Análisis y selección de propiedades materiales de fuelles de expansión.

(1. Instituto de Investigación de Tecnología e Ingeniería Petroquímica de China, Beijing 100101;

2. Universidad China Youshi, Beijing 102249)

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Basado en investigaciones y análisis previos sobre las propiedades de los materiales de los tubos sólidos expandibles y combinados con las necesidades in situ, este artículo se centra en la combinación de diferentes componentes de materiales y requisitos de rendimiento de los tubos corrugados expandibles. . Los factores clave que restringen la mejora de la resistencia de los fuelles de expansión se analizaron desde la perspectiva microscópica del material y se propusieron los requisitos para el control de la composición del material de los fuelles de expansión. Sobre esta base, se analiza la aplicabilidad y superioridad de los materiales de acero bifásico ferrita-martensita en la fabricación de fuelles de expansión. Esto tiene un importante significado esclarecedor para seguir explorando nuevos materiales adecuados para fuelles de expansión y también sienta las bases para ampliar el ámbito de aplicación de los fuelles de expansión en el siguiente paso.

Material de fuelle expandido; composición química y propiedades mecánicas; acero de doble fase

Análisis del rendimiento del material de revestimiento corrugado expandible

y exploración de nuevos materiales aplicables

Liu Xiaodan 1, 2, Tao Xinghua 1, Niu Xinming 1

(1. Instituto de Investigación de Ingeniería del Petróleo de Sinopec, Beijing 100101, China; 2. Universidad del Petróleo de China, Beijing 102249, China)

Basado en investigaciones previas sobre materiales sólidos de tuberías expandibles y combinado con las necesidades in situ, este artículo lleva a cabo un estudio detallado sobre la relación entre la composición y el rendimiento de los materiales de revestimiento corrugado expandibles. Se analizan los factores clave que restringen la mejora de la resistencia del revestimiento corrugado expandible. Al mismo tiempo, también se explica cómo controlar la composición del material para obtener una mayor resistencia de la carcasa. Por lo tanto, esto también demuestra la idoneidad y las ventajas del acero bifásico ferrítico-martensítico para la fabricación de revestimientos corrugados expandibles. Esto facilitará una mayor exploración de nuevos materiales aplicables. Esto también prepara para la amplia aplicación de revestimientos expandibles.

Palabras clave cartón corrugado expandible; material; composición química; propiedades mecánicas; acero de doble fase

La tecnología de fuelles expandidos es una de las primeras tecnologías de subsidio de carcasas en el campo de la ingeniería petrolera rusa. La sección transversal del cuerpo del tubo es ondulada o tiene forma de pétalo de flor de ciruelo. La tubería redonda se procesa mediante prensado en frío para reducir el diámetro exterior de la sección de la tubería para garantizar que la sección del pozo objetivo pase a través de la carcasa superior o a simple vista durante la operación, y luego se restablezca en una tubería redonda mediante expansión hidráulica y mecánica para reparar. La carcasa exterior dañada y mejorar la capacidad de carga de la formación, el propósito de sellar formaciones complejas [1]. Con la expansión gradual del campo de aplicación de la tecnología de fuelles de expansión, es necesario desarrollar fuelles de expansión con alta resistencia, alta plasticidad y alta estabilidad. Se cree que el material de la tubería es uno de los factores importantes que afectan la resistencia y el rendimiento de los fuelles de expansión. Este artículo estudia la combinación de la composición del material y los requisitos de rendimiento. Al analizar los principales factores de control de los materiales de los fuelles de expansión, se estudió la interacción entre los factores clave y se dieron los principios básicos para seleccionar los materiales de los fuelles de expansión. Sobre esta base, se exploró inicialmente la aplicabilidad del acero bifásico ferrita-martensítico en la fabricación de tubos corrugados de expansión. Esto proporciona una referencia para seguir explorando nuevos materiales aplicables para fuelles de expansión e inspira nuevas ideas de investigación.

