石油膨胀管材料的设计准则

石油膨胀管材料的设计准则.txt爱空空情空空，自己流浪在街中；人空空钱空空，单身苦命在打工；事空空业空空，想来想去就发疯；碗空空盆空空，生活所迫不轻松。总之，四大皆空！本文由清都布衣贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。维普资讯石油机械28一CIAPTOEMMCIEYHNERLUAHNRTOC\o"1-5"\h\z20 0 5年第33卷第11期•设计计算 —石油膨胀管材料的设计准则。许瑞萍刘洁张玉新陈玉如刘文西（•天津大学材料科学与工程学院12•上海天合形状记忆材料有限公司）摘要石油膨胀管是现代石油工业领域新兴的一项技术，被称为2 1世纪石油套管的一次技术革命。通过大量的实验研究，介绍了石油膨胀管材料铁基膨胀合金的设计准则，即膨胀管材料应具备高塑性、高强度和高加工硬化率等3个特点；提出了新概念“材料的强塑性”。为了便于设计石油膨胀管材料，推导了铁基合金s马氏体的相变起始温度（的计算公式。）关键词石油膨胀管膨胀合金强塑性铁基合金设计准则料一直是制约膨胀管技术工程应用的重要因素。为石油膨胀管技术2世纪800年代末，荷兰壳牌石油公司率先提出了石油膨胀管技术的设想••，经过几年的研究J和开发，于1997年转为工业应用。目前各大石油公司包括威得福都注意到了该项技术，纷纷投入大了解决这一难题，通过大量的实验研究，笔者提出了石油膨胀管材料设计准则，这对我国应用膨胀管技术将具有很大的推动作用。设计准则讨论1•材料的强塑性量的人力物力开发该项技术，但是仍以壳牌公司和哈里伯顿公司合资成立的美国亿万奇环球技术公司处于领先地位。石油膨胀管最关键技术难题就是膨胀管材料的选用，国外一般选用L0和K5套管，85最近壳牌公司又新推出Lx0套管材料，但是其S8膨胀性能还不是很好。国内于2000年引进这项技术，尚处于起步阶段，西安石油大学也是刚刚开始探讨膨胀管材料的性能要求，只有天津大学和上海天合形状记忆有限公司共同开发膨胀管材料并进行试验施工。膨胀管技术的应用是一项系统工程，所要研究的内容非常广泛，涉及到石油钻井、采油、油藏、完井、修井、材料、机械等多个领域，对膨胀管材料的研究更是一个技术难题。因为膨胀管施工的环境一般是在海洋和深井中，要求膨胀管材料具有高的强度。另外，为了满足膨胀管在膨胀过程中的大变形，膨胀管材料还应具备良好的塑性，一般的石油套管难以达到这样的要求。为了表达膨胀管材料的综合性能，提出了一个新概念“塑性”强，用字母k表示，它等于材料在石油膨胀管技术能够大幅度地降低钻井成本和缩短施工周期，并带动石油钻井、固井、完井、修井等一系列工程技术，被称为是石油套管的一次技术革命。随着石油价格不断上升，研究这项技术更是迫切需要，但是由于膨胀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强度；另外为了适应膨胀过程的大变形，材料也应退火状态下的拉伸强度和延伸率艿二者的乘积k=6艿()1式中的单位为MP,艿的单位为％,则强塑性ka的单位就是MP%。如果以直角坐标系的横轴表示a延伸率艿，纵轴表示强度，则强塑性k的数值可用一面上的垂直轴坐标来衡量，如图1所示。8平其三维形状呈“峰”状，从图上可以看出山峰山当同时具备良好的塑性。而目前普通套管材料的强度和塑性很难同时满足这样的要求，因此膨胀管材的等高线投影是双曲线。对研究的几类膨胀管材料石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置已获国家专利，专利号为201 183X04096. 。 0维普资讯20 05年第33卷第1期1许瑞萍等：石油膨胀管材料的设计准则一2一9的强塑性值进行了比较，如图2示，图中的横坐标表示材料在退火状态下的延伸率，而纵坐标表示的是材料在退火状态下的抗拉强度，图中的面积表示强塑性值的大小，即反映膨胀管材料的综合性能。从图上看出有300MP%、 0 0P%和 0a0 600Ma低。