KR20080063371A - Heat treatment method of thick wall forging - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 일반적으로는, 후벽 단조물의 열처리 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 특정 조성의 저합금강을 사용하는 후벽 단조물의 열처리 및 제어된 뜨임 및 담금질 공정에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of heat treatment of thick wall forgings, and more particularly to the heat treatment and controlled tempering and quenching processes of thick wall forgings using low alloyed steels of a specific composition.
오일 및 가스 탐사에 있어서 양호한 제어는 중요하다. 예를 들어 오일 및 가스 탐사 작업에서 시추공을 굴착할 때, 굴착 작업과 연관된 불의의 사고로 인한 작업자의 상해 및 장비의 손상을 방지하기 위해 안전장치가 배치되어야 한다.Good control is important for oil and gas exploration. For example, when drilling boreholes in oil and gas exploration operations, safety devices must be deployed to prevent injury to personnel and equipment damage from accidental accidents associated with the excavation work.
오일 및 가스 탐사에서 시추공을 굴착하는 것은 다양한 지표면 지질 구조 또는 "레이어(layer)"를 굴착하는 것을 포함한다. 간혹, 웰보어(wellbore)는 웰보어 내에 유지된 압력보다 실질적으로 더 높은 형성 압력을 가지는 레이어를 통과하게 된다. 이 경우, 시추공은 "킥을 맞는다(taken a kick)"고 한다. 이러한 킥과 연관된 압력 증가는 일반적으로 형성 유체(액체, 기체, 또는 이들의 혼합물일 수 있음)의 유입에 의해 이루어진다. 비교적 고압의 킥은 웰보어 업홀(uphole)의 입구 지점으로부터(고압 영역으로부터 저압 영역으로) 전파되는 경향이 있다. 킥이 지표면에 도달할 수 있는 경우, 굴착 유체, 시추공 툴, 및 다른 굴착 구조물이 웰보 어로부터 분출될 수 있다. 이들 "분출(blowout)"은 굴착 장비(시추 장비를 포함)의 치명적인 파손 및 작업자의 사상을 초래할 수 있다.Excavating boreholes in oil and gas exploration involves excavating various surface geologic structures or “layers”. Sometimes a wellbore will pass through a layer having a formation pressure that is substantially higher than the pressure maintained in the wellbore. In this case, the borehole is said to "taken a kick." The pressure increase associated with such kicks is generally achieved by the inflow of forming fluid (which may be liquid, gas, or mixtures thereof). Relatively high pressure kicks tend to propagate from the inlet point of the wellbore uphole (from the high pressure region to the low pressure region). If the kick can reach the ground, digging fluid, borehole tools, and other digging structures can be ejected from the wellbore. These "blowouts" can result in catastrophic failure of the drilling rig (including the drilling rig) and the casualty of the operator.
이러한 분출의 위험 때문에, 지표면 또는 심해 시추 장치의 해상 플로어에는, 활성 수단이 킥을 제어할 수 있을 때까지 웰보어를 효과적으로 밀봉하도록 일반적으로 분출 방지기(blowout preventors; BOPs)가 설치된다. BOPs는 킥이 적절하게 제어되고 시스템에서 순환되도록 작동한다.Because of the risk of such ejection, blowout preventers (BOPs) are generally installed on the surface of the ground or deep sea drilling device to effectively seal the well bore until the active means can control the kick. BOPs work so that kicks are properly controlled and circulated in the system.
