KR100706078B1 - 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학약품 주입액용 수송 튜브로서, 하이드로릭 플루이드로 충전되는 튜브를 위해, C 최대 0.05%, Si 최대 0.8%, Mn 0.30-1.5%, Cr 28.0-30.0%, Ni 5.80-7.40%, Mo 2.00-2.50%, N 0.30-0.40%, Cu 최대 1.0%, W 최대 2.0%, S 최대 0.010%, 30-70% 페라이트 및 나머지는 오스테나이트로 정의된 조성을 가진 페라이트-오스테나이트 합금의 용도 또는 적용 엄빌리컬에서의 다른 용도에 관한 것이다.

Description

해수 중의 엄빌리컬용 스테인레스강의 용도{USE OF A STAINLESS STEEL FOR UMBILICALS IN SEAWATERS}

본 발명은 스테인레스강 합금의 용도, 더 한정하면 해저에 배치하기 위한 튜브의 형태로 사용하기 위한 페라이트-오스테나이트강 합금의 용도, 더 한정하면 해양에서 석유 및 가스 매장물 개발시 용도에 관한 것이다. 따라서, 이 튜브 적용에서 재료는 공격적인 클로라이드 환경에서의 부식 특성이 우수하고, 기계적 및 물리적 특성이 우수하고, 피로특성이 우수할 뿐만 아니라 튜브로 수송되어야하는 수압유체의 형태에 대한 양립성이 우수해야 한다. 이 적용을 위한 튜브는 이음매없는 고온 압출 튜브와 같이 제조된다.

해저에서 석유를 추출할 때에는 해저로부터 석유 매장물까지 구멍을 뚫는다. 해저에, 원유를 처리하고 사용가능한 산물 또는 반가공 산물로 정제하는 장치까지, 원유의 유동 및 연속 수송 제어를 위한 장치가 설치된다. 해저 장치에는, 특히, 죔/압력/유속 등을 제어하는 밸브, 및 화학약품을 유정으로 주입할 수 있는 튜브로의 연결장치가 있다. 메틸알콜은 흔히 원유가 응고하여 생산파이프가 원치않게 중단되는 것을 피하기 위해 주입하여 사용된다.

해저 장치의 밸브 및 연결장치는 플랫폼, 생산선박 또는 해수면 또는 육지의 다른 장치으로부터 수압으로 또는 전기적으로 조종된다. 일명 엄빌리컬(탯줄)은 조종 장치과 해저의 장치들을 연결한다. 해저에 놓인, 예를 들어, 상이한 추출장소의 두 해저장치 사이에 놓인 엄빌리컬의 일부는 해양 움직임에 대해 단지 비교적 미미한 크기의 영향을 받기 때문에 정적 엄빌리컬이라고 불린다. 해수와 해수면 사이에 위치한 엄빌리컬의 일부는 동적 엄빌리컬이라 불리고, 해저 및 해수면의 움직임에 매우 큰 연장 효과를 받는다. 이러한 움직임의 예로는 해류, 플랫폼/생산선박의 움직임 및 파도가 있다.

도 1은 해수면(3) 상에 닻을 내린 플랫폼(2)으로부터 나와 해저에 놓인 통상의 엄빌리컬 튜브(1)를 나타낸다. 이 엄빌리컬에서, 다수의 튜브(4)는 수력 및 전기적 제어를 위해, 메틸알콜과 같은 화학약품을 주입하기 위한 중앙 튜브와 함께 튜브 다발로 모아진다. 엄빌리컬은 해저 장치의 용도에 따라 배치가 달라질 수 있지만, 일반적으로 중앙에 메틸알콜을 주입하기 위해 더 큰 튜브가 있고, 그 둘레에 더 얇은 튜브가 감긴다. 종종 엄빌리컬 튜브를 모으고, 그 전체를 배치 및 설치하기 위해 플라스틱 커버(6)가 사용된다.

엄빌리컬 튜브에서 튜브(4,5)에 가장 필요한 것은 내부식성 및 기계적 특성이다. 튜브 재료는 튜브의 외면을 둘러싼 해수에 대해 내부식성이 있어야 하고, 해수는 스테인레스강에 대해 부식작용이 매우 크기 때문에, 이 특성이 가장 중요한 것으로 생각된다. 또한, 이 재료는 오일 스프링에 주입되어야 하는 부식액에 대해 내부식성이 커야한다. 이 물질은 유체를 오염시키지 않고 수압을 제어하는데 사용되는 수압유체에 대해 양립할 수 있어야 한다. 반드시 존재하는 불순물은 해저 제 어 장치에서 기능에 매우 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

