石油膨脹管材料的設(shè)計準則

石油膨脹管材料的設(shè)計準則.txt愛空空情空空，自己流浪在街中；人空空錢空空，單身苦命在打工；事空空業(yè)空空，想來想去就發(fā)瘋；碗空空盆空空，生活所迫不輕松。總之，四大皆空！本文由清都布衣貢獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。維普資訊石油機械28一CIAPTOEMMCIEYHNERLUAHNRTOC\o"1-5"\h\z20 0 5年第33卷第11期?設(shè)計計算 —石油膨脹管材料的設(shè)計準則。許瑞萍劉潔張玉新陳玉如劉文西（?天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院12?上海天合形狀記憶材料有限公司）摘要石油膨脹管是現(xiàn)代石油工業(yè)領(lǐng)域新興的一項技術(shù)，被稱為2 1世紀石油套管的一次技術(shù)革命。通過大量的實驗研究，介紹了石油膨脹管材料鐵基膨脹合金的設(shè)計準則，即膨脹管材料應(yīng)具備高塑性、高強度和高加工硬化率等3個特點；提出了新概念“材料的強塑性”。為了便于設(shè)計石油膨脹管材料，推導(dǎo)了鐵基合金s馬氏體的相變起始溫度（的計算公式。）關(guān)鍵詞石油膨脹管膨脹合金強塑性鐵基合金設(shè)計準則料一直是制約膨脹管技術(shù)工程應(yīng)用的重要因素。為石油膨脹管技術(shù)2世紀800年代末，荷蘭殼牌石油公司率先提出了石油膨脹管技術(shù)的設(shè)想??，經(jīng)過幾年的研究J和開發(fā)，于1997年轉(zhuǎn)為工業(yè)應(yīng)用。目前各大石油公司包括威得福都注意到了該項技術(shù)，紛紛投入大了解決這一難題，通過大量的實驗研究，筆者提出了石油膨脹管材料設(shè)計準則，這對我國應(yīng)用膨脹管技術(shù)將具有很大的推動作用。設(shè)計準則討論1?材料的強塑性量的人力物力開發(fā)該項技術(shù)，但是仍以殼牌公司和哈里伯頓公司合資成立的美國億萬奇環(huán)球技術(shù)公司處于領(lǐng)先地位。石油膨脹管最關(guān)鍵技術(shù)難題就是膨脹管材料的選用，國外一般選用L0和K5套管，85最近殼牌公司又新推出Lx0套管材料，但是其S8膨脹性能還不是很好。國內(nèi)于2000年引進這項技術(shù)，尚處于起步階段，西安石油大學(xué)也是剛剛開始探討膨脹管材料的性能要求，只有天津大學(xué)和上海天合形狀記憶有限公司共同開發(fā)膨脹管材料并進行試驗施工。膨脹管技術(shù)的應(yīng)用是一項系統(tǒng)工程，所要研究的內(nèi)容非常廣泛，涉及到石油鉆井、采油、油藏、完井、修井、材料、機械等多個領(lǐng)域，對膨脹管材料的研究更是一個技術(shù)難題。因為膨脹管施工的環(huán)境一般是在海洋和深井中，要求膨脹管材料具有高的強度。另外，為了滿足膨脹管在膨脹過程中的大變形，膨脹管材料還應(yīng)具備良好的塑性，一般的石油套管難以達到這樣的要求。為了表達膨脹管材料的綜合性能，提出了一個新概念“塑性”強，用字母k表示，它等于材料在石油膨脹管技術(shù)能夠大幅度地降低鉆井成本和縮短施工周期，并帶動石油鉆井、固井、完井、修井等一系列工程技術(shù)，被稱為是石油套管的一次技術(shù)革命。