도 1은 종래 기술의 환형 BOP(101)를 나타낸다. 환형 BOP(101)는 하우징(102)을 포함하고, 하우징(102)은 내부를 관통하며 길이방향 축(103)을 중심으로 배치된 보어를 갖는다. 패킹 유닛(105)은 환형 BOP(101) 내부에 배치되며 마찬가지로 길이방향 축(103)을 중심으로 한다. 패킷 유닛(105)은 탄성 환형체(107) 및 복수의 금속 인서트(109)를 포함한다. 환형 BOP(101)는 피스톤실(112)의 개구부(113)로 펌핑된 유체에 의해 작동된다. 유체는 피스톤(117)에 압력을 가하여 위쪽으로 이동시켜서 패킹 유닛(105)을 길이방향 축(103) 둘레에서 압축시킨다. 길이방향 축(103)을 따라 굴착관이 존재하는 경우, 패킹 유닛(105)은 굴착관 둘레를 밀봉하게 된다. 유체가 피스톤실의 개구부(115)로 펌핑되는 경우, 환형 BOP(101)는 유사한 역방향 운동을 하게 된다. 그러면 유체는 피스톤(117)에 대하여 아래쪽으로 힘을 변환하여 패킹 유닛을 반경방향으로 확장시킨다. 제거 가능한 헤드(119)는, 필요시에 패킹 유닛(105)의 점검 또는 교환이 가능하도록 패킹 유닛(105)에 접근 가능하게 해준다.1 shows a prior art
BOP가 고압에 견뎌야 하기 때문에, BOP의 벽은 두껍고 인장강도 및 경도와 같은 기계적 특성이 균일한 것이 중요하다. BOP에 사용되는 단조물과 같은 단조물은 일반적으로, 강도를 증가시키고 특정의 기계적 특성이 최소가 되도록 열처리된 저합금강으로 만들어진다. 저합금강의 열처리는 일반적으로, 강을 불림(normalizing), 오스테나이트화(austenitizing), 담금질(quenching), 및 뜨임(tempering) 처리함으로써 이루어진다. 불림은, 강의 페라이트 입자 크기를 미세화하고, 잔류하는 불균일 응력을 저감시키고, 보다 균일한 기계적 특성을 가지도록 하기 위해 충분한 시간 동안 임계 온도 이상으로 가열하는 것을 포함한다. 그리고 단조물은 불림 온도로부터 공기 중에서 냉각된다. 금속은, 최대의 경도를 얻기 위해, 오스테나이트화 후에 액체 담금질된다. 오스테나이트화는, 담금질을 위한 준비로서 입자 구조를 오스테나이트로 변환하기 위해 강을 충분한 시간 동안 임계 온도 이상으로 가열하는 것을 포함한다. 담금질 중에, 오스테나이트화된 금속은, 물, 오일, 또는 폴리머와 같은 담금질 매질의 담금질조에 침지되며, 매우 드문 경우이지만, 대부분이 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite) 미세구조로 변태되도록 임계 냉각 속도를 얻기 위해 충분히 혼합될 수 있는 브라인(brine)에 침지되어, 금속의 경도 및 기계적 강도가 증대된다. 마지막으로, 이러한 처리에 사용되는 저합금강은 단조물을 항상 낮은 임계온도 미만의 온도로 재가열하여 뜨임 처리되어, 담금질된 금속에서의 높은 강도 및 경도가 저감되고 금속의 연성 및 인성이 증대된다. 뜨임은 "드로잉 더 템퍼(drawing the temper)" 또는 보다 간단하게 "드로잉(drawing)"으로도 알려져 있다.Since the BOP must withstand high pressure, it is important that the walls of the BOP are thick and uniform in mechanical properties such as tensile strength and hardness. Forgings, such as forgings used in BOPs, are generally made of low alloy steel that has been heat treated to increase strength and minimize certain mechanical properties. Heat treatment of low alloy steels is generally accomplished by normalizing, austenitizing, quenching, and tempering the steel. Soaking involves heating above the critical temperature for a sufficient time to refine the ferrite grain size of the steel, to reduce the remaining non-uniform stress, and to have more uniform mechanical properties. The forging is then cooled in air from the soak temperature. The metal is liquid quenched after austenitization to obtain maximum hardness. Austenitization involves heating the steel above a critical temperature for a sufficient time to convert the grain structure into austenite in preparation for quenching. During quenching, the austenitized metal is immersed in a quench bath of a quench medium, such as water, oil, or polymers, and in very rare cases, is critical to transform most of the bainite or martensite microstructures. It is immersed in a brine that can be sufficiently mixed to obtain a cooling rate, thereby increasing the hardness and mechanical strength of the metal. Finally, the low alloyed steels used in such treatments are always reheated forgings to temperatures below the low critical temperature, thereby tempering, reducing the high strength and hardness of the quenched metals and increasing the ductility and toughness of the metals. Tempering is also known as "drawing the temper" or, more simply, "drawing."