사용된 튜브 재료의 기계적 특성은 적용 엄빌리컬 튜브에서 매우 중요하다. 석유 추출 장소는 상당히 깊기 때문에, 일반적으로 엄빌리컬의 동적 부분이 길어져 무거워진다. 플랫폼이나 수상 생산선박은 이 무게를 운반해야 하고, 엄빌리컬이 더 가볍게 만들어지면, 사용가능한 네트 리프트는 엄빌리컬을 들어올리는 것과는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 실제로, 한정된 배치로 엄빌리컬의 중량을 줄이는 두 가지 다른 방법이 있다. 더 가벼운 재료를 선택하거나, 밀도는 같고 항복점 및 장력이 더 높은 재료를 선택하는 것이다. 고강도 재료를 선택하면 벽이 더 얇은 튜브를 사용할 수 있으므로, 엄빌리컬의 총 질량이 감소할 수 있다. 추출 장소인 바다가 깊을수록, 재료의 엄빌리컬 미터 당 총 중량이 더 중요해진다.

우수한 부식 특성 및 고강도 이외에 피로 강도 특성도 우수해야한다. 이것은 특히 해수 및 해상 장치의 움직임에 의해 큰 영향을 받는 엄빌리컬의 동적 부분과 관련된다.

엄빌리컬에 대한 일반적인 필요조건은 하기와 같이 요약할 수 있다:

Fe 함량: 35-55%

PRE(Cr+3.3Mo+16N): 최소 40

장력 항복점 Rp0.2min=650MPa.

장력 강도 Rm=800-1000MPa.

신장 A5 최소 25%

ASTM G48A에 따른 시험 온도 최소 50℃

ASTM G48B에 따른 시험 온도 최소 35℃

용접성

우수한 내피로성

지금까지 가장 흔히 사용되는 엄빌리컬용 재료는 산드빅 SAF 2507이라는 상표로 시판되고, UNS S32750이라는 이름으로 표준화된 페라이트-오스테나이트 스테인레스강이었다. 지금까지 이 재료는 내부식성 및 강도에 대한 필요조건을 잘 충족시키는 것으로 입증되어 왔다. 이 강합금은 유럽 특허 EP-A-220141호에 상세히 기재되어 있다.

놀랍게도, 중요한 합금 성분인 Cr, N의 함량 및 초 이중 합금을 얻기 위한 Mo의 적정 함량을 늘리고, 이음매없는 튜브로 고온 압출한 후, 필요한 최종 크기로 냉간압연하고, 마지막으로 정확하게 선택된 수준의 온도에서 어닐링함으로써, 증가된 장력 항복점 및 증가된 장력 강도을 가지고, 동시에 우수한 연성 및 우수한 피팅 부식 특성을 유지하는 튜브 재료를 얻을 수 있다는 것이 알려졌다.

엄빌리컬 튜브로 적용 및 비교 실험하기 위한 이러한 종류의 재료는 하기에 상세히 나타낸다.

도 1은 해수면 상에 닻을 내린 플랫폼으로부터 나와 해저에 놓인 통상의 엄빌리컬 튜브를 나타내는 도면이고,

도 2는 SAF 2507 및 본 발명에 따른 재료의 변형조절 피로특성을 비교한 결과를 나타내는 도면이다.

실시예 1

시험 재료는 170kg 빌릿을 주조하고, 이것들을 직경 126mm의 원형 막대로 고온 단조하고, 48 x 5 mm 크기의 이음매없는 튜브로 고온 압출하고, 31 x 3 mm 크기로 냉간압연하여 제조하였다. 최종 어닐링은 1040℃에서 수행하고, 5분 동안 유지시킨 후 물로 급냉하였다. 조성은 표 1에 나타내었다. 이 합금들은 비교예로서 고려되며, USA 특허 제 5582656호로도 공지된 이러한 재료가 일반적으로 당해 적용의 필요조건을 따르는 것이 아니라, 본 명세서에서 상기한 이러한 적용에 대한 필요조건을 달성하기 위해, 제조시 특정 요건과 함께 최적화된 변형이 필요하다는 것을 나타낸다.

이 재료는 ASTM G48C에 따라 6% FeCl에서 피팅 부식을 시험하였고, 출발 온 도는 40℃이고, 피팅 부식이 시작될 때까지 5℃ 간격이었다. 이것이 처음 발생했을 때의 온도를 임계 피팅 부식 온도(Critical Pitting Corrosion Temperature, CPT)라고 한다.

신장 시험도 실온에서 실시하였다. 시험 결과는 표 2에 나타내었다.

실시예 2

AOD-제조, 고온 압출, 직경이 126mm인 원형막대로 열간압연, 이음매없는 튜브를 33.2 x 3.5 mm 크기로 압출 및 15.2 x 1.2 mm 크기로 냉간압연하여 재료를 제조하였다. 두가지 상이한 온도, 1020℃ 및 1060℃에서 어닐링하고, 2분간 유지한 후 물로 급냉하였다.

