议，适用于高CO2/H2S或H2S含量的石油和天然气环境。规定了耐腐蚀合金无缝管的尺寸，形状，技术要求，试验方法，检验规则，包装和贮存方法。
该标准的目的是为耐腐蚀合金无缝管提供一个标准，该无缝管具有更好的耐腐蚀性，适用于石油和天然气行业的套管和油管。它还包括选择和评估在高CO2/H2S或H2S的石油和天然气勘探和开发环境中使用的耐腐蚀合金设备材料的要求和建议。
该标准规定了套管和管材用耐腐蚀合金材料的基本理化性能，在CO2/H2S腐蚀介质下硫化物应力开裂，应力腐蚀开裂和氢致开裂的耐蚀性评估方法以及交货技术指标。
该标准中包括的材料钢等级为：65、80、95、、、。
标准中包括的材料类型分为4组：
第1组------马氏体或马氏体/铁素体不锈钢;
第2组------铁素体-奥氏体不锈钢（双相钢或超双相钢）;
第3组------铁基奥氏体不锈钢;
第4组------奥氏体镍基合金。
表2耐蚀合金的化学成分
3.油气田腐蚀性环境的选择
我国大部分的石油和天然气资源都含有H2S或/和CO2。其中，有些油气井仅含有硫化氢或二氧化碳，而更多的油气井则含有硫化氢和二氧化碳。
关于仅含H2S的腐蚀和防护问题，在国内外已有50多年的大量研究。腐蚀机理和规律比较明确，腐蚀控制方法和防护措施比较成熟。NACEMR/ISO已在国际上形成。标准和规范，我国也有石油工业标准SY/T。
在过去的20年中，在高温高压条件下对CO2腐蚀机理和防护措施的研究取得了许多成就。但是，对于同时存在硫化氢和二氧化碳的腐蚀机理和腐蚀规律的研究，由于硫化氢和二氧化碳之间的复杂相互作用，还没有形成一个较为完整的理论体系，而且还存在许多理论和技术问题。有待深入研究。
自本世纪初以来，世界各地陆续开发了一些严重腐蚀的油气田。外国加大了研究和开发耐腐蚀的油井管的力度，这些油井管可抵抗CO2，CO2，H2S和Cl-（当然还有H2O）的共存。
对于抗CO2腐蚀，APISpec5CT列出了两种钢种L80-9Cr和L80-13Cr，并且每个制造商都建立了自己的非API钢种系列。如日本的JFE，住金，国内的天冠集团，宝钢等。
当CO2和H2S共存或H2S分压不是关键但Cl-高时，13Cr钢（包括超级13Cr钢）不能满足要求，22Cr双相不锈钢（ASF）或25Cr超级双相不锈钢，甚至是高-Ni，Cr含量超过20％且Ni含量超过30％的Cr不锈钢以及Ni基和FeNi基合金（例如G3、和）都应使用。
塔里木油田某井油管的CO2腐蚀形态
塔里木和川渝井的CI含量极高，因此在选择油管和套管材料时应特别注意NKK材料选择指南。
NKK的选择指南表明，22Cr双相不锈钢和25Cr超级双相不锈钢不仅具有比13Cr和超级13Cr油管和套管更好的均匀耐腐蚀性，而且还具有优异的耐点蚀性和一定的SSCC耐性。
JFE的JFE-UHP-15Cr-和JFE-UHP-17Cr-具有比Super13Cr更高的强度和抗CO2腐蚀性，但它们不能在高CI条件下替代双相不锈钢。
新日铁住金的材料选择图
日本JFE公司的材料选择图
4.我国石油天然气井用不锈钢管的品种
4.1开发13Cr系列油气井管
在年代后期，该油田向油井管制造商提出了需要抗二氧化碳腐蚀的13Cr管材料。最初，由于生产过程，技术，毛坯等方面的问题，国产油井管
该产品不能在油田中使用。在本世纪初，经过与油田的协商和技术论证，确定了低铬（3Cr，5Cr）管道的早期开发和缓释剂的使用已经解决了石油对二氧化碳的腐蚀问题。某些区域的井管，但是这种低铬具有抗二氧化碳腐蚀的能力。应用范围受到限制，使用效果也受到限制。年10月，天津钢管成功在号机组上试轧了2Cr13不锈钢管。从年到年，宝钢和天津钢管先后开发了13Cr油管和套管，然后根据油田的需要开发了HP13Cr和SUP13Cr。管道耐二氧化碳腐蚀。
表1主要生产马氏体不锈钢油井管的国内外公司及其主要产品
表2油井管主要化学成分（wt％）
4.2开发双相不锈钢油气井管
当含CO2的油（气）井的温度超过°C时，马氏体不锈钢SUP15Cr无法满足耐蚀性要求，必须使用具有良好的CO2和CI应力腐蚀开裂性的双相不锈钢。目前开发的22Cr和25Cr双相（奥氏体和铁素体）不锈钢适用于℃以上的CO2油气井。化学成分示于表3。