압력 용기를 제조하기 위해 대형 단조물을 사용하는 경우에는, 열처리 후에 강의 증대된 강도가 단조물의 전체적인 단면 두께에 걸쳐서 가능한 균일한 것이 중요하다. 강의 두께가 수 인치가 되는 경우에는 강의 균일한 강도를 얻기가 어렵다. 대형 단조물을 담금질하는 경우, 단조물의 담금질 매질과 접촉하고 있는 외표면은 최대의 변태 및 그에 따른 기계적 특성을 얻기 위해 필요한 높은 냉각 속도를 가질 수 있다. 그러나 단조물의 중심 쪽 내부의 금속 매스의 냉각 속도는, 금속 매스가 표면 및 담금질 매질로부터 멀리 위치됨에 따라 점진적으로 느려지게 된다. 따라서, 단면 두께가 수 인치에 달하는 강에서는, 단조물의 가장 내측의 금속 매스는, 급속하게 담금질될 수 없으며 대부분의 경우에 상 변태가 일어날 수 있는 최소의 임계 냉각 속도를 가지지 못하기 때문에, 금속의 기계적 특성 및 경도를 증대시키는 것이 가장 어렵다.In the case of using large forgings to produce pressure vessels, it is important that the increased strength of the steel after heat treatment is as uniform as possible over the entire cross-sectional thickness of the forging. If the thickness of the steel is several inches, it is difficult to obtain uniform strength of the steel. When quenching a large forging, the outer surface in contact with the quenching medium of the forging may have a high cooling rate necessary to achieve maximum transformation and thus mechanical properties. However, the cooling rate of the metal mass inside the center side of the forging is gradually slowed down as the metal mass is located far from the surface and the quenching medium. Thus, in steels with cross-sectional thicknesses of several inches, the innermost metal mass of the forging cannot be quenched rapidly and in most cases does not have the minimum critical cooling rate at which phase transformation can occur. It is most difficult to increase the mechanical properties and hardness.
압력 용기를 제조하기 위해 대형 단조물을 사용하는 경우에는, 열처리 후에 강의 증대된 강도가 단조물의 전체 두께에 걸쳐서 가능한 균일한 것이 중요하다. 강의 두께가 수 인치가 되는 경우에는 강의 균일한 강도를 얻기가 어렵다. 대형 단조물을 담금질하는 경우, 단조물의 담금질 매질과 접촉하고 있는 외표면은 최대 경도를 얻기 위해 필요한 높은 냉각 속도를 가질 수 있다. 그러나 단조물의 내측의 금속 매스의 냉각 속도는, 금속 매스가 담금질 매질로부터 멀리 위치됨에 따라 점진적으로 느려지게 된다. 따라서, 두께가 수 인치에 달하는 강에서는, 단조물의 가장 내측의 금속 매스는, 급속하게 담금질될 수 없기 때문에, 금속의 경도를 증대시키는 것이 가장 어렵다.When large forgings are used to produce pressure vessels, it is important that the increased strength of the steel after heat treatment is as uniform as possible over the entire thickness of the forging. If the thickness of the steel is several inches, it is difficult to obtain uniform strength of the steel. When quenching a large forging, the outer surface in contact with the quenching medium of the forging may have the high cooling rate necessary to achieve maximum hardness. However, the cooling rate of the metal mass inside the forging is gradually slowed down as the metal mass is located far from the quenching medium. Therefore, in steels up to several inches in thickness, it is most difficult to increase the hardness of the metal because the innermost metal mass of the forging cannot be quenched rapidly.
경화능(hardenability)의 깊이는 비교적 큰 단면 두께에서 균일하게 열처리 에 대응할 수 있는 능력이다. 저합금강은 양호한 깊이의 경화능 분야에 잘 알려져 있다. 미국철강협회규격 AISI 4130으로 정의된 저합금강은 일반적으로 약 2인치로 제한된 경화능의 깊이에서 75 내지 80 Ksi의 항복강도를 가지며, 이 항복강도 범위는 열처리 프로세로부터 2인치의 영역에서 유지될 수 있는 것으로 기대된다. AISI 4140으로 정의된 다른 저합금강은 75 내지 80 Ksi의 유사한 항복강도를 가지며, 일반적으로 경화능의 깊이가 6인치로 제한된다.The depth of hardenability is the ability to cope with heat treatment uniformly at relatively large cross-sectional thicknesses. Low alloy steels are well known in the field of good depth hardenability. Low-alloy steel, defined as American Steel Association standard AISI 4130, typically has a yield strength of 75 to 80 Ksi at a depth of hardening limited to about 2 inches, which yields a range of 2 inches from the heat treatment process. It is expected to be possible. Other low alloy steels, defined as AISI 4140, have a similar yield strength of 75 to 80 Ksi, and are generally limited to 6 inches of hardening depth.
대형 BOP 및 압력 용기에 있어서, 강의 단면은 20인치를 초과하는 두께를 가질 수 있다. 그러므로, 고강도 레벨을 얻을 수 있도록 경화능의 깊이가 큰 강의 조성이 요구된다.For large BOP and pressure vessels, the steel cross section may have a thickness in excess of 20 inches. Therefore, a composition of steel with a large depth of hardening ability is required to obtain a high strength level.