이 재료의 조성은 표 3에 나타낸다. 이 재료의 조성은 본 특허 출원의 범위 내에 있다.

시험 재료의 조성, 중량%

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N	Ca
0.021	0.27	0.90	0.016	0.001	28.80	6.62	2.20	0.38	0.0026

이 재료를 일부는 인공 해수에서 증가된 퍼텐셜로(표 4 참조), 일부는 종종 고합금 스테인레스강 재료의 수용시험에 사용되는 6% FeCl₃에서(표 5 참조) 피팅 부식에 대해 시험하였고, ASTM G48 표준으로 구체화하였다. 이 시험에서, 재료는 이의 최종 형상으로 시험하였고, 즉, 필그림 단계 압연 밀에서 압연 및 어닐링하였고, 어닐링 후에는 표면 스트립연마하였다. 시험하기 전에는 내면 및 외면을 더 연마시키지 않았다. 이 결과로부터 이 형상의 재료는 SAF 2507에 대한 이들의 정렬에서 확실히 피팅 부식 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.

상이한 최종 어닐링 온도(1020℃ 및 1060℃)를 가진 재료의 +600mV SCE에서 인공 해수에서 본 발명에 따른 엄빌리컬 튜브의 임계 피팅 부식 온도.

시험	CPT (℃) 1	CPT (℃) 2	CPT (℃) 3	CPT (℃) 4	CPT (℃) 5	CPT (℃) 6	CPT (℃) 평균	S (℃)
1 (1060℃)	75	75	70	75	75	70	73	3
2 (1020℃)	65	65	70	65	65	70	67	3

상이한 최종 어닐링 온도(1020℃ 및 1060℃)를 가진 재료의 6% FeCl₃(ASTM G48 시험)에서의 엄빌리컬 튜브의 임계 피팅 부식 온도(CPT).

시험	CPT(℃) 시험1	CPT(℃) 시험2
1(1060℃)	75	75
2(1020℃)	65	65

내경의 크기가 약 10-20 mm인 튜브가 일반적으로 엄빌리컬에 사용된다. 이러한 크기의 강 등급 SAF 2507에서, 650MPa의 장력 항복점 및 850MPa의 장력 강도가 보증될 수 있는 이러한 값들로 사용되므로, 엄빌리컬 상의 설계 계산에 사용될 수 있다. 본 발명이 관련된 상기 강 등급에서 대응 방법으로 제조한 튜브들은 대응 크기와 함께, 놀랍게도 최소 25%의 보유 연성 A와 함께 850MPa 이상의 장력 항복점 및 1000MPa 이상의 장력 강도를 가지는 것으로 나타났다(표 5 참조).

신장의 최소요건을 충족시키기 위해, 1020℃의 최종 어닐링 온도와는 달리, 1060℃의 최종 어닐링 온도는 신장을 위한 최소 요건이 필요조건에 따를 수 없다는 것을 의미한다. 이 결과는 동일한 적용에서 SAF 2507 튜브에 비해, 튜브 벽을 거의 20-25%로 줄일 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 배치내에 12개의 튜브를 가진 2km의 엄빌리컬에 대해, 벽두께를 그렇게 감소시킨다는 것은 총중량이 상당히 많이 감소한다는 것을 나타낼 수 있다.

1060℃의 어닐링 온도가 1020℃의 어닐링 온도보다 더 바람직하다는 것이 명백하다. 임계 피팅 내부식성은 1060℃에서 어닐링된 재료에서 더 높고, 장력 시험에서 신장 평균도 1060℃에서 어닐링된 재료에서 가장 높다. 특히, 1020℃에서 어닐링된 재료는 본 발명의 엄빌리컬 재료에 대한 필요조건인 25% 이상의 신장 요건을 통과한 것이 확인될 수 있다. 재료에 대한 적당한 어닐링 온도는 1060℃ 정도, 바람직하게는 1040-1080℃의 범위이다.

튜브 재료는 기본 재료로서 유사 조성을 가진 0.8mm TIG-와이어를 가지고 버트에 용접하였다. 용접 하에 보호 가스로서 Ar+3%N₂를 사용하였다. 충전 재료에 대한 조성은 표 7에 나타낸다.

용접 시험에 사용된 TIG-와이어의 조성.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	N
0.013	0.23	1.15	0.018	0.001	29.49	8.03	2.51	0.30

출발 온도 40℃ 및 5℃ 간격으로 재료를 ASTM G48C에 따라 장력 시험하였다. 그 결과를 표 8에 나타내었다.

