KR890001135B1 - 중간 심층의 황함유 유정용 관재 - Google Patents
중간 심층의 황함유 유정용 관재 Download PDFInfo
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Abstract
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Description
본 발명은 특히 중간 심층(深層)의 황(黃)함유 유정(油井 ; sour wells) 에 사용하기 위한 니켈 기재 합금으로 이루어진 관재(管材)에 관한 것이다.
기상 및 액상 탄화수소의 계속되는 탐사에는 다수의 문제점들이 제기되어 왔다. 예를 들면, 종전보다 유정의 탐사 깊이가 더 깊어질수록 유정 내에서의 금속제 관재의 부식으로 인한 더욱 심각한 문제점들이 발견되어 왔다. 심층 유정, 특히 임해 지역의 유정에 있어서는, 종전에는 발견되지 않았던 부식성 성분들과 더불어 고압·고온이 문제점으로 대두되었다. 따라서, 약457m의 심도까지 파내려 간 심층 유정에 있어서는, 물과 함께 다량의 황하수소, 염 및 이산화탄소가 메탄 및 기타 탄화수소 성분과 함께 발견된다. 때로는, 유용한 탄화수소가 부식성분 또는 불필요한 성분들로 심하게 희석되므로, 회수된 기체 혼합물 중의 유용한 탄화수소의 성분이 적어지게 된다. 예상되지 않았던 이러한 문제점의 심각성은 드릴 배열장치(drill strings)의 파괴를 초래하고, 이로 인하여 완성된 유정의 수명을 단축시키는 원인이 되어 왔다. 1950년대 이래, 카나다에서는 종래의 관재를 사용하여 운전되고 있는 황 함유 가스 유정들이 있으나, 북미지역, 프랑스, 독일 및 오스트레일리아의 해안 지역이나 임해 지역에 착정된 유정들은 그 관재가 고도의 부식 및 조기 파괴에 직면하고 있는 실정이다. 가스 유정에 채용되는 관재는 예컨대 항복 강도가 1379 N/mm2인 고강도강이다. ″중간심층″, 이를테면 심도 457m정도의 유정용의 경우에는, 내식성이 상당이 큰 관재의 사용이 고려되어야 한다. 물론, 유정 내에서의 유용한 수명 기간동안 표준 재료를 보호하기 위한 방식 기술이 개발될 수 있다면, 이러한 관재의 사용이 계속될 것이다. 그러나, 이산화탄소 및 염류와 함께 다량의 황화수소의 존재하에 pH가 낮고, 온도가 약 260℃, 저부공(bottom hole)의 압력이 약 138N/mm2으로 알려진 유정에 있어서는, 고강도의 표준강에 비하여 내식성이 개선된 관재가 필요하다.
현재 광범위한 침식성 매체에 대하여 내성을 가지는 다수의 합금이 입수 가능하며, 사실상 여러 해 동안 화학 공업에서 광범위하게 사용되어 왔다. 화학 장치로 구성할 경우, 이들 합금은 통상적으로 어니일링 처리한 상태(annealed condition)로 공급되며, 비교적 낮은 강도, 예컨대 약 310-345 N/mm2에 해당하는 0.2%실온 항복 강도를 갖는다. 이와 같은 강도는 유정 관재로 사용하기에는 부적합하다. 냉간 처리에 의하여 이들 합금의 강도가 증대되지만, 이들 합금이 0.2% 실온 내항복(耐降伏) 강도[offset yield strength]를 758.4 N/mm2에 해당하는 값으로 올리기 위하여 충분히 냉각 처리될 때까지 연신률(연성의 척도)은 바람직하지 않게 낮은 값, 예를 들면 약 10%이하로 떨어지게 된다. 이와 같이 낮은 연성값은 장치 설계자들이 쉽게 감지하게 되며, 이와 같이 냉간 처리된 재료로 제작된 장치는 불의의 가능한 대파만을 초래하게 된다는 사실을 알게된다. 이와 같은 합금의 일종인 합금 G로서 시판되고 있는 공지의 합금이 미합중국 특허 제2, 777,766호의 명세서에 기재되고 특히 청구되어 있다. 이 특허 명세서에는 비등 질산, 비등 황산, 통기시킨 염산 및 염화제이철과 염화나트륨의 혼합물에 대한 합금의 내성을 입증하는 데이타가 제시되어 있다.