일 측면에서, 본 발명은 후벽 단조물의 열처리 방법에 관한 것이다. 이 방법은 저합금강을 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계를 포함하며, 저합금강은 약 0.05 내지 0.2 wt.%의 탄소, 약 0.3 내지 0.8 wt.%의 망간, 및 약 0.25 내지 1.0 wt.%의 니켈을 포함한다. 상기 방법은 또한, 저합금강을 담금질 매질에서 담금질한 후 1인치의 임계 단면 두께당 약 30분 미만으로 뜨임을 한 후 약 2시간 더 뜨임을 하는 단계를 포함한다.In one aspect, the present invention relates to a method of heat treatment of a thick wall forging. The method includes heating the low alloy steel to an austenitization temperature, wherein the low alloy steel has about 0.05 to 0.2 wt.% Carbon, about 0.3 to 0.8 wt.% Manganese, and about 0.25 to 1.0 wt.% Contains nickel. The method also includes the step of quenching the low alloyed steel in the quenching medium, followed by tempering to less than about 30 minutes per critical inch thickness of one inch, followed by another two hours.
다른 측면에서, 본 발명은 단조물에 관한 것이다. 단조물은 약 0.05 내지 0.2 wt.%의 탄소, 약 0.3 내지 0.8 wt.%의 망간, 및 약 0.25 내지 1.0 wt.%의 니켈을 포함한다. 단조물은 또한, 약 8인치 이상의 단면 두께를 가지며, 내부 항복강도는 약 85Ksi보다 크고, 브리넬 경도값(Brinell hardness value)은 최대 약 237이다.In another aspect, the present invention relates to a forging. The forging comprises about 0.05 to 0.2 wt.% Carbon, about 0.3 to 0.8 wt.% Manganese, and about 0.25 to 1.0 wt.% Nickel. The forging also has a cross-sectional thickness of at least about 8 inches, an internal yield strength of greater than about 85 Ksi, and a Brinell hardness value of up to about 237.
본 발명의 다른 측면 및 장점은 이하의 설명 및 청구범위를 통해 명백해질 것이다.Other aspects and advantages of the invention will be apparent from the following description and claims.
도 1은 종래 기술의 환형 분출 방지기의 절개도이다.1 is a cutaway view of a prior art annular spout protector.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단조물의 열처리 방법을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a heat treatment method of a forging according to an embodiment of the present invention.
도 3은 물의 냉각력 대비 물의 온도를 나타내는 선도이다.3 is a diagram showing the temperature of water compared to the cooling power of water.
도 4는 물 및 브라인에서 담금질된 강의 경도 결과를 나타내는 선도이다.4 is a plot showing the hardness results of steel quenched in water and brine.
일 측면에서, 본 발명은 후벽 단조물의 열처리 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 방법은 벽의 전체 폭에 걸쳐서 고강도 레벨을 요구하는 BOP의 제조에 이용될 수 있다.In one aspect, the present invention provides a method for heat treatment of a rear wall forging. More specifically, the method can be used to produce BOPs that require high strength levels over the entire width of the wall.
상술한 바와 같이, 고압의 환경에서 견뎌야 하는 후벽 단조물을 위해, 경도 및 강도를 증가시키도록 소정의 바람직한 조성을 가지는 저합금강이 열처리되어야 한다.As mentioned above, for thick wall forgings that must withstand high pressure environments, low alloyed steels with certain desirable compositions must be heat treated to increase hardness and strength.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 약 0.05 내지 0.2 wt.%의 탄소, 약 0.3 내지 0.8 wt.%의 망간, 및 약 0.25 내지 1.0 wt.%의 니켈을 포함하는 저합금강을 이용한다. 이러한 화학적 조성에 의해, 저합금강은, 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리되는 경우, 8인치를 초과하는 경화능 깊이를 가질 수 있다. 다른 실시예에 서, 니켈의 조성은 약 0.5 내지 1.0 wt.%로 제한될 수 있다. 저합금강은, 탄소, 망간, 및 니켈 외에, 일 실시예의 화학적 조성이, 최대 약 0.04 wt.%의 인, 최대 약 0.04 wt.%의 황, 최대 약 0.5 wt.%의 규소, 약 2.0 내지 2.5 wt.%의 크롬, 및 약 0.45 내지 1.15 wt.%의 몰리브덴을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 몰리브덴은 0.90 내지 1.10 wt.%일 수 있다.The method according to one embodiment of the invention utilizes a low alloy steel comprising about 0.05 to 0.2 wt.% Carbon, about 0.3 to 0.8 wt.% Manganese, and about 0.25 to 1.0 wt.% Nickel. Due to this chemical composition, the low alloy steel, when heat treated according to one embodiment of the invention, may have a hardenability depth of greater than 8 inches. In another embodiment, the composition of nickel may be limited to about 0.5 to 1.0 wt.%. Low alloy steels, in addition to carbon, manganese, and nickel, have the chemical composition of one embodiment of up to about 0.04 wt.% Phosphorus, up to about 0.04 wt.% Sulfur, up to about 0.5 wt.% Silicon, about 2.0 to 2.5 wt.% chromium, and about 0.45 to 1.15 wt.% molybdenum. In one embodiment, molybdenum may be 0.90 to 1.10 wt.%.
