유정관의 품질 결함 및 예방

유정 파이프의 품질 결함은 주로 세 가지 측면에서 발생합니다.
첫째: 유정 파이프 본체의 품질 결함, 즉 파이프 본체의 기계적 특성, 내부 통로, 무게 등이 요구 사항을 충족하지 못하는 경우;
둘째: 유정 파이프 가공 중 발생하는 품질 결함으로, 나사산 매개변수(테이퍼, 피치, 톱니 높이, 켄 형상, 동심도, 커플링 양단 나사산 간격)가 표준을 초과하거나, 흑색 표면 변형, 파손, 나사산 편차, 나사 조임 토크가 표준을 초과하거나, 누출, 나사산 손상(긁힘, 돌출), 드릴 파이프 용접 품질이 요구 사항을 충족하지 못하는 경우 등이 있습니다.
셋째, 유정 파이프의 성능(압착 방지 성능, 부식 방지 성능, 천공 방지 성능 및 점착 방지 성능 포함)이 요구 사항을 충족하지 못합니다.

1. 유정 파이프 나사산 가공의 품질 결함 및 예방
유정 파이프의 나사산 가공 과정에서 흑색 반점, 나사산 편차, 파손, 나사산 긁힘(돌출) 손상, 나사산 규격 미달 등의 품질 결함이 발생할 수 있습니다.

(1) 나사산 흑색 융기: 나사산 흑색 융기는 나사산의 국부적인 가공이 부족하여 매끄럽지 못한 외관으로 나타나는 현상으로, 강관의 외경 및 벽 두께 정밀도, 타원도, 직진도와 관련이 있습니다. 강관 본체의 흑색 융기는 강관 본체의 외경이 너무 작거나, 강관 끝단이 충분히 직진하지 않거나, 타원도가 너무 큰 경우에 자주 발생합니다. 커플링의 흑색 융기는 일반적으로 강관의 외경이 양의 허용 오차를 초과하거나, 벽 두께가 음의 허용 오차를 초과하거나, 타원도가 너무 큰 경우에 발생합니다.

(2) 나사 편차: 나사 편차는 강관의 나사산 가공 후 한쪽은 얇고 다른 쪽은 두꺼운 등 강관 벽 두께가 고르지 않은 현상입니다. 나사 편차의 원인은 나사산의 흑색 변색과 유사하며, 벽 두께의 불균형, 굽힘, 또는 파이프 끝단의 과도한 타원형 변형으로 인해 발생합니다. 때때로 나사 편차 또는 부적절한 가공 관리로 인해 나사산 바닥의 벽 두께가 허용 오차를 초과할 수 있으며, 이는 유정관의 연결 강도에 심각한 영향을 미칩니다.

(3) 실 끊김: 실빗살 절단기가 고속으로 강하게 실을 절단할 때 실이 끊어지거나 실이 "분실"되면 실이 끊어지게 됩니다. 일반적으로 실 끊김은 주로 강철에 있는 큰 비금속 개재물로 인해 발생하며 실빗살 절단기의 품질 및 실 가공 공정의 안정성과도 관련이 있습니다.

(4) 나사산 손상: 유정관의 나사산 손상은 멍과 마모를 포함합니다. 이는 완제품의 생산, 운송 및 보관 중에 발생합니다. 유정관의 노출된 나사산이 멍들거나 으스러지거나 녹스는 것을 방지하기 위해, 생산 중에 나사산이 단단한 물체(운송 롤러, 경사 격자 막대 등)와 충돌하지 않도록 하는 것 외에도, 유정관 본체의 나사산에는 내부 나사산이 있는 외부 보호링을 조여야 하고, 연결 나사산에는 외부 나사산이 있는 내부 보호링을 조여야 합니다.

API Spec 5CT 표준은 다음과 같이 규정합니다.
① 나사 가공 공장에서는 내외부 나사산 보호링을 나사로 고정해야 합니다. 나사산 보호링의 설계, 재질 및 기계적 강도는 정상적인 적재 및 하역, 운송 중 나사산과 파이프 끝단의 손상을 방지할 수 있어야 합니다.
② 석유 및 케이싱의 운송 및 일반 보관 과정에서 나사산 보호 링의 설계 및 재질은 나사산을 먼지와 물로부터 차단해야 합니다. 일반 보관 기간은 약 1년입니다.
③ 나사산 보호 링의 재질은 나사산 부식을 유발하거나 나사산에 달라붙게 할 수 있는 재질 성분을 포함해서는 안 되며, -46℃ ~ +66℃의 사용 온도에 적합해야 합니다.
④ L80 강종 9Cr 및 13Cr 파이프 본체에는 노출된 강철 나사산 보호 링을 사용해서는 안 됩니다.

