1、前言

上世紀(jì)70年代，在歐洲的一些天然氣井中，為防止CO2腐蝕，采用9%Cr和13Cr%不銹鋼制作油井管；美國的油氣井也采用這種高鉻不銹鋼的油井管；后來，在API 5CT標(biāo)準(zhǔn)1988版中，補(bǔ)充了耐腐蝕油井管鋼種，如C-75鋼級增加了9Cr和13Cr兩個馬氏體不銹鋼鋼種；C-90增加了兩個鋼種。

上世紀(jì)90年代初，隨著天津大無縫全流程項目（電爐+連軋管+熱處理+螺紋加工）建成投產(chǎn)和寶鋼140機(jī)組品種的開發(fā)，油井管的生產(chǎn)得到了快速的發(fā)展，不斷地滿足了國內(nèi)油田開發(fā)的需要。 90年代后期，隨著我國油氣資源向著深井、復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域開發(fā)，油田向油井管生產(chǎn)企業(yè)提出了抗二氧化碳用的13Cr不銹鋼管需要，值此，也拉開了我國油氣用不銹鋼管開發(fā)的序幕。

2、我國油氣井用管發(fā)展簡況

2.1 中國油氣井管發(fā)展歷程

中國油氣井管生產(chǎn)有60多年的歷史。新中國建立以來，從1954年鞍鋼生產(chǎn)的 根無縫油管至今，中國油井管發(fā)展大致分為四個階段。

階段為1954 -- 1985年

鞍鋼、包鋼和成都無縫鋼管廠相繼生產(chǎn)油井管。生產(chǎn)初期，鞍鋼的油管產(chǎn)品按照鞍標(biāo)和冶標(biāo)（與原蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)等效）交貨。上世紀(jì)70年代原冶金部參照API標(biāo)準(zhǔn)，制定并頒布了“石油套管”部頒標(biāo)準(zhǔn)YB690-1970和“石油對焊鉆桿、鉆鋌、方鉆桿管材”部頒標(biāo)準(zhǔn)YB691-1970。成都無縫鋼管廠和包鋼參照上述標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)套管和對焊鉆桿（包鋼只生產(chǎn)套管）。80年開始鞍鋼、包鋼和成都無縫鋼管廠開始按照API標(biāo)準(zhǔn)試制和批量生產(chǎn)油井管。在這一階段，上述三個廠為大慶、勝利、大港及四川等油田開發(fā)的油井管產(chǎn)品主要是DZ40、DZ50和DZ55等低鋼級產(chǎn)品（碳錳鋼，包鋼的鋼種里加入了量的鈮和稀土）。盡管是油井管的低端產(chǎn)品，但由于當(dāng)時的冶煉、軋制、熱處理和管加工裝備水平較低，產(chǎn)品表面質(zhì)量、尺寸精度和螺紋加工質(zhì)量等都難以滿足油田要求。

第二階段為1986年-- 1991年

寶鋼從國外引進(jìn)的Φ140mm全浮動芯棒連軋機(jī)組建成投產(chǎn)（可生產(chǎn)油管和5 1/2〞套管），使國內(nèi)油井管生產(chǎn)的裝備水平有了突破性的進(jìn)展，但由于受機(jī)組的規(guī)格所限，僅能為油田提供少部分規(guī)格和品種。從1986年1月起，原冶金部正式宣布廢除YB690-1970和YB691-1970等標(biāo)準(zhǔn)，一律改用等同API標(biāo)準(zhǔn)的YB/T和GB3303-1982系列標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)油井管。1990年4月，成都無縫鋼管廠在國內(nèi) 個通過美國石油學(xué)會頒發(fā)的API 5CT 5B、5D（7）會標(biāo)許可證。但由于國內(nèi)鋼管企業(yè)的整體水平仍較低，不能滿足油氣行業(yè)快速發(fā)展的需要，至1991年中國油井管產(chǎn)量僅13.67萬噸，國產(chǎn)化率僅13.54%。產(chǎn)品主要采用以碳錳鋼生產(chǎn)的J55鋼級的油套管，N80鋼級的油套管還處在研制階段。