1 Análisis del rendimiento del material y control de la composición de los fuelles de expansión

Hasta ahora, la aplicación de ingeniería de los fuelles de expansión ha logrado grandes avances, pero aún no puede cumplir con los requisitos de geología e ingeniería complejas. Las necesidades de exploración y desarrollo petrolero en el medio ambiente. Debido a las limitaciones en la selección de materiales, la tecnología de soldadura y los equipos de procesamiento, es difícil obtener fuelles de expansión de mayor rendimiento. Por lo tanto, es necesario analizar los requisitos de rendimiento de los tubos corrugados de expansión desde la perspectiva de la tecnología de procesamiento y construcción, y presentar requisitos para el control de la composición del material.

1.1 Análisis de las características del material de los fuelles de expansión

Actualmente, los fuelles de expansión domésticos se prensan en frío para formar tubos redondos, que deben descenderse hasta la capa objetivo y expandirse hasta formar tubos redondos a través de medios hidráulicos y mecánicos. Por lo tanto, la tubería debe cumplir los siguientes requisitos: (1) buena capacidad de deformación plástica; (2) alta resistencia a la tracción; (3) bajo límite elástico (4) alto índice de endurecimiento por trabajo; Además, dado que los fuelles de expansión deben soldarse en el sitio de construcción, se requiere que la tubería tenga un buen rendimiento de soldadura en el sitio. El análisis de los datos muestra que el equivalente de C debe controlarse dentro del 0,46% [2]. Por lo tanto, en las condiciones actuales de la tecnología de construcción, el material del fuelle de expansión es generalmente acero de baja aleación y alta resistencia o acero de microaleación [3]. El refuerzo de grano fino es el principal método de refuerzo para aceros de baja aleación y alta resistencia y aceros microaleados.

El método específico es: en términos de aleación, una pequeña cantidad de elementos formadores de carburos fuertes Nb, V, Ti, etc. se microalean. La tecnología de formación incluye principalmente: (1) Refinar la austenita controlando la temperatura de laminación final; y velocidad de enfriamiento posterior al laminado Granos recristalizados y granos de ferrita de enfriamiento (2) Obtener granos ultrafinos mediante tratamiento térmico cíclico (3) Tratamiento térmico de múltiples etapas de austenitización rápida, etc. El efecto fortalecedor del refinamiento de granos se puede expresar mediante la ecuación de Hall-Petch [4]:

Teoría de la acumulación de petróleo y gas y tecnología de exploración y desarrollo (5)

Donde: σy es el límite elástico; σ0 es la fuerza de fricción de la red; k es una constante; d es el diámetro de la partícula;

Según los resultados de las pruebas de acero con bajo contenido de carbono, el refinamiento del grano reducirá el índice de endurecimiento por trabajo n, y la relación es la siguiente:

Teoría y exploración y desarrollo de la acumulación de petróleo y gas tecnología (5)

Muestra que el refinamiento del grano mejora la resistencia del material, también aumenta la relación rendimiento-resistencia del material y reduce el índice de endurecimiento por trabajo del material. De acuerdo con los requisitos especiales de rendimiento de los fuelles de expansión mencionados anteriormente, es necesario controlar estrictamente la composición química del material y el proceso de tratamiento térmico y laminado de la tubería para garantizar que el rendimiento de la tubería se controle dentro de un rango razonable.

