Microestructura y propiedades de las tuberías de aleación de titanio TC4 para ingeniería marina

Abstracto:
Para cumplir con los requisitos operativos de los cables de transporte de petróleo y gas de mar profundo y comunicación submarina en ingeniería marina, se realizó una producción de prueba en tuberías de aleación de titanio TC4 extruidos con dimensiones típicas de φ140 × 4 (espesor de pared) × 4000 mm. El objetivo era comprender la relación entre la microestructura, las propiedades y las técnicas de procesamiento de las tuberías, y proporcionar soporte técnico para la producción de tuberías de aleación de titanio de gran tamaño utilizadas en aplicaciones de ingeniería de aguas profundas.

Introducción

El siglo XXI marca una era de desarrollo sostenible de la economía marina, con los recursos oceánicos como un componente crucial del crecimiento económico. Los vastos océanos son ricos en recursos naturales como petróleo y gas, minerales metálicos, energía geotérmica y organismos marinos. La extracción y el transporte de petróleo en alta mar, gas y energía geotérmica, así como la colocación de cables de comunicación submarina, han establecido mayores demandas en el desarrollo de equipos de aguas profundas.

Las aleaciones de titanio son los materiales preferidos para equipos de aguas profundas debido a su baja densidad, alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión en el agua de mar.

Con el ritmo acelerado de la perforación de petróleo y gas, existe una demanda creciente de tuberías de aleación de titanio de gran diámetro. Estas tuberías se usan principalmente en pozos de petróleo, pozos geotérmicos y tuberías de gas natural. En los Estados Unidos, las tuberías de aleación TC4 con especificaciones de φ (48–610) × 26 × 2600 mm se han utilizado para aplicaciones de perforación geotérmica y en alta mar. RMI, una compañía estadounidense, ha producido Ti ultra largo -3 al -2. 5v tuberías de aleación (φ650 × (22–25) × 35000 mm) para la extracción de aceite submarino. En Noruega, las tuberías de aleación TC4ELI (φ600 × 25 × 15000 mm) se utilizan para elevadores en plataformas de perforación del Mar del Norte. La compañía VSMPO de Rusia fabrica aleaciones que contienen paladio y rutenio, así como TI -6 al -4 V tubos de aleación para extracción de aceite.

TC4 (Ti -6 al -4 v) La aleación de titanio posee excelentes propiedades integrales, con buena plasticidad y superplasticidad del proceso, lo que la hace adecuada para varios procesos de formación de presión. Se usa ampliamente en las industrias aeroespaciales y de aviación para piezas que operan por debajo de 400 grados y representa más del 50% del uso total de aleaciones de titanio. Las tuberías de aleación de titanio de gran diámetro se producen típicamente utilizando extrusión caliente, una tecnología madura que depende de la disponibilidad de grandes prensas de extrusión.

En este estudio, se realizó la producción de ensayos de tuberías de aleación de titanio TC4 extruidas con dimensiones φ140 × 4 × 4000 mm para explorar la relación entre la microestructura, las propiedades mecánicas y los parámetros de procesamiento, estableciendo el trabajo terrestre para la producción industrial de grandes tuberías de aleación de titanio para aplicaciones de aguas profundas.

1. Método experimental

1.1 Plan experimental

La prueba utilizó lingotes de aleación de titanio TC4 producidos por Baoji Titanium Industry Co., Ltd. a través de la remeliación de arco de consumo de doble vacío. Los lingotes se forjaron varias veces en las regiones de la fase y + para producir el stock de barra de φ270 mm, que luego se mecanizó en billets de extrusión. Se aplicó una capa de protección de doble votación a los billets para la protección de la superficie y la lubricación.

La extrusión se llevó a cabo utilizando una prensa de extrusión horizontal 3150- toneladas en la región de fase +. Los tubos extruidos se enderezaron en línea y la capa de óxido se eliminó a través del lavado de ácido alcalino. Las superficies internas y externas se mecanizaron para obtener la tubería TC4 terminada con dimensiones φ140 × 4 mm. La composición química de los lingotes cumple con los estándares GB\/T 3620.

1.2 Formación de extrusión

Debido a la mala conductividad térmica de las aleaciones de titanio, pueden ocurrir gradientes de temperatura significativos entre la superficie del tocho y el núcleo durante la extrusión, lo que lleva al flujo metálico no uniforme y al estrés por tracción adicional en la superficie. Esto puede causar grietas superficiales e incluso vacíos centrales en varillas o tubos en condiciones severas.

Además, los efectos térmicos durante la extrusión pueden causar sobrecalentamiento de la microestructura del material, comprometiendo la calidad del producto final. Por lo tanto, seleccionar parámetros de extrusión razonables es crucial. Según la experiencia previa en el desarrollo, los billets se calentaron a 950 grados, y se adoptaron una relación de extrusión de 3-10 y velocidades de extrusión de 50-120 mm\/s para minimizar los efectos térmicos y garantizar una buena calidad de la superficie y propiedades mecánicas. El diagrama de deformación de extrusión se muestra en la Figura 1, y la tubería extruida final se muestra en la Figura 2.

2. Resultados y discusión

2.1 Precisión superficial y dimensional

La calidad de la superficie de la tubería extruida era buena y la rectitud era satisfactoria. Después del mecanizado, las dimensiones cumplieron con las especificaciones de diseño.

2.2 microestructura

La extrusión se realizó a 40–50 grados por debajo del punto de transición de fase en la región +. Al controlar la tasa de deformación y prevenir el aumento de temperatura excesiva durante la deformación, se logró una estructura procesada de fase + típica. La microestructura mostró granos alargados y comprimidos orientados a lo largo de la dirección de la fuerza.

2.3 Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de temperatura ambiente se probaron en muestras de tuberías extruidas y después de recocido de refrigeración por aire a 750 grados durante 1 hora. Los resultados mostraron una buena coincidencia de todos los parámetros mecánicos, cumplen con los requisitos de diseño y aplicación.

3. Conclusión

El proceso de extrusión en caliente, cuando se combina con los parámetros de proceso apropiados, produjo tuberías de aleación de titanio TC4 con excelentes microestructura y propiedades mecánicas.

Las tuberías cumplen con todas las especificaciones de diseño y son adecuadas para su uso en tuberías de transporte de petróleo y gas submarino.