石油膨胀管材料的设计准则

.txt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。维普资讯石一油机械２８一ＣＩＡＰＴＯＥＭＭＣＩＥＹＨＮＥＲＬＵＡＨＮＲ２００５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２ｌ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。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Ｐ％。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 －面上的垂直轴坐标来衡量，如图１所示。８其三维形状呈“峰”状，从图上可以看出ft峰 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２０１１８３Ｘ０４０９６．。０维普资讯２００５年第３３卷第ｌ期 ｌ许瑞萍等：石油膨胀管材料的设计准一２一 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，图中的面积强塑性值的大小表示，即反映膨胀管材料的综合性能。从图上看出有３００ＭＰ％、００ Ｐ％和０ａ０６００Ｍａ了相变诱发塑性（ｒｓｒｔｎ—ＩｄｃｄＰａｔｉ——Ｉ机ＴａｆｍａｏｎｏｉｎｕｅｌｓｃｙｉｔｒＰ）作用下，发生奥氏体ｙ转ｎ工膨胀过程。需要外界给予很大的膨胀功，而由于１０００Ｍａ３条较粗的曲线表示的性能范围，００Ｐ％在将指导我们在设计膨胀管材料时，要考虑材料的使材料的性能范围在３０ａａ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到那么大的膨胀功，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２００ＭａＰ，而其延伸０率不到１％，因此其强塑性值在２０Ｐ％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３０ａ０００Ｍ一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以上根据康西德定律就有＆ｒｄ≥ 满足稳定塑变条件，在很大程度上 ／ｅ节约了膨胀功式中ｏ为真应力，为应变为 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６０ ａ０００ＭＰ％左右壳牌石油公司在材料的 研究面花了近６ａ的时间 新推出ＬＸ０膨 Ｓ８胀管材料强塑性值３ ０ＭＰ％铁基膨胀合 ００ ａ０金的强塑性值将近是ＬＸ０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Ｓｈｅｌ图应处 ｃａｆｒ ｅ于奥氏体区中，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２匿ｌ西酉一匿ｎ’１ｓｏｋｅ不ｈｃｌｙｙ是０，ｌ％２００３４００５６００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２．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性，但是材料强度又非常的ｓｃｌ不全位错，将沿［１］晶向方向移动 ｈｋｙｏｅ维普资讯一石油机械２００５年第３３卷第ｌ期 ｌ８６［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ａ６１２距离，成了／［］１形ｌ。８切变角，这时原子堆垛顺序将有ＡＣＢ９２ＢＡＣ转变为ＡＡ„，即从面心立方ｙ占马氏体塑性值。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△它晶格畸变能和相阻Ｇ＝３力能表示为缸温度处于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ｌ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，得到 ２Ｅ／＝Ａ。ｍ＋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＾。Ｆ，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数，则 ．Ｆ＝Ｆｏ＋Ｋ Ｔ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 （＾ｏ）＋（口）（）６ （）７机制，特征是相变时发生ｌＢＦ 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Ｍ￥） ｏ ）（）８匿！臼（＝（一 专错能的变化之和，即（）９０盘霎ｅ ｉＥ ｉ△＝：ｉ， Ａａｆ； ａ（ｏ １）如果把０ｒ８ｉＣｌＮ８不锈钢作为标准合金，其 （＝２ ，得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＝２一２ ０„∑Ａ‘＝ｌ（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（）％（计算的（值，从表中可以看出铁基１）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２００５年第３３卷第ｌ期 １许瑞萍等：石油膨胀管材料的设计准则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）ＦｉｐｖＡ，ｅ．ｘａｄｂｅＴｂｌｒＳｌｔｎ．Ｐ５５０，ＵｐｏｔＥｐｎａｌｕｕａｏｕｉｓＳＥ６０１ａｏＡｔ１９Ｐｎａｅｈｉａｎｅｅｃ９９ＳＥＡｎｕｌＴｃｎｃＣｏｆｒｎｅ，Ｈｏｓｏｌｕｔｎ，３—６，Ｏｃｏｅｂｒ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—４０３６４：６７ＳｈｅｒＡＬｔＰｏ１６ｃａｍｅＭｅｒ昏９９，１：６０１８徐祖耀．马氏体相变与马氏体．北京：科学出版社，１９９９：７９—７２３４王德法．ｅＳ系合金马氏体相变和形状记忆机理的研 Ｆ究．天津大学博士论文（００３ ２Ｏ．）徐祖耀．马氏体相变研究的进展（）．上海金属，一２０，２（）０３５３：１— ８肖继美．不锈钢的金属学问题．北京：冶金工业出社。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：３０７）（００２天津市卫津路９２号。电话：（２）７０４１Ｅ