表3双相不锈钢管的化学成分（wt％）
在设计22Cr和25Cr双相钢的化学成分时，请调整Cr和Ni的含量以调整耐蚀性。双相钢由铁素体相和奥氏体相组成，晶粒相互交叉。传统上，由于奥氏体相与铁素体相的比例不同，其耐蚀性也不同。除了双相钢中Cr和Ni的基本成分外，添加Mo和N等元素还可以提高耐点蚀性。除了具有良好的耐高温腐蚀性能外，双相不锈钢还具有比马氏体不锈钢更好的抗H2S应力腐蚀开裂性。在室温下的NACETM-A方法测试中，溶液A中的SMYS为85％。在加载环境中，马氏体不锈钢最多只能通过10KPaH2S分压测试，而双相不锈钢25Cr可以通过KPaH2S分压压力测试。目前，生产双相不锈钢油井管的公司主要包括国外的NSMMC，V＆M和国内的天津钢管和宝钢。主要产品如表4所示。
表4国内外生产双相不锈钢油井管的公司及其主要品牌
4.3镍基合金油气井管的开发
相关研究报告指出，镍基系列合金，钴基系列合金和钛基系列合金都是用于高H2S，CO2和CI高温环境的超深井气田的良好材料。考虑到资源和经济利益，大多数将镍基合金用作耐腐蚀合金。测试的耐腐蚀项目包括：酸洗后的点蚀，一般腐蚀，应力腐蚀开裂敏感性等。应力腐蚀测试包括四点弯曲试样的检查，C型和双悬臂梁断裂试样的检查以及在模拟条件下进行测试。最后，根据实验数据，井底温度条件和破坏变化，确定最佳的耐蚀合金。表5列出了几家主要钢管公司的耐腐蚀合金（CRA）产品。
表5国内外主要公司镍基合金油气井管主要组成
5.我国油气井用不锈钢管的生产技术
5.1确定轧制过程
在欧洲，美国和日本等发达国家的不锈钢无缝管生产中，挤压管占67％，冷轧（拉制）管占33％。这个比例在我国正好相反，冷轧（拉制）管的比例甚至更高。产生这种现象的原因是，在我国早期没有挤出装置，而是采用了“横轧穿孔+冷轧（拉伸）”工艺。该工艺已经使用了数十年，工艺成熟，生产成本低，产率较高。高。尽管长城特钢后来引入了挤出装置，但由于坯料的单位重量的限制，挤出管的长度和外径也受到了限制。在年代初期，有关国内资料报道日本成功地使用热轧机轧制不锈钢。在年代后期，油田对耐二氧化碳的13Cr套管提出了要求。为了开发不锈钢管，天冠公司使用穿孔机将mm的不锈钢毛细管穿孔并轧制。年，通过穿孔+连续轧机对2cr13不锈钢管进行了试轧。在这种情况下，使用热连轧机轧制一些不锈钢。已经建立了管理品种的想法。在本世纪初，天冠集团在新建的机组设计中将不锈钢品种纳入了设计计划，从而在设备设计中提高了设备性能，例如打孔机的电机功率和传递扭矩。之后，分别建造台，台，宝钢台和宝钢台改造，都考虑了不锈钢产品的轧制，从而提高了设备的生产能力。
5.2国内外热轧不锈钢管（高合金管）机组
国际知名的钢管公司使用现有的热轧钢管单元来不同程度地生产不同类型的不锈钢管和高合金管。
国内外主要厂家的机组类型和产品类型
5.3各类不锈钢油气井管的生产工艺
（1）13Cr系列不锈钢
锻件和轧件（去皮，定心孔）-加热-穿孔-连续轧制-上浆-冷却-切割头-进行热处理
淬火回火热定型热矫直喷丸缺陷检测水压丝加工检查包装
（2）双相不锈钢
锻造和轧制件（去皮，定心孔）-加热-冲孔-连续轧制-冷却-切割-送头热处理
固溶处理-热定型-热矫直-喷丸-缺陷检测-水压螺纹加工-检验包装
（3）镍基合金
锻造毛坯（去皮，钻通孔）-加热润滑，铰孔-加热润滑，挤压固溶处理-冷轧缺陷检测-液压线加工-检验包装
5.4与过程有关的困难
（1）环形炉加热方法及注意事项
目前，国内所有生产油井管用不锈钢的公司都使用环形加热炉。环形炉适用于生产无缝钢管。用于加热不锈钢。容易氧化管坯并导致加热不均匀。因此，加热过程中应注意以下几点：
在确保天然气完全燃烧的前提下，加热段应尽可能降低过量空气系数，以确保炉内较弱的氧化气氛，而均热段的过量空气应稍高些，以确保炉膛内的空气充分燃烧。产生的氧化皮的可去除性；
钢坯在加热区和均热区的加热温度不得超过目标温度的控制范围，否则铁素体含量会急剧增加，从而影响热加工性和表面缺陷；