저합금강은, 경화능의 깊이가 큰 것 외에, 매우 높은 파괴인성(fracture toughness)을 가져야 한다. 파괴인성은 파괴 변형이 클 때 재료에 의해 흡수되는 에너지의 양을 측정한다. 인성이 큰 재료는 취성을 가진 재료보다 많은 에너지를 흡수한다. 본 발명의 저합금강은 BOP와 같은 대형 고압력 용기에서 사용되는데 필요한 파괴인성을 제공할 수 있다.Low alloy steels must have very high fracture toughness, in addition to having a large depth of hardenability. Fracture toughness measures the amount of energy absorbed by a material when the fracture strain is large. Highly tough materials absorb more energy than brittle materials. The low alloy steels of the present invention can provide the fracture toughness required for use in large high pressure vessels such as BOP.
종래의 일반적인 강 용융 기술은 저합금강의 바람직한 인 및 황 함량을 상기 언급한 최대치보다 훨씬 낮게 할 수 있다. 인 및 황의 양을 적게 사용하면 강의 파괴인성을 높일 수 있다. 또한, 저합금강은, 합금강이 본래 요소들과 함께 용융될 때 용융 공정에서 칼슘 처리되어, 황화물 형태 조절 및 파괴인성을 개선시킬 수 있다. 또한, 저합금강은 탈산(deoxidation) 및 입자 미세화를 위해 알루미늄 및/또는 바나듐을 포함할 수 있다.Conventional general steel melting techniques can make the desired phosphorus and sulfur content of low alloyed steels much lower than the above mentioned maximums. Using less phosphorus and sulfur can increase the fracture toughness of the steel. In addition, low alloy steels can be calcium treated in the melting process when the alloy steels are melted with the original elements to improve sulfide morphology and fracture toughness. In addition, low alloy steels may include aluminum and / or vanadium for deoxidation and particle refinement.
본 발명의 일 실시예에서, 저합금강의 열처리는, 불림, 오스테나이트화, 담금질, 및 뜨임과 같은 금속 열처리용 표준 방식에 따라 이루어진다. 선택적인 불림 처리는 일반적으로, 저합금강이 선택된 불림 온도인 ±25℉(±14℃) 내에서 조절된다. 불림 온도는 일반적으로 오스테나이트화 온도보다 높은 25 내지 50℉(14 내지 28℃)가 되도록 선택된다. 그리고 단조물은 1725℉(940℃) 이상과 같은 오스테나이트화 온도에서 오스테나이트를 형성하도록 재가열되며, 선택된 온도는 약 ±25℉(±14℃) 내에서 조절된다. 단조물은, 오스테나이트화 후, 담금질 매질의 초기 온도가 약 75℉(24℃)를 초과하지 않는, 충분히 혼합된 담금질 침지조에서 담금질된다. 담금질의 개시에서 초기 담금질 매질 온도를 약 75℉ 미만으로 유지하면, 저합금강의 냉각 속도가 증가되어 담금질의 효율이 보다 좋아진다. 단면 두께가 약 8인치(약 20㎝)보다 큰 단조물에 대하여, 담금질 매질의 온도는 담금질의 종료 시에 약 95℉(35℃)를 초과하지 않도록 해야 한다. 두께가 최대 약 20인치(51㎝)인 단조물에 대하여, 담금질 매질의 온도는 담금질의 종료 시에 약 75℉(24℃)를 초과하지 않도록 해야 한다. 이를 위해, 담금질 매질의 선택된 온도 상승은 효율적이고 적절한 담금질에 필요한 최소량의 담금질 매질을 결정하게 된다. 담금질 매질의 선택된 온도 상승이 작으면 단조물로부터 동일한 양의 열을 얻기 위해 보다 많은 양의 담금질 매질을 필요로 하게 된다. 선택적으로, 담금질 탱크가 75℉(24℃)에서 흘러넘치거나, 담금질 냉각 매질 또는 담금질 매질이 75℉(24℃) 미만의 온도를 유지하도록 냉각 시스템을 순환할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the heat treatment of low alloy steel is performed according to standard methods for metal heat treatment such as soaking, austenitization, quenching, and tempering. Selective soaking treatment is generally achieved in which the low alloyed steel is controlled within a selected soak temperature of ± 25 ° F (± 14 ° C). The soak temperature is generally chosen to be 25-50 ° F. (14-28 ° C.) above the austenitization temperature. The forging is then reheated to form austenite at an austenitization temperature, such as at least 1725 ° F. (940 ° C.), and the selected temperature is controlled within about ± 25 ° F. (± 14 ° C.). The forge is quenched in a sufficiently mixed quench immersion bath after the austenitization, the initial temperature of the quenching medium does not exceed about 75 ° F. (24 ° C.). Maintaining the initial quenching