(1. 중국 석유화학공학기술연구원, 베이징100101;
2. 중국 유씨대학교, 베이징 102249)
본 논문에서는 확장 가능한 솔리드 튜브 재료의 특성에 대한 이전 연구와 분석을 바탕으로, 현장 수요와 결합하여 확장 가능한 벨로우즈의 다양한 재료 조성 및 성능 요구 사항에 대한 매칭 문제를 중점적으로 연구한다. 재료의 미시적 관점에서 팽창 벨로우즈의 강도 향상을 제한하는 핵심 요소를 분석하고 팽창 벨로우즈 재질 구성 요소 제어에 대한 요구 사항을 제시했습니다. 이를 바탕으로 확장 벨로우즈 제조시 페라이트-마르텐 사이트 듀플렉스 강 재료의 적용 가능성과 우수성이 분석됩니다. 이것은 팽창 벨로우즈에 적합한 새로운 재료를 더 탐구하는 데 중요한 영감을 주며, 확장 벨로우즈의 적용 범위를 다음 단계로 확대할 수 있는 토대를 마련합니다.
팽창 벨로우즈 재료; 화학 성분 및 기계적 성질 쌍상강
확장 가능한 골판지 라이너 재료의 성능 분석
그리고 새로운 적용 가능한 자료를 탐구하십시오.
류샤오단 1, 2, 도살구꽃 1, 우신명 1
(1. 중국석화석유공학연구원, 베이징 100 10 1
중국; 2. 중국 석유대학, 베이징 102249, 중국)
이 글은 과거 솔리드 팽창관 재료 연구를 바탕으로 현장 요구와 결합해 확장 가능한 파문 안감 재료의 구성과 성능 간의 관계를 구체적으로 연구했다. 확장 가능한 주름진 안감의 강도 향상을 제한하는 핵심 요소를 분석했습니다. 또한 더 높은 전선관 강도를 얻기 위해 재질 구성요소를 제어하는 방법도 제공합니다. 따라서 철소체-마르텐 사이트 쌍상강이 팽창할 수 있는 주름진 안감을 만드는 데 쓰이는 적용성과 장점도 입증됐다. 이것은 새로운 적용 가능한 자료를 더 탐구하는 데 도움이 될 것이다. 이것은 또한 팽창형 라이닝의 광범위한 응용을 위해 준비되었다.
키워드 확장 가능한 골판지; 재료; 화학 성분 기계적 성능 쌍상강
팽창 벨로우즈 기술은 러시아 석유공학 분야 최초의 전선관 보조금 기술 중 하나이다. 튜브의 횡단면은 주름이나 매화 꽃잎 모양이다. 튜브는 냉압 가공을 사용하여 파이프 세그먼트의 외부 지름을 줄이고, 작업 시 대상 세그먼트가 위쪽 전선관 또는 육안으로 들어가도록 한 다음 수력과 기계적 팽창을 통해 튜브로 되돌아가 외부 손상 슬리브를 복구하고 지층 운반 능력을 높이며 복잡한 지층을 막는 목적 [1] 을 달성합니다. 팽창 벨로우즈 기술 적용 분야가 점차 확대됨에 따라 고강도, 고가소성, 안정성이 높은 팽창 벨로우즈를 개발할 필요가 있다. 튜브는 팽창 벨로우즈의 강도와 성능에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나로 간주됩니다. 이 글은 재료 성분과 성능 요구 사항의 일치를 연구하였다. 팽창 벨로우즈 재질의 주요 제어 요소를 분석하여 핵심 요소 간의 상호 작용을 연구하여 팽창 벨로우즈 재질 선택의 기본 원칙을 제시했습니다. 이를 바탕으로 확장 벨로우즈 제조시 페라이트-마르텐 사이트 듀플렉스 강재의 적용 가능성을 예비 탐구했다. 확장 벨로우즈의 새로운 적용 가능한 재료를 더 자세히 탐구하기 위한 참고 자료를 제공하여 새로운 연구 아이디어를 계발하다.
