Microestrutura e propriedades dos tubos de liga de titânio TC4 para engenharia marítima

Resumo:
Para atender aos requisitos operacionais dos cabos de transporte de petróleo e gás e submarinos em engenharia marítima, uma produção de teste foi realizada em tubos de liga de titânio TC4 extrudados com dimensões típicas de φ140 × 4 (espessura da parede) × 4000 mm. O objetivo era entender a relação entre microestrutura, propriedades e técnicas de processamento dos tubos e fornecer suporte técnico para a produção de tubos de liga de titânio de grande porte usados ​​em aplicações de engenharia no mar profundo.

Introdução

O século XXI marca uma era de desenvolvimento sustentável da economia marinha, com os recursos oceânicos sendo um componente crucial do crescimento econômico. Os vastos oceanos são ricos em recursos naturais, como petróleo e gás, minerais metálicos, energia geotérmica e organismos marinhos. A extração e o transporte de petróleo, gás e energia geotérmica offshore, bem como a colocação dos cabos de comunicação submarinos, colocaram maiores demandas no desenvolvimento de equipamentos de profundo mar.

As ligas de titânio são os materiais preferidos para equipamentos de mar profundo devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e excelente resistência à corrosão na água do mar.

Com o ritmo acelerado da perfuração de petróleo e gás, há uma demanda crescente por tubos de liga de titânio excluídos por grande diâmetro. Esses tubos são usados ​​principalmente em poços de petróleo, poços geotérmicos e gasodutos de gás natural. Nos Estados Unidos, tubos de liga TC4 com especificações de φ (48-610) × 26 × 2600 mm foram usados ​​para aplicações de perfuração geotérmica e offshore. A RMI, uma empresa americana, produziu Ti ultra-longa -3 al -2. 5V de liga de liga (φ650 × (22–25) × 35000 mm) para extração de óleo submarino. Na Noruega, os tubos de liga tc4eli (φ600 × 25 × 15000 mm) são usados ​​para risers em plataformas de perfuração do Mar do Norte. A VSMPO Company da Rússia fabrica ligas contendo paládio e rutênio, bem como os tubos de liga de Ti -6 al -4 v para extração de óleo.

TC4 (Ti -6 al -4 v) A liga de titânio possui excelentes propriedades abrangentes, com boa plasticidade e superplasticidade do processo, tornando -o adequado para vários processos de formação de pressão. É amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial e de aviação para peças que operam abaixo de 400 graus e responde por mais de 50% do uso total de ligas de titânio. Os tubos de liga de titânio de grande diâmetro são normalmente produzidos usando extrusão quente-uma tecnologia madura que depende da disponibilidade de grandes prensas de extrusão.

Neste estudo, foi realizada a produção de tubos de liga de titânio TC4 extrudados com dimensões φ140 × 4 × 4000 mm para explorar a relação entre microestrutura, propriedades mecânicas e parâmetros de processamento, estabelecendo as bases para a produção industrial de grandes tubos de liga de titânio para aplicações profundas.

1. Método experimental

1.1 Plano experimental

O teste utilizou lingotes de liga de titânio TC4 produzidos pela Baoji Titanium Industry Co., Ltd., por meio de remancadeira de arco de arco de vácuo duplo. Os lingotes foram forjados várias vezes nas regiões da fase e + para produzir estoque de barras de φ270 mm, que foi então usinado em tarugos de extrusão. Uma camada protetora de bainha dupla foi aplicada aos tarugos para proteção e lubrificação da superfície.

A extrusão foi realizada usando um 3150- ton horizontal extrusão Pressione na região da fase +. Os tubos extrudados foram endireitados on-line e a camada de óxido foi removida através da lavagem de ácido alcalino. As superfícies internas e externas foram então usinadas para obter o tubo TC4 acabado com dimensões φ140 × 4 mm. A composição química dos lingotes está em conformidade com os padrões GB\/T 3620.

1.2 formação de extrusão

Devido à baixa condutividade térmica das ligas de titânio, gradientes significativos de temperatura podem ocorrer entre a superfície do alerta e o núcleo durante a extrusão, levando ao fluxo de metal não uniforme e ao estresse de tração adicional na superfície. Isso pode causar rachaduras na superfície e até vazios centrais em hastes ou tubos em condições graves.

Além disso, os efeitos térmicos durante a extrusão podem causar superaquecimento da microestrutura do material, comprometendo a qualidade do produto final. Portanto, a seleção de parâmetros de extrusão razoável é crucial. Com base na experiência anterior de desenvolvimento, os tarugos foram aquecidos a 950 graus e uma taxa de extrusão de 3 a 10 e velocidades de extrusão de 50-120 mm\/s foram adotadas para minimizar os efeitos térmicos e garantir uma boa qualidade da superfície e propriedades mecânicas. O diagrama de deformação da extrusão é mostrado na Figura 1 e o tubo final extrudado é mostrado na Figura 2.

2. Resultados e discussão

2.1 precisão superficial e dimensional

A qualidade da superfície do tubo extrudado era boa e a reta era satisfatória. Após a usinagem, as dimensões atendiam às especificações do projeto.

2.2 Microestrutura

A extrusão foi realizada em 40 a 50 graus abaixo do ponto de transição de fase na região +. Ao controlar a taxa de deformação e impedir o aumento da temperatura excessiva durante a deformação, foi alcançada uma estrutura processada de fase + típica. A microestrutura mostrou grãos alongados e comprimidos orientados ao longo da direção da força.

2.3 Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas da temperatura ambiente foram testadas em amostras de tubos como Extrudados e após o recozimento de ar-resfriamento a 750 graus por 1 hora. Os resultados mostraram uma boa correspondência de todos os parâmetros mecânicos, atendendo aos requisitos de design e aplicação.

3. Conclusão

O processo de extrusão a quente, quando combinado com os parâmetros de processo apropriados, produziu tubos de liga de titânio TC4 com excelente microestrutura e propriedades mecânicas.

Os tubos atendem a todas as especificações do projeto e são adequados para uso em oleodutos submarinos de transporte de petróleo e gás.