medium temperature at less than about 75 ° F. at the onset of quenching increases the cooling rate of the low alloyed steel, resulting in better quenching efficiency. For forgings with cross-section thicknesses greater than about 8 inches (about 20 cm), the temperature of the quenching media should not exceed about 95 ° F. (35 ° C.) at the end of the quenching. For forgings up to about 20 inches (51 cm) thick, the temperature of the quenching media should not exceed about 75 ° F. (24 ° C.) at the end of the quenching. To this end, the selected temperature rise of the quenching medium will determine the minimum amount of quenching medium required for efficient and proper quenching. Smaller selected temperature rises of the quenching medium will require more quenching medium to obtain the same amount of heat from the forging. Optionally, the quench tank may overflow at 75 ° F. (24 ° C.), or the quench cooling medium or quench medium may be circulated to maintain a temperature below 75 ° F. (24 ° C.).
담금질 매질의 초기 온도를 약 55℉보다 낮게 그리고 약 32℉보다 높게 제어하면, 단조물이 보다 높은 온도의 담금질 매질에서 담금질되는 경우보다 경화의 깊이가 커지게 된다. 도 3은, Metals Handbook, 제9판, 제4권, 35쪽에서 발췌한 것으로, 냉각 매질의 냉각력 대 담금질 매질 온도를 나타내는 것이며, 여기서는 담금질 매질로서 물이 사용되었다. 도 3에 도시한 바와 같이, 물의 냉각력은 초기 온 도가 증가됨에 따라 신속하게 저하되며, 물은 단조물을 보다 신속하게 담금질할 수 있고 물의 초기 온도가 낮으면 경화의 깊이가 커질 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나 담금질 매질의 초기 온도가 낮아짐에 따라, 단조물은 "담금질 균열"로도 알려진 바와 같이, 균열 및 파열의 위험이 커진다. 그러므로, 담금질 균열 및 파열을 피하도록, 담금질 매질의 초기 온도가 지나치게 낮지 않도록 해야 한다.Controlling the initial temperature of the quenching medium below about 55 ° F. and above about 32 ° F. results in a greater depth of cure than when the forging is quenched in the higher temperature quench medium. Figure 3, taken from the Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 4,
저합금강에 대하여, 브라인은 물보다 바람직한 담금질 매질이며, 그 이유는, 브라인이 물보다 저합금강에서 보다 높은 경도를 제공할 수 있기 때문이다. 브라인은 물보다 적은 기포를 생성하며 따라서 저합금강의 표면을 적실 수 있다. 이로 인해, 브라인은 물에 비해 거의 2배 가까이 신속하게 저합금강을 냉각할 수 있어서, 저합금강이 보다 높은 경도를 가질 수 있도록 한다. 도 4는, Metals Handbook, 제9판, 제4권, 37쪽에서 발췌한 것으로, 물 및 브라인에서 담금질된 강의 결과를 보여준다. 도 4에 도시한 바와 같이, 180℉(80℃)의 동일한 온도에서 담금질을 하는 경우, 브라인에 의한 경도는 물에 의한 경도보다 높다. 브라인이 저합금강의 경도의 깊이를 증대시키도록 보다 신속한 담금질을 가능하게 하지만, 브라인은 물보다 부식성이 강하다. 따라서 담금질되는 재료 및 담금질 장비를 브라인으로부터 보호하기 위한 노력이 필요하다.For low alloyed steels, brine is a preferred quenching medium than water, because brine can provide higher hardness in low alloyed steels than water. Brine produces fewer bubbles than water and can therefore wet the surface of low alloy steel. This allows the brine to cool the low alloy steel almost twice as fast as water, allowing the low alloy steel to have a higher hardness. FIG. 4, taken from the Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 4, page 37, shows the results of steel quenched in water and brine. As shown in FIG. 4, when quenched at the same temperature of 180 ° F. (80 ° C.), the hardness by brine is higher than the hardness by water. Although brine allows for faster quenching to increase the depth of hardness of low alloy steels, brine is more corrosive than water. Thus, efforts are needed to protect the quenched material and the quenching equipment from brine.