(5) 스레드 매개변수가 표준을 초과합니다
유정 파이프 생산에서 나사산 가공은 가장 중요한 공정이며, 유정 파이프의 나사산 품질을 결정짓는 핵심 공정입니다. 현재 대부분의 유정 파이프는 특수 CNC 공작기계를 사용하여 나사산 가공됩니다. 나사산 가공 시 공작물은 자동으로 중심이 맞춰지고 플로팅 클램핑됩니다. 나사산 가공에 사용되는 공구는 초경 공구이며, 스핀들 회전 속도는 무단입니다. 나사산 가공 방식에는 공작물이 회전하고 공구가 평면 이송하는 방식과 공작물이 고정된 상태에서 공구가 회전하며 이송하는 방식 두 가지가 있습니다. 이 두 가지 방식의 공작기계는 각각 고유한 특징을 가지고 있습니다. 전자는 사용의 유연성이 뛰어나 일반적인 테이퍼 나사산 가공 시 생산성이 높을 뿐만 아니라, 기밀성이 우수한 직접 연결 나사산 및 특수 연결 나사산(특수 버클) 가공도 가능합니다. 후자는 일반적인 테이퍼 나사산 가공 생산성이 전자보다 높지만, 특수 버클 가공에는 사전 가공 공작기계가 필요합니다. 나사산의 다양한 매개변수(중심 직경, 톱니 높이, 테이퍼, 피치, 톱니 각도, 닫힘 거리 등)는 나사산의 연결 강도와 밀봉 성능에 영향을 미칩니다. 나사산 닫힘 거리는 나사산의 각 매개변수 변동의 종합적인 값입니다. 나사산의 개별 매개변수가 기준을 충족하더라도 닫힘 거리가 기준을 충족하지 못할 수 있습니다. 나사산의 다양한 매개변수의 정확도는 원재료의 품질뿐만 아니라 나사산 가공 방법, 공작기계 종류, 가공 공정의 안정성, 그리고 나사산 빗의 치수 정확도 및 내마모성과도 관련이 있습니다. 다른 조건이 동일할 때, 나사산 빗의 치수 정확도가 나사산 크기의 정확도를 결정합니다. 일반적으로 나사산 빗의 치수 공차는 제품 공차의 1/3~1/4 또는 그 이상이면 충분합니다.

(6) 토크 및 J 값이 표준을 초과함: 오일 및 케이싱 토크는 커플링과 파이프 본체를 함께 조일 때 발생하는 체결 토크를 말합니다. 토크 제어의 목적은 커플링과 파이프 본체 사이의 연결 강도와 나사산 측의 접촉 압력 응력을 확보하고 해당 나사산 밀봉 그리스와 협력하여 오일 및 케이싱의 누출 방지를 달성하는 것입니다. API 표준 나사산의 경우 J 값은 커플링과 파이프 본체를 조인 후 파이프 끝단에서 커플링 중심까지의 거리를 나타내며, 이는 나사 연결 품질을 결정하는 중요한 매개변수 중 하나입니다.

(7) 누출: 오일 및 케이싱 파이프 본체와 커플링 나사산 사이의 접촉 압력 부족으로 인한 오일 및 케이싱 누출을 방지하기 위해, 커플링이 장착된 오일 및 케이싱은 표준에 따라 정수압 시험을 받아야 합니다. 파이프 본체와 커플링을 연결하는 나사산의 누출은 나사산의 종류 및 품질, 오일 및 케이싱의 조임, 그리고 나사산 밀봉 그리스의 품질과 관련이 있습니다. 나사산 종류 측면에서 원형 나사산의 밀봉 성능이 사다리꼴 나사산보다 우수하며, 특수 나사산은 더욱 우수합니다. 고정밀 나사산 형상과 적절한 오일 및 케이싱 조임 토크는 나사산의 밀봉 성능 향상에 도움이 됩니다. 나사산 밀봉 그리스는 커플링 조임 및 오일 및 케이싱 사용 시 윤활, 나사산 틈새 충진(밀봉), 그리고 부식 방지 역할을 합니다.

2. 유정 파이프의 성능
유정 파이프의 성능에는 점착 방지 성능, 붕괴 방지 성능, 부식 방지 성능 및 천공 성능이 포함됩니다.