1 팽창 벨로우즈의 재료 성능 분석 및 조성 제어
지금까지 팽창 벨로우즈의 엔지니어링 응용은 큰 진전을 이루었지만 복잡한 지질 및 엔지니어링 환경에서 석유 탐사 및 개발의 요구를 충족시킬 수는 없습니다. 재료 선택, 용접 기술 및 가공 장비의 제한으로 인해 고성능 팽창 벨로우즈를 얻기가 어렵습니다. 따라서 가공 및 시공 프로세스의 관점에서 팽창 벨로우즈의 성능 요구 사항을 분석하고 재질 구성 요소 제어에 대한 요구 사항을 제시할 필요가 있습니다.
1. 1 팽창 벨로우즈 재질 특성 분석
현재 국내의 팽창 벨로우즈는 모두 튜브 냉압 성형으로, 목적층으로 내려간 후 유압과 기계적 수단을 통해 튜브로 팽창해야 한다. 따라서 파이프는 다음 요구 사항을 충족해야 합니다. (1) 소성 변형 능력이 우수합니다. (2) 인장 강도가 높다. (3) 항복 강도가 낮다. (4) 높은 가공 경화 지수. 또한 확장 벨로우즈는 시공 현장에서 용접해야 하므로 파이프 라인의 현장 용접 성능이 우수해야 합니다. 데이터 분석에 따르면 C 당량은 0.46% 이내로 제어해야 합니다 [2]. 따라서 현재의 시공 공정 조건 하에서 팽창 벨로우즈 재질은 일반적으로 저합금 고강도 강철 또는 미세 합금강 [3] 입니다. 미세 입자 강화는 저합금 고강도 강철과 미세 합금강의 주요 강화 방법이다. 구체적인 방법은 합금화 방면에서 소량의 강탄화물 형성 원소 Nb, V, Ti 등을 미세합금화하는 것이다. 성형 기술은 주로 (1) 최종 압연 온도와 압연 후 냉각 속도를 제어하여 오스테 나이트 재결정 결정립 및 냉각 철소체 결정립 미세화 (2) 초 미세 입자는 순환 열처리를 통해 얻어진다. (3) 빠른 오스테 나이트 화 다단 열처리 등. 결정립 미세화의 강화 효과는 Hall-Petch 방정식 [4] 으로 나타낼 수 있습니다.
탄화수소 축적 이론 및 탐사 및 개발 기술 (5)
여기서 σy 는 항복 응력입니다. σ0 은 격자 마찰입니다. K 는 상수입니다. D 는 입자 지름입니다.
저탄소 강철의 실험 결과에 따르면 결정립 미세화는 가공 경화 지수 N 을 낮추는데, 그 관계는 다음과 같습니다.
탄화수소 축적 이론 및 탐사 및 개발 기술 (5)
결정립 미세화는 재료의 강도를 높이고 재료의 굴강비를 높여 재료의 가공경화 지수를 낮춘다는 것을 설명한다. 위에서 언급한 팽창 벨로우즈의 특수한 성능 요구 사항에 따라 재질의 화학 성분과 파이프 압연 및 열처리 공정을 엄격하게 제어하여 파이프의 성능이 합리적인 범위 내에서 제어되도록 해야 합니다.