不锈钢管坯导热系数低，膨胀系数大。要求将加热速度严格控制在度以内，温度不能太快，否则容易开裂；
将不锈钢管坯装入炉中后，炉中其他碳钢的出铁节奏应基于确保不锈钢管坯的每个部分都在炉中以确保必要的加热时间的原则。各段不锈钢管坯；
确保生产顺利进行，防止管坯在炉内放置太长时间，以及防止过热和燃烧等发热问题；
（2）优化穿孔过程中的金属变形条件
从两辊穿孔机的发展过程来看，它经历了从桶形辊到锥形辊穿孔机的演变。在穿刺过程中，金属流速也从“小-大-小”（使金属产生更大的扭转变形）不合理的状态，变为金属流速逐渐增加（金属扭转大大减小）的合理状态。这些变化有利于可塑性较低的不锈钢管坯的穿孔，并减少了缺陷的发生。
穿孔器能力指数的评估不仅是伸长率的增加，而且是穿孔器穿孔和轧制合金钢的能力。在两辊穿孔过程中，交替的拉伸应力和压缩应力作用于试管毛坯的中心线区域（从咬合点到尖端的末端），拉伸应力处于垂直于管坯线的平面中动作。前部压头的减少受到临界压降的限制（通常，前部压头的压降范围为4％到9％）。当超过临界减少量时，管的中心将断裂。内部裂纹或空洞出现在试管毛坯的中心，导致毛细管中出现裂纹，褶皱和剥落等缺陷。（宝钢9Cr钢坯的临界还原率实验）
从工艺参数的角度来看，圆锥滚子穿孔机的基本点是两个角度值，即滚动角和进给角。前者是一个单位的固定值，后者是可调的。轧制角和进给角的各种组合将对穿孔过程中的剪切变形产生很大影响。图1和图2说明了桶形辊式穿孔机和改进的锥形穿孔机的多孔毛细管的不同扭曲。
自年代以来，日本住友公司一直在研究使用改进的穿孔机在高合金钢管上穿孔，例如马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢，双相钢和镍基合金。测试结果如图3所示。得出的结论如下：
（1）这台新的轧机可使管坯金属的流动与挤压的流动相同或相似。
（2）采用大轧制角和大进给角的穿孔工艺时，穿孔轧制不锈钢不会产生内孔缺陷。
因此，日本住友将这种圆锥滚子冲孔机称为“SuperPiercer”
图3不同轧制角和进给角组合对高合金管坯料穿孔缺陷的影响
（3）解决滚动问题及通过设计问题
两辊连续轧机在轧制过程中会产生较大的不均匀变形，而塑性差的金属的生产容易出现裂纹。对策是：原则上使用三辊连续管轧机进行生产；特别设计用于不锈钢轧制的通过和速度系统，并避免在轧制过程中“拉伸和堆叠”轧制。
（4）解决工具强度和润滑问题
由于不锈钢的高温强度比碳钢高得多，因此要求滚动工具具有更高的强度和更好的耐磨性。使用常规工具轧制不锈钢存在一系列问题，例如工具寿命短，成本高和钢管质量高。需要改进的主要内容是：
①顶头目前可选择的办法：顶头润滑、顶头材质改变，见表（增加MoW的含量）、使用复合顶头（表面层用Mo基合金，芯部为工具钢）及钼基顶头等。见图5。
②导板或导板：对于易粘在钢上的导板或导板，主要对策是使用具有润滑功能的材料或增加润滑设备，后一种效果更加明显，见图6。国内公司都使用相同的导板润滑系统。
③打孔辊：由于辊的柔软表面和不锈钢表面的高强度，在生产少量不锈钢管后，辊容易打滑。因此，需要改变辊的材料或增加摩擦系数以延长使用时间。图7示出了在生产一定量的13Cr不锈钢管之后辊表面硬度降低的趋势。
④芯棒润滑：为了防止不锈钢管的碳污染和延长芯棒的使用寿命，现有的石墨润滑剂已不能满足要求，因此需要无碳的润滑剂。下表和图8是新的心轴。润滑剂基本成分和使用前后滚动力变化的示意图。
六，结论
近十年来，我国油气井用不锈钢管的研发取得了长足的进步，但与国外先进水平相比仍存在较大差距，还有很多工作要做将来要做。
就品种而言：
双相不锈钢和镍基，铁镍基耐腐蚀合金管和套管已完全定位
H2S+CO2+CI-和S元素共存的经济耐腐蚀合金油井管
开发22Cr和25Cr双相不锈钢之间的经济耐腐蚀合金以及镍基和铁镍基合金
钛合金的应用
衬有镍基和铁镍基合金的双金属复合管和套管
生产工艺：
13Cr钢直接采用连铸坯轧制技术
热轧不锈钢管的加工技术得到进一步发展和改进。
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