石油膨胀管材料的设计准则.pdf

w w w .b z f x w .c o m 一 28 一 石油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 0 5年第 3 3卷第 1 1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 1 ．天津大学材料科学与工程学院2 ．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 l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 石油膨胀管技术 2 0 世纪 8 0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 J ，经过几年 的研究 和开发 ，于 1 9 9 7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 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 L 8 0和 K 5 5套管， 最近壳牌公 司又新 推出 L S x 8 0套 管材料 ，但 是其 膨胀性能还不是很好 。国内于 2 0 0 0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。 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 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 料一直是制约膨胀管技术工程应用的重要 因素 。为 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 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 “ 强塑性” ，用 字母 k表示 ，它等于材料在 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 a ，艿的单位为％ ，则强塑性 k 的单位就是 MP a ％。如果以直角坐标系的横轴表示 延伸率艿 ，纵轴表示强度 ，则强塑性 k的数值可 用 - 8平面上的垂直轴坐标来衡量 ，如图 1所示。 其三维形状呈 “ 山峰”状 ，从 图上可 以看 出山峰 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 2 0 0 4 1 0 0 1 9 8 6 3 ． X 。 维普资讯 2 0 0 5年第 3 3卷第 l l 期 许瑞萍等 石 油膨胀 管材料 的设 计准则 一 2 9一 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 3 0 0 0 0 MP a ％ 、 6 0 0 0 0 M P a ％ 和 1 0 0 0 0 0 M P a ％3条较粗 的 曲线表示 的性 能范 围， 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 0 0 0 0 MP a ％线 以上 ，如果能达到 1 0 0 0 0 0 MP a ％ 更好 ，但是那是材料性能的极限。从图中可以看出 高强韧钢的抗拉强度高达到 2 0 0 0 M P a ，而其延伸 率不到 1 0 ％ ，因此其 强塑性值在 2 0 0 0 0 M P a ％ 以 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 一 条表示 3 0 0 0 0 MP a ％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 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 0 0 0 0 MP a ％左右 ，壳牌石油公司在材料的 研究方面，花 了近 6 a的时间 ，新推出 L S X 8 0膨 胀管材料 ，强塑性值为 3 0 0 0 0 MP a ％ ，铁基膨胀合 金的强 塑性值将 近是 L S X 8 0膨胀 管材料 的 2倍 ， 其膨胀性能优于后者。 2 l 西 1 图 1 强塑性的 坐标 示例 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 ， ％ 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 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 T r a n s f o r ma t i o n I n d u c e d P l a s t i c i t y r R I P 机 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 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 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 0 ． 2 5以上，根据康西德定律， 就有 r ／ d e ≥ 满足稳定塑变条件 ，在很大程度上 节约 了膨胀功 ，式中 o r 为真应力 ， 为应 变，n为 加工硬化率。 膨胀合金的成分设计按照 S c h a e ff le r 图 应处 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 “ 匿 n “ n 一’ 酉 匿 n 图 3相 变诱 发 塑 性 机 制 柱的高表示密排面的面间距 ，箭头表示 s h o c k l e y 不 全位错移动的方 向。从原子排列结构看 ，母相 y是 面心立方 结构 f c c ， 马 氏体 是密 排六方 结构 h c p ，面心立方结构可 以看作沿 1 1 1 原子密 排面逐层堆垛而成的，其堆垛方式为 A B C A B C⋯， 密排六方结构可 以看作沿 0 0 0 1 。 原子密排 面逐 层堆垛而成的 ，其堆垛方式为 A B A B⋯。材料承载 时在应力作用下，面心立方结构 1 1 1 原子面上 的 s h o c k l e y 不全位错，将沿 [ 1 1 2 ]晶向方向移动 维普资讯 一 3 O一 石油机械 2 0 0 5年第 3 3卷第 l l 期 8 ／ 6[ 1 1 2 ]距离，每间隔 1 层的 1 1 1 密排面的 原子都会沿同方向移动a ／ 6 [ 1 1 2 ] 距离 ， 形 成了 l 9 。 