1.2 팽창 벨로우즈의 재료 조성 제어 요구 사항
위에서 설명한 팽창 벨로우즈 재질의 특수 성능을 분석하여 벨로우즈의 구성 요소를 합리적으로 제어하는 것이 성능 요구 사항을 제어하는 핵심 요소라고 판단했습니다. 앞서 언급했듯이 팽창 벨로우즈의 재질은 일반적으로 저합금 고강도 강철 또는 미세 합금강으로, 탄소 함유량은 일반적으로 0.2% 이내로 제어됩니다. 이때 강관은 인성이 좋고 연신율이 높아 냉압 성형에 적합하다. 미시적으로 볼 때, 망간은 약한 탄화물 형성 원소로, 소량의 탄소체에 용해되며, 대부분 철소체에 용해되며, 철소체에 뚜렷한 용액 강화 작용을 하여 강철의 강도를 높이고 황의 악영향을 약화시키고 제거하며, 강철의 담금질성을 높이고, 재료의 굴강비를 낮출 수 있다. 망간 함량이 낮을 때 (일반적으로 1% ~ 1.5% 미만) 강철의 충격 인성은 망간 함량이 증가함에 따라 증가합니다. 플루토늄 함량이 1% ~ 1.5% 보다 크면 충격 인성은 플루토늄 함량이 증가함에 따라 현저하게 감소한다. 또한 플루토늄 함량이 너무 높으면 강철의 냉열 민감성 지수가 증가하여 용접 인성 [3] 을 낮출 수 있습니다. 탄소 함량이 0.2% 미만이면 1% ~ 2% 범위 내에 있으며 강철의 용접성에 큰 영향을 주지 않습니다. 따라서 팽창 벨로우즈 재질의 플루토늄 함량은 가능한 2% 이내로 조절해야 합니다. 실리콘은 용액 강화작용이 뚜렷한 원소로, 재료의 Si 함량을 높이면 재료의 굴강비를 낮출 수 있지만, Si 함량이 너무 높으면 강철의 용접성이 현저히 낮아질 수 있으므로 Si 함량도 일정 범위 내에서 제어해야 한다. 또한 적절한 합금 원소 (예: Cr, Mo) 를 추가하여 강철의 담금질성을 높이고 강철의 굴강비를 낮출 수 있습니다. 황과 인은 강철의 유해한 불순물 원소로, 강철의 소성과 인성을 낮추고 용접성을 악화시킨다. 강철의 S 와 P 함량을 낮은 범위 내에서 조절할 필요가 있다.
2 상 강철로 제조 된 팽창 벨로우즈의 적용 가능성 분석
2. 1 이중상 강 재료의 장점과 응용
쌍상강은 강한 플라스틱 일치와 냉변형 성능을 가지고 있다. 쌍상강은 일반적으로 사용되는 저합금 고강도 강보다 동일한 강도 등급에서 낮은 항복 비율, 더 높은 연신율 및 더 높은 가공 경화율을 가지고 있습니다. 이러한 특징들은 특히 냉발, 냉간 압연, 냉펀치 등 냉형 성형에 적합한 양호한 성형성을 제공합니다 [5]. 기존의 저합금 고강도 강철에 비해 쌍상 강철의 인장 강도가 높고, 굴강비가 낮으며, 뚜렷한 항복 플랫폼이 없다. 이는 일반적인 저합금 고강도 강철이 철소체, 펄라이트, 탄화물, 철소체의 질화물 석출로 이루어져 있기 때문이다. 그 강화 메커니즘은 일반적으로 전위 운동을 방해하는 용액 강화와 미세 입자 강화 위주로 높은 항복 강도와 뚜렷한 항복 플랫폼을 만들어 내기 때문이다. 쌍상 강철의 경우 쌍상 영역 부분 오스테 나이트 화 과정에서 C, Mn 및 기타 합금 원소가 오스테 나이트에 모여 페라이트가 순수 매트릭스가 되고 오스테 나이트가 마르텐 사이트 변형 후 부피가 3 ~ 8% 팽창하며 마르텐 사이트 및 페라이트 계면 근처에서 많은 고밀도 이동 전위가 유발됩니다. 이러한 착동전위는 낮은 외부 응력 하에서 이동하여 재질을 굴복시킬 수 있으며, 강한 마르텐 사이트의 존재는 막힌 끝의 응력 집중을 조정할 수 있으므로 쌍상강입니다. 또한 쌍상강의 합금 함량이 낮기 때문에 용접 성능이 우수합니다. 동시에 쌍상강 생산 공정은 간단하고 비용이 저렴하며 확장 가능한 벨로우즈인 재료는 넓은 발전 공간을 가지고 있다.
쌍상강은 우월한 역학 성능으로 석유공학 연구원들의 큰 흥미를 불러일으켰다. 2007 년 야마자키 등은 쌍상 이음매없는 강관을 솔리드 팽창관으로 사용하는 미국 특허를 발표했습니다. 이 중 열연 이음매없는 강관은 일반 열처리 또는 쌍상 열처리 공정 [6] 을 사용합니다. 표 1 은 실험용 강관의 화학성분을, 표 2 는 각기 다른 열처리 공정 후 실험용 강관의 현미조직과 역학 성능을 보여준다. 표 2 에서 볼 수 있듯이 화학성분이 같은 강관은 쌍상 열처리와 일반 열처리를 거친 후 쌍상 열처리 후 강철의 굴강비가 낮아지고 균일한 신장률과 단후 신장률이 증가한다.