단조물은 담금질 후, 단면 두께 1인치당 30분 이상 선택된 뜨임 온도로 뜨임 처리된 후 1 내지 2시간의 추가 소크 타임(soak time)을 갖는다. 선택된 뜨임 온도는 ±15℉(±8℃) 이내에서 유지되어야 한다.The forging has an additional soak time of 1-2 hours after quenching and tempering to a selected tempering temperature of at least 30 minutes per inch of cross-sectional thickness. The selected tempering temperature should be maintained within ± 15 ° F (± 8 ° C).
종래 기술에서는, 저합금강이 단면 두께 1인치당 45분 내지 1시간 동안 뜨임 처리된 후 1 내지 2시간의 뜨임 온도로 유지된다. 그러나 이러한 장시간 뜨임 처리 시간은 합금의 과도한 뜨임을 초래하여 저합금강의 기계적 특성의 불필요한 손실을 야기할 수 있다. 그 결과, 저합금강이 인장 강도 및 경도에 대한 조건을 충족하지 못할 수 있다.In the prior art, low alloy steels are tempered for 45 minutes to 1 hour per inch of cross-sectional thickness and then maintained at a tempering temperature of 1-2 hours. However, this long tempering treatment time can lead to excessive tempering of the alloy, resulting in unnecessary loss of mechanical properties of the low alloy steel. As a result, the low alloy steel may not meet the conditions for tensile strength and hardness.
불림, 오스테나이트화, 및 뜨임은 강의 합금 및 조성에 따른다. 적절한 불림, 오스테나이트화, 및 뜨임의 온도, 및 적절한 담금질 매질을 결정하기 위해 특정한 조성의 재료 사양이 참조될 수 있다.Soaking, austenitization, and tempering depend on the alloy and composition of the steel. Material specifications of a particular composition may be consulted to determine the appropriate soaking, austenitization, and tempering temperatures, and the appropriate quenching medium.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단조물의 열처리 방법을 나타내는 흐름도이다. 이 방법에 사용되는 저합금강 단조물은, 본 발명의 화학적 조성으로 만들어진 것이며, 일반적으로 단면 두께가 8인치를 초과한다. 이 방법은 선택적인 불림 공정(210)으로 시작을 하여, 단조물이 약 ±25℉(±14℃) 이내의 불림 온도로 가열된다. 선택적인 불림 공정(210) 후, 단조물은 오스테나이트화 공정(220)에서 선택된 오스테나이트화 온도의 약 ±25℉(±14℃) 이내의 오스테나이트화 온도 범위로 재가열된다. 그리고, 단조물은 담금질 공정(230)에서, 활발하게 교반되는 담금질 침지조를 이용하여 담금질 매질에 침지된다. 담금질 공정(230)에서 사용되는 담금질 매질은 약 75℉(24℃) 미만의 초기 온도를 가져야 한다. 그러나, 담금질 매질의 초기 온도가 약 55℉(13℃) 내지 32℉(0℃) 사이에서 제어되면 단조물의 경화의 깊이가 더 커질 수 있다. 두께가 약 12인치 미만인 단조물에서는, 담금질의 종료에 의해 담금질 매질이 약 95℉(35℃)를 초과하지 않도록 담금질조가 충분히 커야 한다. 두께가 약 20인치 미만인 단조물에서는, 담금질의 종료에 의해 담금질 매질이 약 75℉(24℃)를 초과하지 않도록 담금질조가 충분히 커야 한다. 또한 담금질 공정(230)에서는, 커다란 단조물을 담금질하는데 있어서 브라인이 물보다 바람직한 담금질 매질이다. 단조물은 담금질 공정(230) 후에 뜨임 공정(240)이 수행된다. 단조물은 약 ±15℉(±8℃) 이내의 선택된 뜨임 온도로 가열된다. 특히, 단조물은 두께 1인치당 30분 동안 뜨임 처리된 후 1 내지 2시간의 추가 소크 타임을 갖는다. 예를 들어, 본 발명의 화학적 조성을 가지는 10인치 두께의 단조물은 약 6 내지 7시간 동안 뜨임 처리되어야 한다. 상기 방법(200)에 의해 형성된 단조물은, 8인치를 초과하는 경화능 깊이를 가지게 되며, BOP로서 사용되기에 안전하도록 필요한 소정의 기계적 특성을 충족할 수 있게 된다. 특히, 단조물은 API(미국석유협회)의 규격서 16A / ISO 13533 섹션 6.3에 기재되어 있는 바와 같은, 압력 수용 부재를 위한 API의 기준을 충족할 수 있게 된다.2 is a flowchart illustrating a heat treatment method of a forging according to an embodiment of the present invention. The low alloy steel forgings used in this method are made from the chemical composition of the present invention and generally have a cross-sectional thickness of more than 8 inches. This method begins with an optional soak