隨著石油價格不斷上升，研究這項技術(shù)更是迫切需要，但是由于膨脹管一般是在海洋或深井中施工，要承受巨大的外力，因此要求材料具有高強度；另外為了適應(yīng)膨脹過程的大變形，材料也應(yīng)退火狀態(tài)下的拉伸強度和延伸率艿二者的乘積k=6艿()1式中的單位為MP,艿的單位為％,則強塑性ka的單位就是MP%。如果以直角坐標系的橫軸表示a延伸率艿，縱軸表示強度，則強塑性k的數(shù)值可用一面上的垂直軸坐標來衡量，如圖1所示。8平其三維形狀呈“峰”狀，從圖上可以看出山峰山當(dāng)同時具備良好的塑性。而目前普通套管材料的強度和塑性很難同時滿足這樣的要求，因此膨脹管材的等高線投影是雙曲線。對研究的幾類膨脹管材料石油油井用膨脹合金材料及膨脹管裝置已獲國家專利，專利號為201 183X04096. 。 0維普資訊20 05年第33卷第1期1許瑞萍等：石油膨脹管材料的設(shè)計準則一2一9的強塑性值進行了比較，如圖2示，圖中的橫坐標表示材料在退火狀態(tài)下的延伸率，而縱坐標表示的是材料在退火狀態(tài)下的抗拉強度，圖中的面積表示強塑性值的大小，即反映膨脹管材料的綜合性能。從圖上看出有300MP%、 0 0P%和 0a0 600Ma低。對于膨脹管材料，要求同時具有高強度和高塑性，根據(jù)筆者所研制的膨脹管材料，應(yīng)具備3個特點：即材料同時具有高塑性、高強度和高的加工硬化率。為了同時提高材料的強度和塑性，也即強塑性值，在設(shè)計膨脹管材料時，采用了相變誘發(fā)塑性(rsrtn—IdedPati I機Tafmaonoinue1seyitrP)R制，即材料在外加應(yīng)力的作用下，發(fā)生奧氏體y轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相變。膨脹管材料希望具有較大的加工硬化率n,這是因為根據(jù)施工經(jīng)驗，膨脹管在施工膨脹過程。需要外界給予很大的膨脹功，而由于000Ma3條較粗的曲線表示的性能范圍，0 0P%在將指導(dǎo)我們在設(shè)計膨脹管材料時，要考慮材料的綜合性能，不能單方面要求高強度和高塑性。應(yīng)該使材料的強塑性值較大，也即使材料的性能范圍在3 0a00 0MP%線以上，如果能達至I」10 00MP% 0 0a更好，但是那是材料性能的極限。從圖中可以看出條件限制一般動力很難達至那么大的膨脹功，所以設(shè)計膨脹管材料時要求材料具有高的加工硬化率。只有這樣膨脹管材料在膨脹早期比較容易屈服，后高強韌鋼的抗拉強度高達到200Ma P,而其延伸 0率不到1%,因此其強塑性值在2 0P%以0000Ma下。低碳高塑鋼有較大的延伸率，但是其強度又很低，所以高強韌鋼和低碳高塑鋼的強塑性值均在第條表示3 0a000MP%線以內(nèi)，試驗證明這2種材料均不符合膨脹管材料的要求。圖中的陰影區(qū)表示期又能夠快速提高材料的強度，從而大大節(jié)約膨脹功。所以設(shè)計膨脹管材料時一般希望材料的加工硬化率值n較大，在02.5以上，根據(jù)康西德定律，就有&rd三滿足穩(wěn)定塑變條件，在很大程度上/e節(jié)約了膨脹功，式中。為真應(yīng)力，為應(yīng)變，n為r 加工硬化率。本文所研制的鐵基膨脹管合金的性能范圍，其強塑性值在6 0a000MP%左右，殼牌石油公司在材料的研究方面，花了近6a的時間，新推出LX0膨S8脹管材料，強塑性值為30MP%，鐵基膨脹合00a0金的強塑性值將近是LX0膨脹管材料的2倍，S8其膨脹性能優(yōu)于后者。