표 1 시험강의 화학성분 질량점수
표 2 시험 강관의 기계적 성질
그림 1 2 상 열처리 공정 다이어그램
2.2 듀플렉스 스틸 직선 용접 용 팽창 벨로우즈
이음매가 없는 강관보다 직선 용접관은 벽 두께가 균일하고 타원도가 높은 특징을 가지고 있어 구조적으로 팽창 벨로우즈를 만드는 데 더 적합하다. 기존 보도에 따르면 현재 쌍상강 직선 용접관을 획득한 것은 두 가지 생산 공예가 있다. 한 가지 공예는 쌍상 강판으로 직접 말려 강관으로 용접하는 것이다. 이 과정에서 튜브를 말아서 용접해야 한다. 용접 과정에서 열은 용접 열 영향 영역의 구조를 변경하여 역학 성능 변화, 용접 영역 강도 증가, 플라스틱 감소, 용접 파이프 주위의 조직 및 역학 성능이 불연속적입니다. 또한 압연 강판의 소성 변형 과정은 용접 파이프에 가공 경화 효과를 줄 뿐만 아니라, 원판에 대한 용접 파이프의 균일한 연신율도 낮추고, 변형 과정에서 발생하는 잔여 응력도 용접 파이프의 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다. 또 다른 공예는 일반 철소체-주광체 강판을 박벽관으로 용접한 다음 열처리하여 쌍상 조직을 얻는 것이다. E.J.Pavlina 등은 사용 후 공정을 통해 철소체와 마르텐 사이트가 있는 쌍상 강관을 개발하는 데 성공했다. 실험에서 저자는 먼저1019 (FE-0.19C) 합금 시트 (미세 구조가 철소체-펄라이트) 를 구부려 얇은 벽관으로 용접했습니다. 을 눌러 섹션을 인쇄할 수도 있습니다 그런 다음 강관을 완전히 어닐링한 다음 감지 코일을 사용하여 강관을 임계 온도 영역으로 가열하고 등온 담금질을 하여 철소체-마르텐 사이트 쌍상 조직을 얻습니다. 열처리 공정은 그림 1 과 같이 열처리 후 강관 용접 및 본체 영역의 미세 구조가 그림 2 에 나와 있습니다. 분석에 따르면 용접 영향 영역의 구성 및 성능은 강관의 다른 부분과 거의 동일합니다. 작가는 또한 시험 제작된 쌍상 직선 바느질 강관에 대해 유압 팽창형 실내 실험을 진행했다. 관내 수압이 54.4MPa 에 도달하면 강관체가 폭발하지만 용접은 손상되지 않아 직립 강관체의 역학 성능이 강관체 [7] 보다 우수하다는 것을 알 수 있다.