1.2 Requisitos de control de la composición del material para fuelles de expansión

A través del análisis de las propiedades especiales de los materiales de los fuelles de expansión mencionados anteriormente, se cree que es necesario un control razonable de la composición de los fuelles. un factor clave en el control de sus requisitos de desempeño. Como se mencionó anteriormente, el material de los fuelles de expansión es generalmente acero de baja aleación y alta resistencia o acero de microaleación, y el contenido de carbono generalmente se controla dentro del 0,2%. En este momento, el tubo de acero tiene buena tenacidad y alto alargamiento, lo que lo hace adecuado para el conformado en frío. Desde una perspectiva microscópica, el manganeso es un elemento formador de carburo débil. Una pequeña cantidad es soluble en cementita y la mayor parte es soluble en ferrita. Tiene un evidente efecto fortalecedor de la solución sólida sobre la ferrita, lo que puede mejorar la resistencia del acero. , debilita y elimina los efectos adversos del azufre, mejora la templabilidad del acero y reduce la relación límite elástico del material. Cuando el contenido de manganeso es bajo (generalmente menos del 1% ~ 1,5%), la tenacidad al impacto del acero aumenta con el aumento del contenido de manganeso. Cuando el contenido de manganeso es superior al 1% ~ 1,5%, la tenacidad al impacto disminuye significativamente con el aumento del contenido de manganeso. Además, un contenido excesivo de manganeso aumentará el índice de susceptibilidad al agrietamiento en frío del acero y reducirá la tenacidad de la soldadura [3]. Cuando el contenido de carbono es inferior al 0,2% y el contenido de manganeso está en el rango del 1% al 2%, no tendrá un impacto significativo en la soldabilidad del acero. Por lo tanto, el contenido de manganeso en el material del fuelle de expansión debe controlarse dentro del 2% tanto como sea posible. El silicio es un elemento con un evidente efecto fortalecedor de la solución sólida. El aumento del contenido de Si en el material puede reducir la relación límite elástico del material. Sin embargo, un contenido de Si demasiado alto reducirá significativamente la soldabilidad del acero, por lo que el contenido de Si también es necesario. para ser controlado dentro de un cierto rango. Además, al agregar elementos de aleación apropiados, como Cr y Mo, se puede mejorar la templabilidad del acero y reducir la relación límite elástico del acero. El azufre y el fósforo son impurezas nocivas en el acero. Reducen la plasticidad y la tenacidad del acero y empeoran la soldabilidad. Es necesario controlar el contenido de S y P en el acero dentro de un rango inferior.

2 Análisis de la idoneidad del acero bifásico para la fabricación de fuelles de expansión

2.1 Ventajas y aplicaciones de los materiales de acero bifásico

El acero dúplex tiene buena resistencia Propiedades de plasticidad y deformación en frío. En comparación con los aceros de baja aleación y alta resistencia comúnmente utilizados, los aceros de doble fase tienen relaciones de límite elástico más bajas, mayor alargamiento y mayores tasas de endurecimiento por trabajo al mismo nivel de resistencia. Estas características lo hacen tener una buena conformabilidad y son especialmente adecuados para el conformado en frío, como el estirado en frío, el laminado en frío y el estampado en frío [5]. En comparación con el acero convencional de baja aleación y alta resistencia, el acero de doble fase tiene una alta resistencia a la tracción, una baja relación de límite elástico y ninguna plataforma de rendimiento obvia. Esto se debe a que el acero general de baja aleación y alta resistencia está compuesto de ferrita, perlita, carburo y precipitación de nitruro en ferrita. Su mecanismo de fortalecimiento es generalmente un fortalecimiento de solución sólida y un fortalecimiento de grano fino que dificulta principalmente el movimiento de dislocación, lo que resulta en un mayor límite elástico. y plataforma de rendimiento obvio. Para el acero de doble fase, durante el proceso de austenitización parcial en la zona de doble fase, los elementos de aleación como C y Mn se acumulan en la austenita y la ferrita se convierte en una matriz pura. Después de que la austenita se transforma en martensita, el volumen se expande en 3. % ~ 8%, lo que induce una gran cantidad de dislocaciones móviles de alta densidad cerca de la interfaz entre martensita y ferrita. Estas dislocaciones móviles pueden moverse bajo una tensión externa baja, lo que hace que el material ceda. La presencia de martensita fuerte puede coordinar la concentración de tensión en el extremo obstruido, por lo que el acero de doble fase. Además, los aceros dúplex tienen un bajo contenido de aleación y, por tanto, tienen buenas propiedades de soldadura. Al mismo tiempo, el proceso de producción del acero de doble fase es simple y el costo es bajo. Tiene un amplio espacio de desarrollo como material para fuelles expandibles.

El acero de doble fase ha despertado un gran interés entre los investigadores en ingeniería petrolera debido a sus propiedades mecánicas superiores.

En 2007, Yamazaki et al. publicaron una patente estadounidense que utiliza tubos de acero sin costura dúplex como tubos de expansión sólidos, en los que los tubos de acero sin costura laminados en caliente adoptan un tratamiento térmico convencional o procesos de tratamiento térmico dúplex [6]. La Tabla 1 muestra la composición química de los tubos de acero de prueba y la Tabla 2 muestra la microestructura y las propiedades mecánicas de los tubos de acero de prueba después de diferentes procesos de tratamiento térmico. Se puede ver en la Tabla 2 que después del tratamiento térmico de doble fase y el tratamiento térmico convencional de tubos de acero con la misma composición química, la relación límite elástico-resistencia del acero después del tratamiento térmico de doble fase disminuye y el alargamiento uniforme y Elongación después de la fractura aumenta.