对于膨胀管材料，要求同时具有高强度和高塑性，根据笔者所研制的膨胀管材料，应具备3个特点：即材料同时具有高塑性、高强度和高的加工硬化率。为了同时提高材料的强度和塑性，也即强塑性值，在设计膨胀管材料时，采用了相变诱发塑性(rsrtn—IdedPati I机Tafmaonoinue1seyitrP)R制，即材料在外加应力的作用下，发生奥氏体y转变为马氏体相变。膨胀管材料希望具有较大的加工硬化率n,这是因为根据施工经验，膨胀管在施工膨胀过程。需要外界给予很大的膨胀功，而由于000Ma3条较粗的曲线表示的性能范围，0 0P%在将指导我们在设计膨胀管材料时，要考虑材料的综合性能，不能单方面要求高强度和高塑性。应该使材料的强塑性值较大，也即使材料的性能范围在3 0a00 0MP%线以上，如果能达至I」10 00MP% 0 0a更好，但是那是材料性能的极限。从图中可以看出条件限制一般动力很难达至那么大的膨胀功，所以设计膨胀管材料时要求材料具有高的加工硬化率。只有这样膨胀管材料在膨胀早期比较容易屈服，后高强韧钢的抗拉强度高达到200Ma P,而其延伸 0率不到1%,因此其强塑性值在2 0P%以0000Ma下。低碳高塑钢有较大的延伸率，但是其强度又很低，所以高强韧钢和低碳高塑钢的强塑性值均在第条表示3 0a000MP%线以内，试验证明这2种材料均不符合膨胀管材料的要求。图中的阴影区表示期又能够快速提高材料的强度，从而大大节约膨胀功。所以设计膨胀管材料时一般希望材料的加工硬化率值n较大，在02.5以上，根据康西德定律，就有&rd三满足稳定塑变条件，在很大程度上/e节约了膨胀功，式中。为真应力，为应变，n为r 加工硬化率。本文所研制的铁基膨胀管合金的性能范围，其强塑性值在6 0a000MP%左右，壳牌石油公司在材料的研究方面，花了近6a的时间，新推出LX0膨S8胀管材料，强塑性值为30MP%，铁基膨胀合00a0金的强塑性值将近是LX0膨胀管材料的2倍，S8其膨胀性能优于后者。膨胀合金的成分设计按照She1图应处cafre于奥氏体区中，要严格保证合金的基体为单一奥氏体，这样膨胀合金在应力作用下发生塑性变形时，会充分发生相变诱发塑性，提高材料的强塑性值。奥氏体y一马氏体转变机制如图3所示，图中右下三棱柱顶面和底面均表示原子密排面的位置，棱西n酉\谴\/氢/n“n图1强塑性的坐标示例匿1西酉一匿n'图3相变诱发塑性机制1柱的高表示密排面的面间距，箭头表示soke不hcly全位错移动的方向。从原子排列结构看，母相y是0 1 2 0034 00，％5 6 0 0面心立方结构（c）马氏体是密排六方结构f,c（c）hp,面心立方结构可以看作沿（1）子密11原排面逐层堆垛而成的，其堆垛方式为ACBBAC…，密排六方结构可以看作沿（01。子密排面逐00）原层堆垛而成的，其堆垛方式为AABB…。材料承载时在应力作用下，面心立方结构（1）原子面上11图2几类膨胀管材料强塑性比较．膨胀管材料的设计准则及相变诱发塑性在材料设计时经常发生的困扰问题是，如果材料的强度较高，例如高强韧钢，则塑性较低；而低碳高塑钢虽有良好的塑性，但是材料强度又非常的sc1不全位错，将沿[1]晶向方向移动hkyoe12维普资讯3O—石油机械2005年第33卷第1期186 [1]距离，每间隔1/12层的（1） 11密排面的原子都会沿同方向移动a61 2距离，成了/ [ ] 1形1。8切变角，这时原子堆垛顺序将有ACB„92BAC转变为AA…，即从面心立方晶体结构转变为密BB排六方晶体结构，形成占马氏体，完成奥氏体y占马氏体相变。在相变诱发塑性过程中，同时发生了塑变，因此通过此中机制能够大大提高材料的强塑性值。内只包括3层层错，因此其化学能△°m于3倍Gk等的层错能，即△°F，其它晶格畸变能和相阻G=3力能表示为缸。当温度处于0[】6。时，相变过程的自由能为对于铁基合金占马氏体相变过程的自由能，‘△°+)+E (G‘ =0 () 2可表示为(Gk) +E缸，所以得到△ +3.铁基合金的1的计算式中表示层错的厚度， P表示单位面积的原子密度，表示单位面积的界面能。