석유 산업에서의 티타늄 합금 재료의 응용

티타늄은 1950년대에 개발된 중요한 구조 금속입니다. 티타늄은 다른 금속 원소와 합금을 형성하여 기계적 특성과 물리적 특성을 향상시키고 개선하여 다양한 요구를 충족할 수 있습니다. 티타늄과 그 합금은 고강도, 낮은 탄성 계수, 우수한 내식성, 우수한 생체 적합성 및 기타 특성을 가지고 있습니다. 이들은 항공우주 패스너, 석유 산업, 엔지니어링 구성 요소, 의료용 페이스메이커 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

해외 유정용 파이프에 사용되는 티타늄 합금소재로는 UNS R56404(Ti-6Al-4V-0.08Ru), UNS R55400(Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd), UNSR58640(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo), UNS R56260(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo) 등이 주로 사용되고 있으며, 기술의 발전에 따라 내식성이 우수하고 비강도가 높은 TC4(Ti-6Al-4V) 티타늄 합금이 점차 유정용 파이프에 사용되고 있다. 내나라의 석유 시추 파이프.

대부분의 내국 전통 유정 파이프는 G105, L80, N80, P110 등과 같은 탄소강으로 만들어졌습니다. 그러나 내국의 석유 및 가스 개발 환경은 비교적 가혹합니다. 유정 파이프는 지하에서 서비스할 때 고온 및 고압의 어려움에 직면할 뿐만 아니라 H2S, CO2, 고농도 염수/완결 유체, 원소 황 및 강산과 같은 부식성 환경의 결합된 영향을 견뎌야 합니다. 전통적인 탄소강 유정 파이프는 더 이상 가혹한 서비스 환경을 충족할 수 없습니다.

티타늄 합금 오일 파이프와 케이싱은 지하에서 큰 외부 압력 하중을 받게 됩니다. Liu et al.은 강도 및 압축 기준 모델을 기반으로 새로운 티타늄 합금 오일 케이싱 강도 예측 모델을 수립하고, 다양한 주요 매개변수를 가진 티타늄 합금 파이프와 강관의 압축 강도를 계산하여 비교했습니다. 시험 결과에 따르면 티타늄 합금 파이프의 압축 강도는 동일한 사양의 강관보다 낮습니다. 따라서 티타늄 합금 오일 파이프와 케이싱의 압축 강도는 지하 파이프 스트링의 안전에 매우 중요합니다.

외국 학자 Schutz 등은 UNS R56404 티타늄 튜브를 액체 수은에 노출시키고 관련 석유 및 가스 생산 조건에서 고응력, 연속 인장 및 순환 하중 시험을 수행했습니다. 그들은 232도의 액체 수은에서 티타늄 튜브가 액체 금속 취성 및 기타 형태의 환경적 열화를 완전히 견딜 수 있음을 발견했습니다.

그들은 또한 ANSI/NACE MR0175/ISO 15156 표준에 따라 UNS R55400 티타늄 합금의 산성 사용을 연구했습니다.UNS R55400은 고온 및 고압 석유 및 가스 생산 서비스를 위해 특별히 개발된 새로운 유형의 고강도 티타늄 합금인 + 유형 티타늄 합금에 속합니다.그들은 UNS R55400 티타늄 합금이 최대 198g/L 염화물(포화)이 있는 산성 염수 환경에서 사용할 수 있으며, 최대 경도 41HRC, 최대 온도 288도의 산성 조건에서 사용할 수 있으며 원소 황이 있거나 없고 최소 3.45MPa H2S 분압과 6.9MPa CO2 분압을 견딜 수 있음을 발견했습니다.

따라서 티타늄 합금 유정관의 내식성은 전통적인 탄소강 유정관보다 우수하다. 둘째, 노화 처리를 통해 강화하여 자체 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며 액체 금속 취성, 황 및 내산성에 대한 우수한 특성을 가지고 있다. 그러나 외부 압력 하중이 큰 서비스 환경에서 티타늄 합금 유정관의 압축 강도는 탄소강 유정관보다 훨씬 열등하다. 우리나라에서는 티타늄 합금의 압축 및 굽힘 강도를 개선하는 방법에 대한 연구가 거의 없다. 따라서 고응력 조건에서 티타늄 합금 재료의 강도를 유지하거나 개선하는 방법을 연구하는 것은 매우 중요하다.

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