Tabla 1 Composición química fracción de masa del acero de prueba

Tabla 2 Propiedades mecánicas de la tubería de acero de prueba

Figura 1 Esquema del proceso de tratamiento térmico de doble fase

2.2 Fuelles de expansión para soldaduras rectas de acero dúplex

En comparación con los tubos de acero sin costura, los tubos soldados con costura recta tienen las características de espesor de pared uniforme y alta ovalidad, y son estructuralmente más adecuados para fuelles de expansión. Según informes existentes, actualmente existen dos procesos productivos para la obtención de tubos soldados de costura recta de acero dúplex. Un proceso consiste en utilizar placas de acero dúplex directamente engarzadas y soldadas en tubos de acero. En este proceso, es necesario enrollarlo formando un tubo redondo y luego soldarlo. Durante el proceso de soldadura, el calor cambiará la estructura de la zona afectada por el calor de la soldadura, lo que provocará cambios en las propiedades mecánicas. La resistencia de la zona de soldadura aumenta, la plasticidad disminuye y la estructura y las propiedades mecánicas alrededor de la tubería soldada son discontinuas. Además, el proceso de deformación plástica de laminar placas de acero para formar tuberías no solo producirá un efecto de endurecimiento por trabajo en las tuberías soldadas, sino que también reducirá el alargamiento uniforme de las tuberías soldadas en relación con las placas originales y la tensión residual generada durante la deformación. El proceso también tendrá un efecto adverso en el rendimiento de los tubos soldados. Otro proceso consiste en soldar placas ordinarias de acero ferrita-perlítico en tubos de paredes delgadas y luego tratarlos térmicamente para obtener una estructura de dos fases. E.J.Pavlina et al. desarrollaron con éxito tubos de acero de doble fase con ferrita y martensita utilizando este último proceso. En el experimento, el autor primero curvó y soldó la lámina de aleación 1019 (Fe-0.19c) (la microestructura es ferrita-perlita) en un tubo de pared delgada con un diámetro exterior de 44,5 mm y un espesor de pared de 1,6 mm; el tubo de acero fue Después del recocido completo, se utiliza una bobina de inducción para calentar el tubo de acero a la zona de temperatura crítica y se realiza un enfriamiento isotérmico para obtener una estructura de doble fase de ferrita-martensita. El proceso de tratamiento térmico se muestra en la Figura 1, y la microestructura de la soldadura de la tubería de acero y el área principal después del tratamiento térmico se muestran en la Figura 2. El análisis muestra que la estructura y las propiedades de la zona afectada por la soldadura son básicamente las mismas que las de otras partes de la tubería de acero. El autor también realizó pruebas de abombamiento hidráulico en interiores en la tubería de acero de costura recta de doble fase producida en la prueba. Cuando la presión del agua en la tubería alcanzó los 54,4 MPa, el cuerpo de la tubería de acero explotó, pero la soldadura permaneció intacta, lo que indica que las propiedades mecánicas del cuerpo de la tubería de acero con costura recta eran mejores que las del cuerpo de la tubería de acero [7].

Figura 2 Estructura bifásica de tubería de acero de costura recta Fe-0,19c después del tratamiento térmico bifásico.