(1) 마찰 방지 성능: 표준 요구 사항에 따라 오일 및 케이싱의 나사산 접합부는 조립 및 분해를 반복해야 합니다. 각 접합부는 6회씩 조립 및 분해해야 하며, 제조업체에서 권장하는 최대 토크로 조립한 후 분해하여 오일 및 케이싱의 내외부 나사산의 마찰 여부를 확인해야 합니다. 오일 및 케이싱 나사산의 마찰은 나사산 품질, 나사산 표면 경도, 조립 속도, 표면 마찰 계수 및 접촉 응력(결합 나사 조임 토크)과 같은 요인과 관련이 있습니다. 오일 및 케이싱 나사산의 마찰 방지 성능을 향상시키려면 나사산의 마감, 경도 및 균일성을 개선하고, 조립 속도를 줄이며, 나사 조임 토크를 제어해야 합니다. 동시에, 오일 파이프 본체와 케이싱을 커플링으로부터 분리하여 두 나사산의 금속 표면이 서로 달라붙는 것을 방지하고 나사산의 파손이나 파단을 막기 위해 커플링의 내측 나사산 표면에 보다 부드러운 금속 또는 비금속 피막층을 도금해야 합니다. 커플링을 조이기 전에 나사산 표면에 나사산 그리스를 도포하여 커플링 조임 후 나사산이 달라붙는 것을 방지하고 나사산의 밀봉 성능을 향상시켜야 합니다. 커플링 나사산 표면 코팅 방법에는 아연 도금 및 인산염 처리와 같은 다양한 방법이 있으며, 일부 특수 재질 및 특수 연결 나사산의 경우 동 도금이 필요한 경우도 있습니다. 공장 관련 마찰 요인으로는 나사산 매개변수(피치, 톱니 높이, 테이퍼, 조임 모멘트, 톱니 프로파일 반각 등), 내외부 나사산 접합(표면 처리, 표면 조도, 인산염 처리, 아연 도금, 동 도금 등), 나사산 그리스(기능: 윤활, 충진 및 밀봉 등, 금속 분말과 그리스로 구성), 나사산 제어(나사산 토크, 나사산 속도 등), 재료 요인 등이 있습니다. 유전의 사용 및 운영 관련 요인으로는 나사산 보호 장치 없이 인양하는 경우, 나사산이 비뚤어진 경우(파이프가 공중에서 흔들리며 유정 나사산과 동심원이 아닌 경우), 나사산이 없거나 적게 있는 경우, 나사산 그리스(표준 요구 사항을 충족하지 못하거나 모래 및 기타 이물질이 있는 경우), 나사산 속도 및 나사산 토크, 대형 집게의 클램핑력 등이 있습니다.

(2) 붕괴 방지(압축) 성능: 시추 깊이가 증가함에 따라 유정 및 가스정의 오일과 케이싱에 가해지는 압력이 증가하며, 특히 심정, 초심정 또는 암염, 염반석, 셰일 및 연암층과 같은 복잡한 지층의 유정에서는 소성 유동을 차단해야 하므로 압력이 더욱 증가합니다. 외부 압력이 특정 한계를 초과하면 유정 파이프 본체에 홈이나 타원형 변형이 발생하는데, 이를 유정 파이프 붕괴라고 합니다.

(3) 내식성: 일부 유전 및 가스전에는 황화수소, 이산화탄소, 염화 이온과 같은 부식성 매체가 다량 함유되어 있어 유정 및 케이싱에 대한 내식성 요구 사항이 제기되는데, 여기에는 황화물 응력 부식 저항성, CO2 및 Cl- 부식 저항성 등이 포함됩니다. 유정 및 케이싱의 내식성은 주로 강재의 화학 조성 및 강관의 잔류 응력 값과 같은 요인과 관련이 있습니다. 강재의 비금속 개재물 및 유해 원소 함량을 줄이고, Cr 및 Ni과 같은 내식성 원소 함량을 늘리고, 강관의 잔류 응력을 줄이고, 강관의 항복 강도 비율을 향상시키는 것은 모두 유정 및 케이싱의 내식성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

(4) 천공 성능: 유층 케이싱의 석유 생산 부분(다층 유정의 층상 석유 생산)은 지정된 유층 유사층에서 원유가 케이싱으로 흐르도록 천공이 필요합니다. 따라서 유층 케이싱은 우수한 천공 성능을 가져야 하며, 특히 건리스 천공 작업을 사용하는 경우 케이싱의 천공 성능이 더욱 높아야 합니다. 케이싱의 천공 성능은 천공 시험을 통해 얻습니다. 즉, 시험할 케이싱을 모의 유정에 매달고, 일정 간격과 다양한 방향으로 일정 개수의 형상 천공탄을 케이싱에 매달아 천공을 수행합니다. 천공 후, 시험 케이싱의 구멍 주변에 균열이 없으면 천공 성능이 양호한 것으로 간주하고, 구멍 주변에 작은 균열이 몇 개 있더라도 그 개수와 길이가 기술 조건 요구 사항을 초과하지 않으면 천공 성능이 적합한 것으로 간주합니다. 또한, 천공 부위 주변의 균열 개수나 길이가 요구 조건을 초과하는 경우, 특히 인접한 두 천공 부위 사이의 균열이 연결되어 있는 경우에는 천공 성능이 불량한 것으로 간주됩니다. 유전에서는 천공 후 케이싱의 팽창량과 천공 부위 주변의 내외부 버(burr) 높이에 대한 명확한 요구 조건도 규정하고 있습니다.