膨脹合金的成分設(shè)計按照She1圖應(yīng)處cafre于奧氏體區(qū)中，要嚴格保證合金的基體為單一奧氏體，這樣膨脹合金在應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形時，會充分發(fā)生相變誘發(fā)塑性，提高材料的強塑性值。奧氏體y一馬氏體轉(zhuǎn)變機制如圖3所示，圖中右下三棱柱頂面和底面均表示原子密排面的位置，棱西n酉\譴\/氫/n“n圖1強塑性的坐標示例匿1西酉一匿n'圖3相變誘發(fā)塑性機制1柱的高表示密排面的面間距，箭頭表示soke不hcly全位錯移動的方向。從原子排列結(jié)構(gòu)看，母相y是0 1 2 0034 00，％5 6 0 0面心立方結(jié)構(gòu)（c）馬氏體是密排六方結(jié)構(gòu)f,c（c）hp,面心立方結(jié)構(gòu)可以看作沿（1）子密11原排面逐層堆垛而成的，其堆垛方式為ACBBAC…，密排六方結(jié)構(gòu)可以看作沿（01。子密排面逐00）原層堆垛而成的，其堆垛方式為AABB…。材料承載時在應(yīng)力作用下，面心立方結(jié)構(gòu)（1）原子面上11圖2幾類膨脹管材料強塑性比較．膨脹管材料的設(shè)計準則及相變誘發(fā)塑性在材料設(shè)計時經(jīng)常發(fā)生的困擾問題是，如果材料的強度較高，例如高強韌鋼，則塑性較低；而低碳高塑鋼雖有良好的塑性，但是材料強度又非常的sc1不全位錯，將沿[1]晶向方向移動hkyoe12維普資訊3O—石油機械2005年第33卷第1期186 [1]距離，每間隔1/12層的（1） 11密排面的原子都會沿同方向移動a61 2距離，成了/ [ ] 1形1。8切變角，這時原子堆垛順序?qū)⒂蠥CB?92BAC轉(zhuǎn)變?yōu)锳A…，即從面心立方晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊蹷B排六方晶體結(jié)構(gòu)，形成占馬氏體，完成奧氏體y占馬氏體相變。在相變誘發(fā)塑性過程中，同時發(fā)生了塑變，因此通過此中機制能夠大大提高材料的強塑性值。內(nèi)只包括3層層錯，因此其化學(xué)能△°m于3倍Gk等的層錯能，即△°F，其它晶格畸變能和相阻G=3力能表示為缸。當(dāng)溫度處于0[】6。時，相變過程的自由能為對于鐵基合金占馬氏體相變過程的自由能，‘△°+)+E (G‘ =0 () 2可表示為(Gk) +E缸，所以得到△ +3.鐵基合金的1的計算式中表示層錯的厚度， P表示單位面積的原子密度，表示單位面積的界面能。將式()整理，得至I」2E/=Aom+神GkE/=4 F在低層錯能鐵基合金中，占馬氏體是以層錯形核的機制形成和長大的，層錯能在從奧氏體y占 馬氏體相變過程中起主導(dǎo)作用。材料的層錯能J越低，越容易發(fā)生占馬氏體相變，則鐵基合金的占馬氏體相變起始溫度㈤就相應(yīng)提高，為此可以把㈤作為評價8馬氏體相變傾向的一個指標。為了促進相變誘發(fā)塑性設(shè)計膨脹管材料，測定就十分重要。但是由于母相奧氏體和占馬氏體之間的電阻、比容、磁性都非常接近，相變熱效應(yīng)也很小，分析測定㈧就很困難。因此，筆者提出了一種鐵基合金的的計算方法。從文中得知△C,3 =G'oF，a=F,所以得到酉昏臣圜孱()3()4()5文獻［］認為，層錯能是絕對溫度的線性函5數(shù)，則.F=Fo+KT式中是絕對溫度為零條件下的層錯能，是絕對溫度，是比例系數(shù)，K=17 .3。