Struktur mikro dan sifat pipa alloy titanium TC4 untuk rekayasa laut

Abstrak:
Untuk memenuhi persyaratan operasional dari transportasi minyak dan gas laut dalam dan kabel komunikasi kapal selam dalam rekayasa laut, produksi uji coba dilakukan pada pipa paduan titanium TC4 yang diekstrusi dengan dimensi khas φ140 × 4 (ketebalan dinding) × 4000 mm. Tujuannya adalah untuk memahami hubungan antara struktur mikro, properti, dan teknik pemrosesan pipa, dan untuk memberikan dukungan teknis untuk produksi pipa paduan titanium ukuran besar yang digunakan dalam aplikasi rekayasa laut dalam.

Perkenalan

Abad ke -21 menandai era pembangunan ekonomi kelautan yang berkelanjutan, dengan sumber daya laut menjadi komponen penting dari pertumbuhan ekonomi. Lautan yang luas kaya akan sumber daya alam seperti minyak dan gas, mineral logam, energi panas bumi, dan organisme laut. Ekstraksi dan transportasi energi lepas pantai, gas, dan energi panas bumi, serta peletakan kabel komunikasi kapal selam, telah menempatkan tuntutan yang lebih tinggi pada pengembangan peralatan laut dalam.

Paduan titanium adalah bahan yang disukai untuk peralatan laut dalam karena kepadatannya yang rendah, kekuatan spesifik tinggi, dan ketahanan korosi yang sangat baik di air laut.

Dengan laju pengeboran minyak dan gas yang dipercepat, ada peningkatan permintaan untuk pipa-pipa titanium berdiameter besar. Pipa -pipa ini terutama digunakan dalam sumur minyak, sumur panas bumi, dan pipa gas alam. Di Amerika Serikat, pipa paduan TC4 dengan spesifikasi φ (48-610) × 26 × 2600 mm telah digunakan untuk aplikasi pengeboran panas bumi dan lepas pantai. RMI, perusahaan AS, telah menghasilkan ti ultra-panjang -3 al -2. Pipa paduan 5V (φ650 × (22–25) × 35000 mm) untuk ekstraksi minyak bawah laut. Di Norwegia, pipa paduan TC4eli (φ600 × 25 × 15000 mm) digunakan untuk penangkapan pada platform pengeboran Laut Utara. Perusahaan VSMPO Rusia memproduksi paduan yang mengandung Palladium- dan Ruthenium serta ti -6 al -4 V Pipa paduan untuk ekstraksi minyak.

Tc4 (ti -6 al -4 V) paduan titanium memiliki sifat komprehensif yang sangat baik, dengan plastisitas proses yang baik dan superplastisitas, membuatnya cocok untuk berbagai proses pembentukan tekanan. Ini banyak digunakan dalam industri dirgantara dan penerbangan untuk bagian yang beroperasi di bawah 400 derajat dan menyumbang lebih dari 50% dari total penggunaan paduan titanium. Pipa paduan titanium berdiameter besar biasanya diproduksi menggunakan ekstrusi panas-teknologi dewasa yang bergantung pada ketersediaan mesin cetak ekstrusi besar.

Dalam penelitian ini, produksi percobaan pipa titanium TC4 yang diekstrusi dengan dimensi φ140 × 4 × 4000 mm dilakukan untuk mengeksplorasi hubungan antara struktur mikro, sifat mekanik, dan parameter pemrosesan, meletakkan dasar untuk produksi industri pipa alloy titanium besar untuk aplikasi kedua.

1. Metode Eksperimental

1.1 Rencana Eksperimental

Tes ini menggunakan ingot alloy titanium TC4 yang diproduksi oleh Baoji Titanium Industry Co., Ltd. Via Double Vacuum Consumable Arc Remelting. Ingot ditempa beberapa kali di daerah dan + fase + untuk menghasilkan stok batang φ270 mm, yang kemudian dikerjakan menjadi billet ekstrusi. Lapisan pelindung selubung ganda diterapkan pada billet untuk perlindungan dan pelumasan permukaan.

Ekstrusi dilakukan menggunakan 3150- ton tekan ekstrusi horizontal di wilayah fase +. Tabung yang diekstrusi diluruskan secara online, dan lapisan oksida dihilangkan melalui pencucian asam alkali. Permukaan bagian dalam dan luar kemudian dikerjakan untuk mendapatkan pipa TC4 yang sudah jadi dengan dimensi φ140 × 4 mm. Komposisi kimia ingot sesuai dengan standar GB\/T 3620.

1.2 Pembentukan Ekstrusi

Karena konduktivitas termal yang buruk dari paduan titanium, gradien suhu yang signifikan dapat terjadi antara permukaan billet dan inti selama ekstrusi, yang mengarah ke aliran logam yang tidak seragam dan tegangan tarik tambahan pada permukaan. Hal ini dapat menyebabkan retak permukaan dan bahkan rongga sentral pada batang atau tabung dalam kondisi parah.

Selain itu, efek termal selama ekstrusi dapat menyebabkan overheating dari struktur mikro material, mengkompromikan kualitas produk akhir. Oleh karena itu, memilih parameter ekstrusi yang masuk akal sangat penting. Berdasarkan pengalaman pengembangan sebelumnya, billet dipanaskan hingga 950 derajat, dan rasio ekstrusi 3-10 dan kecepatan ekstrusi 50-120 mm\/s diadopsi untuk meminimalkan efek termal dan memastikan kualitas permukaan yang baik dan sifat mekanik. Diagram deformasi ekstrusi ditunjukkan pada Gambar 1, dan pipa ekstrusi akhir ditunjukkan pada Gambar 2.

2. Hasil dan Diskusi

2.1 Akurasi Permukaan dan Dimensi

Kualitas permukaan pipa yang diekstrusi bagus, dan kelurusan memuaskan. Setelah pemesinan, dimensi memenuhi spesifikasi desain.

2.2 Mikrostruktur

Ekstrusi dilakukan pada 40-50 derajat di bawah titik transisi fase di wilayah +. Dengan mengendalikan laju deformasi dan mencegah kenaikan suhu yang berlebihan selama deformasi, struktur olahan fase + fase yang khas tercapai. Struktur mikro menunjukkan butiran memanjang dan terkompresi berorientasi di sepanjang arah gaya.

2.3 Sifat Mekanik

Sifat mekanik suhu kamar diuji pada spesimen dari pipa yang diekstrusi dan setelah anil pendingin udara pada 750 derajat selama 1 jam. Hasilnya menunjukkan pencocokan yang baik dari semua parameter mekanis, memenuhi persyaratan desain dan aplikasi.

3. Kesimpulan

Proses ekstrusi panas, bila dikombinasikan dengan parameter proses yang sesuai, menghasilkan pipa paduan titanium TC4 dengan struktur mikro yang sangat baik dan sifat mekanik.

Pipa memenuhi semua spesifikasi desain dan cocok untuk digunakan dalam pipa transportasi minyak dan gas bawah laut.