이 특허는 이들 합금이 500°내지 900℃의 온도에 노출시키면 부분적으로 분해된다는 점을 경고하고, 1100°내지 1150℃에서 어니일링 처리한 다음 비교적 신속히 냉각시킬 것을 권고하고 있다. 크롬 21 내지 23.5%, 몰리브덴 5.5 내지 7.5%, 철 18 내지 21%, 망간 1 내지 2%, 탄소 0.05% 이하, 구리 1.5% 내지 2.5%, 니오브/ 탄탈 1.75 내지 2.5%, 실리콘 1% 및 잔량의 니켈과 기타 불순물로 되는 조성을 갖는 시판합금 G의 항복 강도는 0.318cm시이트의 경우에, 실온에서 318.6 N/mm2에 해당하는 0.2%내항복 강도를 나타내지만, 두께 0.95 내지 1.59cm의 플레이트는 310N/mm2의 항복 강도 및 연신률 61 내지 62%에서 우수한 연성을 가진다. 제조업자들의 문헌에는 합금 G를 760℃ 및 816℃와 같은 온도에서 시효화(時
化)시킬 수 있다고 지적되고 있으며, 로크웰 ˝C˝30의 경도는 816℃에서 100시간동안 시효화한 후의 경도라고 보고되어 왔다. 그러나, 이 합금을 760℃ 및 816℃의 온도에서 장시간 동안 시효화시키면, 샤르피 V-노치 및 충격 강도가 낮은 수준으로 감소된다. 이 샤르피 충격 강도는 816℃에서 100시간 시효화시키면 6.8주울로 낮아진다고 보고되어 있다.
이와 같은 낮은 충격 강도는 설계자에 있어서는 바람직하지가 못한 것이며, 실제로 제조업자들의 문헌들은 일반적으로 합금 G는 용해 열처리된 상태로 공급 되어야 한다고 지적하고 있다. 비슷한 용도의 다른 합금으로서는 합금 825가 있는데, 이 합금은 니켈 38 내지 46%, 탄소 0.05%이하, 철 22% 이상, 구리 1.5 내지 3%, 크롬 19.5 내지 23.5%, 알루미늄 0.2% 이하, 티탄 0.6 내지 1.2%, 망간 1% 이하, 규소 0.5% 이하 및 몰리브덴 2.5내지 3.5%로 조성된 것이다. 이 이합금역시 밀(mill)에서 어니일 처리된 상태로 공급되며, 제조업자들의 문헌에는 항복강도가 241.3 N/mm2(0.2% 내항복 ; offset), 연신률이 30%로 보고되어 있다. 그러나, 이 합금에 대한 잠재적인 시효 경화에 대해서는 발표된 것이 없다.
영국 특허 제897,464호에는 양호한 연성을 가지는 시효 경화성 합금이 기재되어 있다. 그러나, 이 합금은 소기의 물성들의 조합을 성취시키기 위하여, 조절된 소량의 알루미늄 및 티탄 성분과 함께 고함량, 즉 3-8% 범위의 니오브(및/또는 탄탈)를 반드시 요구하는 결점이 있다. 이 특허 명세서에 기재된 실시예의 합금은 3.85-7.10%의 니오브를 함유한다.
이제, 니켈-철 크롬 합금에 알루미늄과 티탄을 도입시킴으로써, 고항복 강도와 양호한 내식성의 소망하는 조합을 달성시킬 수 있다는 사실이 발견되었다. 더우기, 이 합금은 냉간 가공 및 적당한 열처리 후에도 충분한 연성을 지니며, 가공성이 있고, 이음매 없는 관상으로 용이하게 제공될 수 있다.
본 발명에 의한 합금은 니켈 38 내지 46%, 크롬 19.5 내지 23.5%, 알루미늄 0.06-0.65%, 티탄 0.9 내지 3%, 몰리브덴 2.5 내지 3.5%, 구리 1.5 내지 3%, 니오브 최고 3.5%, 그리고 니오브의 함량이 1.5%이상일 경우에는 알루미늄+티탄 함량이 1.0% 이상 3.25% 이하, 니오브를 사용하지 않거나 또는 니오브의 함량이 1.5% 이하일 경우에는 알루미늄+티탄함량이 1.3% 이상 3.25% 이하, 탄소 0.15% 이하, 망간 최고 1%, 규소 최고 0.5%, 코발트 최고 2%, 붕소 최고 0.005%, 그리고 잔량은 불순물을 제외한 철분으로 된다.
본 명세서에서 표시되는 백분률은 모두 중량%를 의미한다. 이와 같은 부류의 합금에는 흔히 있는 불순물들이 존재할 수 있다. 이와 같은 불순물들의 대표적인 예로서는 황 및 인을 들 수 있는데, 니오브를 함유하는 합금의 경우에는 탄탈이 그러한 불순물로 존재할 수 있다.