第三階段1992年-2012年

隨著中國經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展的快車道，對石油需求不斷增加，推動了石油工業(yè)的快速發(fā)展，同時也拉動了油井管等能源用管需求的快速增長。另外，天津鋼管公司（天管集團(tuán)前身）從國外引進(jìn)的Φ250MPM機(jī)組的建成投產(chǎn)（現(xiàn)代化的全流程專業(yè)化油井管生產(chǎn)企業(yè)），一舉改變了中國油井管生產(chǎn)裝備及工藝的落后局面。之后又建成三條PQF三輥式高精度連軋管機(jī)組，這種機(jī)型代表了當(dāng)今世界無縫鋼管軋制技術(shù)的 水平。這期間國內(nèi)一些企業(yè)（包括寶鋼、成都無縫、衡陽鋼管、包鋼、西姆萊斯、安徽天大等）陸續(xù)投資新建了一批現(xiàn)代化的軋機(jī)并改造或新建了熱處理線和管加工線，使中國油井管整體制造水平有了大幅度提高，油井管產(chǎn)量迅速增長。

在這一階段，中國油井管無論在產(chǎn)量、質(zhì)量和品種上，都基本滿足了國內(nèi)油田用管的需求，還大量出口到國外。2004年，中國油井管進(jìn)口量為32.20萬噸，出口量為33.23萬噸，實現(xiàn)了油井管的凈出口。2008年中國油井管產(chǎn)量達(dá)到了630萬噸，出口333萬噸，進(jìn)口24.57萬噸，凈進(jìn)口308萬噸，國產(chǎn)化率達(dá)到95.5%。

第四階段2013年及以后

隨著中國經(jīng)濟(jì)步入中高速發(fā)展，和非石化能源快速發(fā)展以及中國油氣行業(yè)開發(fā)增長呈下降趨勢（油氣用管表觀消費已達(dá)到峰值），其中石油開采呈現(xiàn)下降的趨勢（石油資源枯竭），石油管材的需求量不斷下降。未來中國油氣工業(yè)的發(fā)展是向著頁巖氣、煤層氣、海洋油氣（包括可燃冰）等資源開發(fā)。

金屬材料的性能

金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機(jī)械性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。

3.1機(jī)械性能

（一）應(yīng)力的概念,物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力稱為工作應(yīng)力，在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力（例如組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力…等等）。

（二）機(jī)械性能,金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能（也稱為力學(xué)性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜態(tài)載荷，也可以是動態(tài)載荷，包括單獨或同時承受的拉伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及摩擦、振動、沖擊等等，因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項：

3.1.1.強(qiáng)度

這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的 能力，可分為抗拉強(qiáng)度極限（σb）、抗彎強(qiáng)度極限（σbb）、抗壓強(qiáng)度極限（σbc）等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗進(jìn)行測定，即把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂，測定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有：

（1）強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的 應(yīng)力，一般指拉力作用下的抗拉強(qiáng)度極限，以σb表示，如拉伸試驗曲線圖中 點b對應(yīng)的強(qiáng)度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關(guān)系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa。

（2）屈服強(qiáng)度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖然應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形。產(chǎn)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限，用σs表示，相應(yīng)于拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服點，而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點，從而難以根據(jù)屈服點的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。屈服極限指標(biāo)可用于要求零件在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強(qiáng)比（即σs/σb）要小，以提高其可靠性，不過此時材料的利用率也較低了。

（3）彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù)原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的 應(yīng)力即為彈性極限，相應(yīng)于拉伸試驗曲線圖中的e點，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe為保持彈性時的 外力（或者說材料 彈性變形時的載荷）。

（4）彈性模數(shù)：這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力σ與應(yīng)變δ（與應(yīng)力相對應(yīng)的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α為拉伸試驗曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指標(biāo)（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。

3.1.2.塑性,

金屬材料在外力作用下產(chǎn)生 變形而不破壞的 能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標(biāo)距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x，這是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標(biāo)距長度L1與試樣原始標(biāo)距長度L0之差（增長量）與L0之比。在實際試驗時，同一材料但是不同規(guī)格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長度）的拉伸試樣測得的延伸率會有不同，因此一般需要特別加注，例如常用的圓截面試樣，其初始標(biāo)距長度為試樣直徑5倍時測得的延伸率表示為δ5，而初始標(biāo)距長度為試樣直徑10倍時測得的延伸率則表示為δ10。斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x，這是拉伸試驗時試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口細(xì)頸處小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實用中對于常用的圓截面試樣通?？赏ㄟ^直徑測量進(jìn)行計算：ψ=[1-(D1/D0)2]x，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處小直徑。δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。