석유 시추 파이프는 유전 시추 장비의 핵심 구성 요소이자 석유 시추 스트링의 주요 부품입니다. 시추 스트링을 연결하고, 시추 과정에서 진흙을 이송하며, 토크를 전달하는 역할을 합니다. 작업 중에는 압축, 인장, 비틀림, 굽힘 등 복합적인 하중을 받으며, 강한 진동과 충격에도 노출됩니다. 현재 석유 시추 파이프는 마찰 용접으로 파이프 이음매와 파이프 본체를 접합하고, 용접 부위는 용접 후 국부적으로 담금질 및 템퍼링 처리합니다. 연구 결과, 시추 파이프 용접 부위에서 저응력 취성 파괴가 가장 흔하게 발생하는 현상이며, 용접 부위가 전체 시추 파이프의 취약 부위가 되는 것으로 나타났습니다. 따라서 용접 부위의 기계적 특성을 제어하는 것은 시추 파이프의 품질을 확보하는 데 매우 중요하며, 충격 인성은 시추 파이프 용접 부위의 기계적 특성을 판단하는 핵심 지표입니다.
첫째, 저충격 인성 분석의 이유
충격 인성 시험 결과가 기준에 미달하는 것을 제외하고는, 드릴 파이프 용접 시편의 다른 기계적 특성은 API SPEC 5DP:2009의 요구 사항을 충족합니다. 용접부 양면의 미세 구조는 템퍼링된 트루스타이트와 소량의 페라이트로 구성되어 있으며, 미템퍼링된 마르텐사이트나 조대한 과열 구조는 관찰되지 않았습니다. 용접 부위에는 A급 비금속 개재물이 다량 존재하며, 미세 개재물 등급은 1.5에 달합니다. 파이프 본체 재료의 인과 황 함량은 낮아 비금속 개재물 함량 또한 낮지만, 드릴 파이프 접합부 재료의 황 함량은 기준치를 초과하여 질량 분율이 0.016%에 이릅니다. 또한, A급 비금속 개재물의 조대 등급은 2.0에 달하며 함량도 비교적 높습니다. 용접 충격 시편의 파단면을 거시적 및 미시적으로 분석한 결과, 파단면에서 FeS와 MnS가 혼합된 비금속 개재물이 다량 존재함을 확인할 수 있습니다. 충격 시험편 파단면에서 A급 비금속 개재물의 함량이 높기 때문에 용접부의 조직 연속성이 파괴됩니다. 비금속 개재물의 소성 및 탄성은 강철과 매우 다릅니다. 비금속 개재물은 강철과 동시에 소성 변형될 수 없으므로 비금속 개재물 주변에 응력 집중이 점점 더 많이 발생하여 접합면이 약해집니다. 충격력이 가해지면 약한 접합면에서 균열이 먼저 발생하고, 결국 용접 접합면을 따라 균열이 확장되어 시험편이 파손됩니다. 따라서 시험편 용접부의 비금속 개재물 함량이 높으면 충격 인성이 크게 감소합니다. 드릴 파이프 접합 재료의 황 원소는 제련 과정에서 생성됩니다. 대부분의 황 원소는 수지상 결정립계에 모여 황화물을 형성합니다. 열간압연 공정에서 황화물은 변형되기 쉬우며, 종종 가느다란 원통형으로 뻗어 나가 띠 모양으로 분포하여 강재의 이방성을 유발합니다. 마찰 용접 시, 드릴 파이프 접합부와 파이프 본체는 고온 고압 조건에서 용접됩니다. 용접면에서 금속의 소성 변형이 발생하면서 황화물의 원래 분포 방향이 드릴 파이프 접합부 축과 평행한 방향에서 용접 방향과 평행한 방향, 즉 축 방향에 수직인 방향으로 바뀌게 되어 황화물이 용접부를 따라 분포하게 됩니다.
용접 시편의 용접 부위에 A급 비금속 개재물이 다량 함유되어 있어 조직의 연속성이 파괴되어 충격 인성이 API SPEC 5DP:2009의 요구 사항을 충족하지 못했지만, 인장 강도는 880MPa에 도달했습니다. 관련 연구에 따르면 시편에 인장 응력이 가해질 때, 인장 응력은 용접 접합면과 수직 방향으로 전체 용접 접합면에 고르게 분포됩니다. 따라서 비금속 개재물로 인한 균열 전파 속도는 비교적 느립니다. 그러나 시편에 충격력이 가해지면 용접 접합면에 불균일한 전단 응력이 발생하고, 비금속 개재물로 인해 형성된 균열 전파 속도는 상대적으로 빨라집니다. 따라서 비금속 개재물로 인해 형성된 약한 접합 결함은 용접 시편의 인장 강도에는 큰 영향을 미치지 않지만, 충격 인성에는 큰 영향을 미칩니다.
둘째, 결론 및 제안
(1) 드릴 파이프 용접부의 충격 인성은 낮고 API SPEC5DP:2009의 요구 사항을 충족하지 못합니다. 이는 용접부에 A급 비금속 개재물의 함량이 높아 구조의 연속성을 파괴하기 때문입니다. 충격력을 받으면 결함의 약한 접합면에서 균열이 먼저 발생하고 균열이 빠르게 확장되어 결국 시편이 파손됩니다.
(2) 드릴 파이프 접합 재료의 높은 황 함량과 A급 비금속 개재물의 높은 수준 및 함량은 용접부에서 A급 비금속 개재물 결함이 많이 발생하는 주된 이유입니다.
(3) 용접부 내 비금속 개재물에 의해 형성된 약한 결합 결함은 인장 강도에는 거의 영향을 미치지 않지만 용접 시편의 충격 인성에는 큰 영향을 미칩니다.
(4) 드릴 파이프 접합부가 공장에 입고될 때 비금속 개재물 검사를 강화하여 드릴 파이프 접합부 재료의 순도가 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 이를 통해 드릴 파이프 마찰 용접 용접부의 성능이 표준 요구 사항을 충족하는지 확인하는 것이 좋습니다.
게시 시간: 2024년 10월 15일