이 합금은 621°내지 732℃에서 최고 24시간 동안의 열처리 후에 시효 경화될 수 있다. 기타의 열처리에는 621°내지 732℃의 온도 내의 어느 온도에서의 열처리와 보다 낮은 온도에서 추가로 열처리하면서 상기 열처리 온도로부터 보다 낮은 온도로 서서히 냉각시키는 열처리법이 있다. 예를 들면, 732℃에서 8시간의 열처리까지의 노냉(爐冷)에 이어, 621℃에서 8시간 유지시킨 다음, 실온까지 공냉(空冷)시키는 공정으로 이루어진 열처리가 본 발명의 합금 처리에 효과적이다. 합금의 조성, 냉각 가공 및 시효화의 적절한 조합에 의하여 비교적 단시간, 예를 들면 1시간 내에 만족스러운 특성을 얻을 수 있다. 그러한 단시간의 열처리는 본 발명에 의해 생산되는 관재로 하여금 로커( rocker)화덕이나 또는 다른 형태의 노 내에서의 연속적인 시효화를 가능하게 한다. 그 합금을 경화시키는 시효화능(時效化能)은 동일한 조성의 합금을 단순히 냉간 처리하여 동일한 강도로 되게 하는 경우보다 일정 강도에서의 연성을 실질적으로 향상시켜 준다. 예를 들면, 본 발명에 의하여 제공되는 시효 경화합금에 있어서는 965.3 N/mm2의 항복 강도에서 연신률이 20%인 합금을 얻을 수 있다. 1282 N/mm2정도의 높은 항복 강도에서까지도 12.5%의 인장 연신률이 나타나게 되었다.
최적의 항복 강도와 연성을 얻으려면, 본 발명의 합금의 티탄 함량을 1.5 내지 2.5%, 알루미늄 함량을 0.1 내지 0.6%로 유지시키는 것이 좋다. 알루미늄+티탄함량이 많으면 연성에 영향을 미치므로, 3%을 초과하지 않도록 하는 것이 좋다, 니오브가 존재할 경우, 니오브와 티탄을 동시에 고함량으로 함유시키면 고온 전성(展性)이 문제가 되므로, 니오브와 티탄을 고함량으로 함유시키는 것은 피하여야 한다. 티탄의 회수율을 증대시키고 일정하게 하려면, 알루미늄 함량을 약 0.3% 정도로 하는 것이 용해시 유리하다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 합금은 여러가지 매질 중에서 내식성이 우수할 뿐만 아니라, 이 내식성은 어떠한 시효 경화 반응에 의해서도 나쁜 영향을 받지 않는다. 예를 들면, 입자간 공격(攻擊)에 대한 내성을 측정하기 위하여 흔히 사용되고 있는 후에이 시험(Huey test)에 있어서, 본 발명의 합금은 시효 경화될 수 없는 유사한 합금과 사실상 동일한 내성을 나타내었다. 다음의 실시예로서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명은 이 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
아래 표I에 기재한 조성을 가지며, 각각의 중량이 14Kg인 8개의 진공 용해체를 제조하였다.
[표 1]
주괴(鑄塊)를 1149℃에서 16시간 균질화시켜 공냉(空冷)시킨 다음, 1093℃의 가열 온도에서 0.635cm드래프트(drafts)를 사용하여 2.06cm의 각봉(角棒)들을 단조하였다. 이 봉을 1121℃에서 열간 압연하고, 필요에 따라서는 재가열시켜 직경이 1.43 cm인 열간 압연봉으로 만들었다. 열간 가공시에 아무런 곤란성도 발생되지 아니하였다. 제작된 압연봉을 941℃에서 1시간 동안 어리일 처리하여 공냉시켰다. 다음에, 이 압연봉을 냉간 스웨이징 처리(cold swaging)하여 직경 1.40cm의 크기로 하고, 941℃에서 1시간동안 다시 어니일처리를 행하여 공냉시켰다. 이 압연봉을 17% 냉간 인발시켜 직경 1.27cm로 하였다. 제작된 압연봉들의 열간 압연 및 시효화 상태와, 냉간 가공 및 시효화 상태에 있어서의 경도 및 인장 특성을 측정한 다음, 이들결과를 아래 표II, III, 및 Ⅳ에 각각 기재하였다.
[표II]
941℃/시간 어니일 처리 후 공냉시킨 직경 1.43cm의 열간 압연봉
(주) AC : 공냉(Air Cool)
Y.S. : 항복 강도
T.S. : 인장 강도
E1 : 연신률
[표III]
경도 조사 토크웰″C″
인발시킨(17% CR)직경 1.27cm의 둥근 냉간 인발체
(주) AC : 공냉(Air Cool)
FC : 8시간 동안 55.5℃/hr로 621℃까지 노냉 후, 공냉시킨 것.