當(dāng)A,B兩種合金處在馬氏體相變起始溫度時，即=(，別為=(,二者的層錯能分 F,+K('o )+(口)()6 () 7用表面浮凸研究馬氏體相變的微觀機制，原子力顯微鏡再次證實，占馬氏體有2種形態(tài)，即應(yīng)力誘發(fā)馬氏體和熱誘發(fā)馬氏體。圖3是應(yīng)力誘發(fā)占J馬氏體形成機制，特征是相變時發(fā)生1。8切變92角。圖4所示的是熱誘發(fā)馬氏體形成機制，它是當(dāng)溫度降低時形成的一種占馬氏體，這種馬氏體原子排列結(jié)構(gòu)與應(yīng)力誘發(fā)占馬氏體不同，其層錯位移方BF口：將式()()代入式()右端，設(shè)定E缸673哺變化不大，則可推出1為常數(shù)，所以E/基本是常數(shù)，.+K('=F口+K(口MY)o ) ()8匿！臼(=(一 專厶錯能的變化之和，即()9式中層錯能差△等于由于各元素成分變化引起層0盤B匿霎ex1Ei△=：i, Aaf；a(o1)如果把0r8iC1N8不銹鋼作為標準合金，其(=2，得出計算鐵基合金占馬氏體相變起 20K)始溫度(計算式為)?B圖4熱誘發(fā)8馬氏體形成機制㈦=2—20???￡A‘=1(11)向不是一個方向，而是左右穿插，原子的排列順序雖為AABB?結(jié)構(gòu)，其空間切變角為0?；谏鲜?。式中缸是與標準合金比較時元素原子百分比的變化，表示單位原子百分比的合金元素對層模型，導(dǎo)出鐵基合金占馬氏體相變起始溫度㈧的計算公式。熱誘發(fā)占馬氏體每個核胚由6層原子面組成，如圖4中心箭頭所示為長度范圍，而每個核胚與母相只存在1個層錯界面，因此單位面積的界面能等于層錯能F,即=F。另外每個核胚錯能的影響。表1列出9種鐵基合金元素的質(zhì)量分數(shù)()％及用式()計算的(值，從表中可以看出鐵基1 )占馬氏體相變起始溫度結(jié)果比較準確，而且很方便地就能得到8馬氏體的相變起始溫度(。表2)維普資訊0 0 5年第33卷第1期1許瑞萍等：石油膨脹管材料的設(shè)計準則曰__.是一些合金元素對層錯能的影響。表1幾種鐵基合金的1計算值與實際值.1的綜合性能。()鐵基合金—相變起始溫度(計算公3)式為(2南0)一「， 2A參考文獻FipvA,e.XadbeTblrSltn.P550，UpotEpnaluuaouisSE6 0 1aoAt19 Pnaehianeec99SEAnulTcncCofrne,Hosolutn3—6，0coetbr盂慶昆,謝正凱,馮來等.可膨脹套管技術(shù)概述.石油鉆采工藝，20,2()7—40364：667SherALtPo16cameMer昏99，1：6018徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體.北京：科學(xué)出版社，19 99：79—7234王德法.eS系合金馬氏體相變和形狀記憶機理的研FMniTOC\o"1-5"\h\z究.天津大學(xué)博士論文(003 20.)徐祖耀.馬氏體相變研究的進展().上海金屬，一2 0,2 () 0353：1— 8肖繼美.不銹鋼的金屬學(xué)問題.北京：冶金工業(yè)出版社。18 96()筆者提出了石油膨脹管材料鐵基膨脹合1金設(shè)計準則，即膨脹管材料應(yīng)具備3個特點：高塑性、高強度和高加工硬化率。作者簡介：許瑞萍，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生。地址：3 07) (0 0 2天津市衛(wèi)津路92號。電話：(2)7041E— ：upn20@13tm。0224470mixmiig036.o al()用拉伸強度和延伸率二者的乘積.2