그림 2 쌍상 열처리 후 Fe-0. 19c 직선 강철 파이프의 쌍상 조직
2.3 패키지 싱 효과 분석
쌍상강의 팽창 과정은 다른 저합금 고강도 강철에 비해 재료의 포신저 효과에 뚜렷한 억제 작용을 한다. 포싱 효과의 크기는 재료의 성분, 미시 구조, 강도 및 소성 변형과 관련이 있습니다. 이에 따라 Hitoshi Asahi 등은 현미조직이 직선 용접관 포격 효과에 미치는 영향을 상세히 연구했다 [8]. 이 실험은 열연 생산 외경이 194mm 이고 벽 두께가 9.6mm 인 직선 용접 파이프를 사용하여 압연 후 열처리를 진행했다. 표 3 은 실험강의 화학성분을 제시하고 표 4 는 각기 다른 공정으로 생산된 직선 용접관의 현미조직, 포신거 효과비, 압착 압력을 보여준다. 분석에 따르면 포신거 효과 비율이 높을수록 (강관 1 # 과 강관 2 # 의 차이가 22% 에 달할수록 포신거 효과가 작아진다. 표 4 에서 볼 수 있듯이 같은 화학성분인 강관의 (4 #) 포신거 효과가 가장 뚜렷하고, 그 다음은 철소체-주광체 조직 (2 #), 철소체-마르텐 사이트 쌍상 조직의 포신거 효과가 가장 낮다. 저자는 또한 1 # 과 4 # 강관의 팽창 20% 에 대한 내압 실험을 했다. 보셴그 효과가 작기 때문에 가공경화율이 높고 철소체-마르텐 사이트 쌍상 조직의 직선 용접관이 팽창한 후의 내압 강도가 마르텐 사이트 조직의 용접관보다 현저히 높다. 이번 실험은 철소체-마르텐 사이트 쌍상 조직의 팽창관이 포셴거 효과의 영향이 적고 팽창 후 높은 외압 강도를 가지고 있음을 충분히 증명했다. 이를 팽창 벨로우즈 제조에 적용하면 팽창 프로세스 성능을 향상시키고 팽창 벨로우즈 튜브의 강도를 높이는 데 중요한 가치가 있습니다.
표 3 시험 강 화학 성분의 질량 분율
표 4 종 방향 용접 파이프의 미세 구조 및 기계적 성질
3 결론
1) 팽창 벨로우즈 가공 및 사용 중 특수한 요구 사항에 따라 파이프는 인장 강도 및 소성 변형 능력이 높고 항복 강도가 낮으며 가공 경화 지수가 높고 용접 성능이 좋습니다. 이 중 용접 성능은 팽창 벨로우즈 재질의 종합 성능 향상에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나입니다.
2) 팽창 벨로우즈의 성능 요구 사항에 따라 팽창 벨로우즈의 탄소 함량은 일반적으로 0.2% 이내로, Mn 함량은 2% 이내로, S, P 함량은 낮은 범위로 조절해야 합니다.
3) 철소체-마르텐 사이트 쌍상강은 팽창 벨로우즈 재질의 화학 성분 및 역학 성능 요구 사항을 충족합니다. 일반 열연 강관은 임계 영역 열처리를 통해 철소체-마르텐 사이트 쌍상 조직을 얻을 수 있다.
4) 철소체-마르텐 사이트 쌍상 강관은 일반 강관에 비해 굴강비가 낮고, 균일연신율이 높고, 팽창 후 압착강도가 높다는 장점이 있다. 쌍상 강철은 팽창 벨로우즈 재질로 광범위하게 응용할 수 있는 전망을 가지고 있다.
참고
도흥화, 말, 등등. 팽창 벨로우즈 기술 현장 실험 요약 및 기존 문제 분석 [J]. 석유 시추 기술, 2007,35 (4): 63 ~ 66.
주진봉. 용접 야금 (금속의 용접성) [M]. 베이징: 기계공업출판사, 2005.
이정. 고강도 파이프 라인 강 서브 머지 드 아크 용접 용접의 미세 조직 및 물성에 미치는 합금 원소의 영향 [J]. 열간 가공 기술, 20 1 1, 40 (17):/kloc-0
하와프. 금속 기계적 성질에 대한 미세 이론 [M]. 베이징: 과학출판사, 1983.
바르다, 오보영. 쌍상 강-물리적 및 기계적 야금 [M]. 베이징: 야금공업출판사, 2009.
[6] 야마자키 y, 미야타 y, 키무라 m 등. 원활한 팽창성 석유 파이프와 그 제조 방법 [P]. 미국 특허 출원 공개: 미국 2007/01/Kloc-
[7]Pavlina E J, Vantyne C J, Herel K. 새로운 공정으로 생산된 쌍상 강관의 유압 팽창 시험 [J]. 재료 가공 기술 저널, 2008, 20 1, 242 ~;
[8] 아사히 H, 학E. 보셴거 효과 발생률이 낮은 강관강판과 그 제조 방법 [P]. 미국 특허 출원 공개: 미국 2008/0286504a1,2008-/Kloc-0