2 8 切变角，这时原子堆垛顺序将有 A B C A B C ⋯ 转变为 A B A B ⋯，即从面心立方晶体结构转变为密 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 。 3 ．铁基合金的 l 的计算 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 J 。材料的层错能 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。 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 J 。图3是应力诱发 占 马氏体形成机制，特征是相变时发生 l 9 。 2 8 切变 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 B 匿 臼 0 盘 B 匿i 霎 e E x i 图 4热 诱 发 8马 氏体 形成 机 制 向不是一个方向，而是左右穿插，原子的排列顺序 虽为 A B AB ⋯结构 ，其空间切变角为 0 。 。基于上述 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 内只包括 3层层错 ，因此其化学能 △ G 。 k m 等于 3倍 的层错能 ，即 △ G 。 3 F，其它晶格畸变能和相阻 力能表示为 缸 。 当温度 处 于 时，相 变过 程 的 自由能 为 0[ 6 】 。对于铁基合金 占马氏体相变过程的自由能， 可表示为 △ G 。 k m E 缸，所以得到 ， △ G 。 E 0 2 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 2 整理 ，得到 E 神 ／ A G 。 k m 3 从文中得知 △ G c a ， 。 3 F， F，所以得到 E ／ 4 F 4 文献 [ 5 ]认为，层错能是绝对温度的线性函 数 ，则 ． F F oK T 5 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 ，K1 ． 7 3。 当 A ，B两种合金处在马氏体相变起始温度 时，即 ， ，二者的层错能分 别为 F o ,K 6 F 口 口 7 将式 6 7 代入式 3 右端 ，设定 E 哺 缸 变化不大 ， 为常数 ，所 以 E ／ 基本是常数 ， 则可推出 ． K M F o 口K 口 8 1 一 专△ 9 式中层错能差 △ 等于由于各元素成分变化引起层 错能的变化之和 ，即 △ A a ；ia f , 1 o 如果把 0 C r l 8 N i 8不锈钢作为标准合金，其 2 2 0 K ，得出计算铁基合金 占马氏体相变起 始温度 计算式为 ● B ㈦ 2 2 0 一 ∑A 1 1 ⋯ ‘ l 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 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 1 计算的 值，从表中可以看出铁基 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 酉 臣 昏 孱 圜 鸯 维普资讯 2 0 0 5年第3 3卷第 l 1 期 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 ． 1 计算值与实际值 的综合性能。 3 铁基合金 相变起始温度 计算公 式为 2 2 0 一 南 ，A 参考文献 1 笔者提 出了石油膨胀管材料铁基膨胀合 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 。 2 用拉伸强度 和延伸率 二者的乘积 ．j} 作为合金的强塑性指标 ，能反 映膨胀管合金 F U i p p o v A，e t a1． E x p a n d a b l e T u b u l a r S o l u t i o n s ． S P E 5 6 5 0 0， At 1 9 9 9 S P E An n u a l T e c h n i c al Co n f e r e n c e，Ho u s t o n， 3 6， Oc t o b e r 盂庆昆，谢正凯，冯来等 ．可膨胀套管技术概述 ．石 油钻采工艺，2 0 0 3 ，2 6 4 6 7 7 4 S c h a e me r AL Me t P r o 昏 1 9 6 9， 1 1 6 8 0 徐祖耀 ．马氏体相变与马氏体 ．北京科学出版社 ， 1 9 9 97 3 9 7 4 2 王德法． F e Mn S i 系合金马氏体相变和形状记忆机理的研 究 ．天津大学博士论文 2 0 O 0 ． 3 徐祖耀 ．马氏体相变研究的进展 一．上海金属 ， 2 0 0 3 ，2 5 3 1 8 肖继美 ．不锈钢的金属学问题 ．北京 冶金工业 出版 社 。1 9 8 6 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 0 0 0 7 2 天津市卫津路 9 2号。电话 0 2 2 2 7 4 0 4 4 7 1 。E一m a i l x u mi p i n g 2 0 0 3 1 6 3 ． t o m。 收稿日期2 0 0 5 0 71 8 本文编辑王志权 上接第 2 3页 力峰值会增加 ，说 明轴承的工作状态变差。因此 ， 根据接触压力峰值变化确定合理 的形状公差值是一 种可行的办法 。通过对 比理想滑动轴承、半理想滑 动轴承以及理想圆柱轴和圆锥孔配合 的滑动轴承的 接触强度 ，根据接触强度极限设计原理 ，提出了确 定牙轮钻头组合滑动轴承形状公差的接触模型和方 法。并应用该方法研究 了牙轮钻头组合滑动轴承的 圆柱度公差和垂直度公差与其峰值接触应力之间的 关系。结果表 明，牙轮大径孔滑动轴承的圆柱度公 差应该严格控制 ，否则会影响牙轮钻头滑动轴承的 使用寿命。此外，在保证接触强度的条件下，在峰 值接触应力急剧增加以前 ，根据加工制造条件 ，可 以合理地选取小径孔的圆柱度公差和止推面的垂直 度公差值 。 作者简介伍开松，副教授 ，博士后，生于 1 9 6 1年， 现主要从事有限元分析、现代设计方法和机械系统动力学 仿真等方面的研究工作。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市新 都区。电话 0 9 9 0 6 8 7 8 3 3 0 。Ema i l w k s 9 9 9 8 1 6 3 ． com o 收稿日期2 0 0 5 0 51 5 本文编辑丁莉萍 维普资讯