2.3 Análisis del efecto Bauschinger

En comparación con otros aceros de baja aleación y alta resistencia, el proceso de expansión del acero de doble fase tiene un efecto inhibidor significativo sobre el efecto Bauschinger del material. . La magnitud del efecto Bauschinger está relacionada con la composición, microestructura, resistencia y deformación plástica del material. Por lo tanto, Hitoshi Asahi y otros estudiaron en detalle la influencia de la microestructura en el efecto Schinger de tuberías soldadas con costura recta [8]. En este experimento, se utilizó el laminado en caliente para producir tubos soldados con costura recta con un diámetro exterior de 194 mm y un espesor de pared de 9,6 mm. Después del laminado, se realizó un tratamiento térmico. La Tabla 3 proporciona la composición química del acero de prueba y la Tabla 4 proporciona la microestructura, la relación del efecto Bauschinger y la presión anticolapso de los tubos soldados con costura recta producidos por diferentes procesos. El análisis muestra que cuanto mayor es la relación del efecto Bauschinger (la diferencia entre el tubo de acero 1 # y el tubo de acero 2 # llega al 22%), menor es el efecto Bauschinger. Como puede verse en la Tabla 4, el efecto Bauschinger de tubos de acero con la misma composición química (4 #) es el más obvio, seguido por la estructura ferrita-perlita (2 #) y el efecto Bauschinger de la estructura dual ferrita-martensita. -La estructura de fases. El efecto de rejilla es mínimo. El autor también realizó pruebas anticolapso en los tubos de acero n.° 1 y n.° 4 que se expandieron y contrajeron en un 20 %. Debido al pequeño efecto Bauschinger y la alta tasa de endurecimiento por trabajo, la resistencia a la compresión de los tubos soldados con costura recta con estructura bifásica de ferrita-martensita después de la expansión es significativamente mayor que la de los tubos soldados con estructura martensítica. Esta prueba demuestra plenamente que la tubería expandida con estructura bifásica de ferrita-martensita se ve menos afectada por el efecto Bauschinger y tiene una mayor resistencia a la extrusión externa después de la expansión. Su aplicación en la fabricación de fuelles de expansión es de gran valor para mejorar el rendimiento del proceso de expansión y aumentar la resistencia del cuerpo del fuelle de expansión.

Tabla 3 Fracción de masa de la composición química del acero de prueba

Tabla 4 Microestructura y propiedades mecánicas de tuberías soldadas con costura recta

3 Conclusión

1) De acuerdo con los requisitos especiales durante el procesamiento y uso de fuelles expandidos, la tubería requiere alta resistencia a la tracción y capacidad de deformación plástica, bajo límite elástico, alto índice de endurecimiento por trabajo y buen rendimiento de soldadura. Entre ellos, el rendimiento de la soldadura es uno de los factores clave que afectan la mejora del rendimiento integral de los materiales de fuelle expandido.

2) De acuerdo con los requisitos de rendimiento de los fuelles de expansión, el contenido de carbono de los fuelles de expansión generalmente debe controlarse dentro del 0,2%, el contenido de Mn debe controlarse dentro del 2% y el S y P El contenido debe controlarse dentro de un rango bajo.

3) El acero bifásico ferrita-martensítico cumple con los requisitos de composición química y propiedades mecánicas de los materiales de tuberías corrugadas expandidas. Los tubos de acero laminados en caliente ordinarios pueden obtener una estructura de doble fase de ferrita-martensita mediante un tratamiento térmico de zona crítica.

4) En comparación con los tubos de acero ordinarios, los tubos de acero de doble fase de ferrita-martensita tienen las ventajas de una baja relación rendimiento-resistencia, un alto alargamiento uniforme y una alta resistencia a la extrusión después de la expansión. El acero dúplex tiene amplias perspectivas de aplicación como material de tubería corrugada expandida.

Referencias

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Zhou Zhenfeng. Metalurgia de soldadura (soldadura de metales) [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2005.

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Ha Kuan Fu. Teoría microscópica de las propiedades mecánicas de los metales[M]. Beijing: Science Press, 1983.

Tu, Wu Baorong. Aceros Dúplex - Metalurgia Física y Mecánica [M]. Beijing: Prensa de la industria metalúrgica, 2009.

[6] Yamazaki Y, Miyata Y, Kimura M, et al. Tubería de petróleo expandible sin costura y método de fabricación de la misma [P]. Publicación de solicitud de patente de EE. UU.: US 2007/0116975 a1, 24 de mayo de 2007.

[7] Pavlina E J, Vantyne C J, Herel K. Prueba de abombamiento hidráulico de tubería de acero de doble fase producida utilizando una nueva ruta de proceso [J] Journal of Materials Processing Technology, 2008, 201, 242~246. .

[8] Asahi H, Tsuru E. Tubería de acero y placa de acero con baja incidencia del efecto Bauschinger y método de fabricación de los mismos [P]. Publicación de solicitud de patente de EE. UU.: US 2008/0286504 a1, 2008-11-. 20 .