将式()整理，得至I」2E/=Aom+神GkE/=4 F在低层错能铁基合金中，占马氏体是以层错形核的机制形成和长大的，层错能在从奥氏体y占 马氏体相变过程中起主导作用。材料的层错能J越低，越容易发生占马氏体相变，则铁基合金的占马氏体相变起始温度㈤就相应提高，为此可以把㈤作为评价8马氏体相变倾向的一个指标。为了促进相变诱发塑性设计膨胀管材料，测定就十分重要。但是由于母相奥氏体和占马氏体之间的电阻、比容、磁性都非常接近，相变热效应也很小，分析测定㈧就很困难。因此，笔者提出了一种铁基合金的的计算方法。从文中得知△C,3 =G'oF，a=F,所以得到酉昏臣圜孱()3()4()5文献［］认为，层错能是绝对温度的线性函5数，则.F=Fo+KT式中是绝对温度为零条件下的层错能，是绝对温度，是比例系数，K=17 .3。当A,B两种合金处在马氏体相变起始温度时，即=(，别为=(,二者的层错能分 F,+K('o )+(口)()6 () 7用表面浮凸研究马氏体相变的微观机制，原子力显微镜再次证实，占马氏体有2种形态，即应力诱发马氏体和热诱发马氏体。图3是应力诱发占J马氏体形成机制，特征是相变时发生1。8切变92角。图4所示的是热诱发马氏体形成机制，它是当温度降低时形成的一种占马氏体，这种马氏体原子排列结构与应力诱发占马氏体不同，其层错位移方BF口：将式()()代入式()右端，设定E缸673哺变化不大，则可推出1为常数，所以E/基本是常数，.+K('=F口+K(口MY)o ) ()8匿！臼(=(一 专厶错能的变化之和，即()9式中层错能差△等于由于各元素成分变化引起层0盘B匿霎ex1Ei△=：i, Aaf；a(o1)如果把0r8iC1N8不锈钢作为标准合金，其(=2，得出计算铁基合金占马氏体相变起 20K)始温度(计算式为)•B图4热诱发8马氏体形成机制㈦=2—20•••£A‘=1(11)向不是一个方向，而是左右穿插，原子的排列顺序虽为AABB„结构，其空间切变角为0。基于上述。式中缸是与标准合金比较时元素原子百分比的变化，表示单位原子百分比的合金元素对层模型，导出铁基合金占马氏体相变起始温度㈧的计算公式。热诱发占马氏体每个核胚由6层原子面组成，如图4中心箭头所示为长度范围，而每个核胚与母相只存在1个层错界面，因此单位面积的界面能等于层错能F,即=F。另外每个核胚错能的影响。表1列出9种铁基合金元素的质量分数()％及用式()计算的(值，从表中可以看出铁基1 )占马氏体相变起始温度结果比较准确，而且很方便地就能得到8马氏体的相变起始温度(。表2)维普资讯0 0 5年第33卷第1期1许瑞萍等：石油膨胀管材料的设计准则曰__.是一些合金元素对层错能的影响。表1几种铁基合金的1计算值与实际值.1的综合性能。()铁基合金—相变起始温度(计算公3)式为(2南0)一「， 2A参考文献FipvA,e.XadbeTblrSltn.P550，UpotEpnaluuaouisSE6 0 1aoAt19 Pnaehianeec99SEAnulTcncCofrne,Hosolutn3—6，0coetbr盂庆昆,谢正凯,冯来等.可膨胀套管技术概述.石油钻采工艺，20,2()7—40364：667SherALtPo16cameMer昏99，1：6018徐祖耀.马氏体相变与马氏体.北京：科学出版社，19 99：79—7234王德法.eS系合金马氏体相变和形状记忆机理的研FMniTOC\o"1-5"\h\z究.天津大学博士论文(003 20.)徐祖耀.马氏体相变研究的进展().上海金属，一2 0,2 () 0353：1— 8肖继美.不锈钢的金属学问题.北京：冶金工业出版社。18 96()笔者提出了石油膨胀管材料铁基膨胀合1金设计准则，即膨胀管材料应具备3个特点：高塑性、高强度和高加工硬化率。作者简介：许瑞萍，天津大学材料科学与工程学院在读硕士研究生。地址：3 07) (0 0 2天津市卫津路92号。电话：(2)7041E— ：upn20@13tm。0224470mixmiig036.o al()用拉伸强度和延伸率二者的乘积.2