[표Ⅳ]
직경 1.27cm의 냉간 인발봉
조건 : 인발(17% 냉간 감소)
시효화 : 인발+732℃/8hr ; 노냉 : 8시간 동안 55.5℃/hr로 621℃까지 노냉 후 공냉시킴.
(주)″B″*:로크웰″B″측정기
Y.S. : 항복 강도
T.S. : 인장 강도
E1 : 연신률
냉간 인발 조건(17% 냉간 감소)에 있는 제I표의 합금들을 아래 표 Ⅴ에 기재한 온도에서 1시간 동안 열처리 하였다. 절반 크기의 시편상에서의 샤르피 V-노치 충격치, 인장 특성 및 경도를 측정한 다음, 이들 결과를 표Ⅴ에 기재하였다. 표준 시편상에서의 샤르피Ⅴ-노치 충격치는 표Ⅴ에 기재한 충격치를 2배하여 얻을 수 있다.
(주) Y.S. : 항복 강도
T.S. : 인장 강도
E1 : 연신률
상기 결과로부터 합금 825로 시판 중에 있고 경화제 함량이 낮은 합금 A는 본 발명의 합금과는 대조적으로 시효 열처리에 대한 반응이 거의 또는 전혀 없다는 사실을 알 수 있다. 최적의 강도와 연성의 조합은 티탄 함량이 1.5 내지 2.5%일 때 얻어지며, 알루미늄 함량은 이러한 티탄 함량에 거의 영향을 미치지 않는다.
[실시예 2]
중량이 각각 14kg인 6개의 시료를 아래 표Ⅳ의 화학조성에 따라 제조하였다. 주괴를 1149℃에서 12내지 16시간 동안 균질화하고, 1182℃에서 2.06cm각재로 단조하였다. 이 각재들을 1182℃에서 직경 1.43cm로 열간 압연한 다음, 이것을 940.6℃에서 1시간 동안 어니일 처리하고, 산세(酸洗)후 냉간 일반(18%)하여 직경 1.27cm의 봉을 만들었다. 이어서, 732℃에서 1시간 동안 냉간 가공 및 시효 처리한 후, 실온에서의 인장강도와 경도를 측정하고, 이 결과들을 표Ⅶ에 기재하였다.
[표 Ⅴ]
[표 Ⅵ]
(주) AC : 공냉(Air Cool)
Y.S. : 항복강도
T.S. : 인장강도
E1 : 연신률
상기 결과로부터, 니오브를 함유한 합금에 있어서 경화제 함량이 증가되면 항복 강도(0.2% 내항복 ; offset)및 인장 강도에 도움이 되지만 연성이 감소되는 경향이 있음을 알 수 있다. 합금 8과 10의 결과로부터, 상당량의 니오브를 함유하는 합금에 있어서는, 알루미늄+티탄함량을 보다 적게 함유시켜도 좋다는 것을 알 수 있다.
Claims (5)
- 니켈 38-46 중량%, 크롬 19.5-23.5 중량%, 알루미늄 0.06-0.65 중량%, 티탄 0.9-3 중량%, 몰리브덴 2.5-3.5 중량%, 구리 1.5-3 중량%, 니오브 최고 3.5 중량 %(단 니으브 함량이 1.5중량% 이상일 경우에는 알루미늄+티탄의 함량이 1-3.25중량 %이고, 니오브를 사용하지 않거나 또는 니오브 함량이 1.5중량% 이하일 경우에는 알루미늄+티탄의 함량이 1.3-3.25 중량% 임), 탄소 0.15중량% 이하, 붕소 최고 0.005 중량%, 망간 최고 1 중량%, 규소 최고 0.5 중량%, 코발트 최고 2 중량%, 그리고 불순물을 제외한 철분 잔량으로 구성되는 합금으로 된 것을 특징으로 하는 중간 심층의 황 함유 유정용 관재.
- 제1항에 있어서, 알루미늄 함량이 0.1-0.6 중량%인 관재.
- 제1 또는 제2항에 있어서, 티탄 함량이 1.5-2.5 중량%인 관재.
- 제1 또는 제3항중 어느 하나의 항에 있어서, 니오브 함량이 1.5-3.0 중량%인 관재.
- 제1항에 있어서, 621℃ 내지 732℃의 온도에서 최장 24시간까지 열처리하고, 이어서 위 온도보다 낮은 온도에서 추가로 열처리하여 시효 경화시켰을때, 782.6 N/m m2이상의 실온 항복 강도와 20% 이상의 연신률을 갖는 합금으로 된 관재.
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