약 85Ksi 이상의 내부 항복강도, 약 100Ksi 이상의 극한강도(ultimate strength), 약 20% 이상의 연신률, 약 70% 이상의 면적 감소율, 및 브리넬 경도값이 약 217 내지 237인 표면 경도를 가지는 단조물을 형성하기 위해, 화학적 조성, 열처리 온도 조절, 담금질 매질 조절, 및 뜨임 시간 조절의 조합이 가능하다. 항복강도는, 저합금강이 소성변형 전까지 견딜 수 있는 인가된 응력을 말한다. 극한강도는, 저합금강이 파괴되기 전까지 견딜 수 있는 인가된 응력을 말한다. 연신률은, 저합금강의 길이가 파괴되기 전까지 본래 길이에 비해 변화되는 것을 말한다. 면적 감소율은, 저합금강의 단면적이 인장에 의해 파괴되기 전까지 본래의 단면적에 비해 가장 크게 변화되는 것을 말한다. 약 217 이상의 브리넬 경도값은, 저합 금강이 항복강도 및 극한강도에 관한 최소의 기계적 특성을 충족하도록 보장한다. 최대 약 237의 브리넬 경도값은, 사워 서비스(sour service)에 사용되도록 의도된 저합금강을 위한 NACE MR 0175 / ISO 15156의 조건을 충족하도록 보장한다. BOP는 간혹 사워 서비스에 노출되며, 따라서 NACE MR 0175 / ISO 15156의 필요조건을 충족하도록 API 16A의 규격을 따라야 한다. 사워 서비스는, 합금에 SSCC(Sulfide Stress Corrosion Cracking)가 일어나기에 충분한 농도의 황화수소(H2S)를 함유한 웰보어 유체 환경에서 합금을 사용하는 것을 말한다.To form a forging having an internal yield strength of at least about 85 Ksi, an ultimate strength of at least about 100 Ksi, an elongation of at least about 20%, an area reduction of at least about 70%, and a surface hardness of Brinell hardness values of about 217 to 237. A combination of chemical composition, heat treatment temperature control, quenching medium control, and tempering time control is possible. Yield strength refers to the applied stress that the low alloy steel can withstand before plastic deformation. Ultimate strength refers to the applied stress that can withstand low-alloy steels before failure. Elongation refers to the change in length from the original length until the length of the low alloy steel is broken. The area reduction rate means that the cross-sectional area of low-alloy steel is changed most significantly compared to the original cross-sectional area until it is broken by tension. Brinell hardness values above about 217 ensure that the low alloy steels meet the minimum mechanical properties with regard to yield strength and ultimate strength. Brinell hardness values of up to about 237 ensure that the conditions of NACE MR 0175 / ISO 15156 for low alloy steels intended to be used for sour service are met. BOPs are sometimes exposed to sour services and therefore must conform to the specifications of API 16A to meet the requirements of NACE MR 0175 / ISO 15156. Sour service refers to the use of the alloy in a wellbore fluid environment containing hydrogen sulfide (H 2 S) at a concentration sufficient to cause sulfide stress corrosion cracking (SSCC) in the alloy.
종래 기술의 주요 구성요소인, 본 발명의 저합금강으로 만들어질 수 있는 환형 BOPs(101)는, 하우징(102), 피스톤(117), 및 제거 가능한 헤드(119)를 포함한다. 당업자들은, 본 발명의 저합금강이 압력용기에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시예는 본 발명의 저합금강으로 만들어진 후벽 단조물의 사용과 결합된다.
이상, 한정된 여러 실시예에 관하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자들은 본 발명의 범위 내에서 다른 실시예를 고려할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.While the invention has been described above with respect to a limited number of embodiments, those skilled in the art may contemplate other embodiments within the scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the claims.
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