튜브 재료에 대해 두 상이한 어닐링 온도를 가진 버트-용접 튜브의 장력 시험 및 피팅 부식 시험 결과(ASTM G48C에 따른 임계 피팅 부식 온도).

	CPT (℃)	RPO2 (MPa)	Rm (MPa)	A5 (%)
1020℃	40℃	873	1056	15.3
1060℃	42.5℃	859	1057	16.4

재료에 대한 변형조절 피로특성을 연구하고, 다른 고합금 스테인레스강의 경우와 비교하였다. 사인곡선 파장 형태로 부하를 변화시켜 변형을 조절하고 신장 평균 속도를 5x10^-3S^-1로 하여 시험하였다.

그 결과를 도 2에 나타내었다.

상기 최종 어닐링 및 적용 엄빌리컬 튜브를 위해 잘 최적화된 나머지에 가장 적합한 재료는 C 최대 0.05%, Si 최대 0.8%, Mn 0.30-1.5%, Cr 28.0-30.0%, Ni 5.80-7.40%, Mo 2.00~2.50%, N 0.30-0.40%, Cu 최대 1.0%, W 최대 2.0%, S 최대 0.010%, 및 나머지 Fe 및 일반적으로 생기는 불순물로 한정된 조성을 가져야 하고, 페라이트의 함량은 30-70%이고, 나머지는 오스테나이트이다. 최종 냉간압연 후에, 1040-1080℃에서 3-10분 동안 튜브를 최종 어닐링하고, 물로 급냉하였다.

본 발명의 강은 SAF 2507과 동일한 범위의 피로특성을 가지는 것으로 나타났다. 변형조절 피로특성은 재료에서 변형 피로가 일어나기 전에 얼마나 많이 얼마나 자주 재료가 신장될 수 있는지를 나타낸다. 엄빌리컬 튜브는 길게 함께 용접되고, 드럼에 감긴 후에 엄빌리컬로 감기기 때문에, 엄빌리컬이 사용되기 전에 다수의 작업 주기가 수행되는 곳에서 어떤 소성 변형이 일어나는 것은 드문 일이 아니다. 시작된 변형 피로에 대한 데이터는, 엄빌리컬 튜브에서 변형 피로의 결과로 파손될 위험이 거의 없다는 것을 명시한다.

상기 분석에 따르면, 강은 엄빌리컬 튜브로 적용하기에 알맞은 뛰어난 특성을 포함한다. 이 재료는 PRE-수가 커서 해수 중에서 내부식성이 높고, 엄빌리컬의 상이한 튜브로 수송되는 현재 가장 많이 사용되는 유체와 양립할 수 있다. 재료의 고강도로 인해 오늘날 이 적용에서 가장 통상적인 재료인 SAF 2507에 비해 벽 두께가 상당히 감소될 수 있다. 엄빌리컬에서 중량을 줄이는 것은 깊은 바다에서 석유를 채굴하기 위해 매우 중요한 일이고, 점점 더 일반화되고 있다.

튜브의 접합용접은 만족스럽게 작동하는데, 이것은 상기 엄빌리컬이 생산될 수 있기 위한 요건이다. 피로특성은 변형 감소된 피로 파손에 대한 위험이 거의 없다는 것을 나타낸다.

Claims (5)

1. C 최대 0.05 중량%, Si 최대 0.8 중량%, Mn 0.30-1.5 중량%, Cr 28.0-30.0 중량%, Ni 5.80-7.40 중량%, Mo 2.00-2.50 중량%, N 0.30-0.40 중량%, Cu 최대 1.0 중량%, W 최대 2.0 중량%, S 최대 0.010 중량%, 잔여 Fe 및 일반적으로 생기는 불순물로 한정된 조성을 가지며, 30-70 중량% 페라이트 및 나머지는 오스테나이트로 정의된 조성을 가진 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬.
2. 제 1항에 있어서,

   750MPa 이상의 이음매없는 튜브의 장력 항복점 및 동시에 25% 이상의 신장을 나타내는 것을 특징으로 하는 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬.
3. 제 1항에 있어서,

   850MPa 이상의 이음매없는 튜브의 장력 항복점 및 동시에 25% 이상의 신장을 나타내는 것을 특징으로 하는 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   강 튜브의 형상이 서로 단접되고, 원통에 감기는 것을 특징으로 하는 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬.
5. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 재료가 고온압출 후 냉간압연하고 1040-1080℃의 온도에서 3-10분의 유지시간 동안 어닐링시킨 후 물로 급냉시킨 이음매없는 튜브의 형태로 사용되는 것을 특징으로 하는 페라이트-오스테나이트 합금으로 제조된 엄빌리컬.

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