小型向けインラインシーム焼鈍の進歩

小径のパイプを正規化するには、断面全体を熱処理する必要があることがよくありますが、ある特定の用途では、これは特に無駄です。 この場合、チューブは 11 km 近く走行するため、スクラップが発生しないように正規化ラインの各機器の設計には細心の注意が払われています。 提供された画像

金属チューブを使用するアプリケーションは数多くありますが、チューブを再利用することは一般的ではありません。 貼り付けたり、取り付けたり、固定したり、取り付けたりしたら、通常はそれで終わりです。 しかし、石油産業におけるいくつかのダウンホール用途では、小径のコイル状鋼管の使用と再利用が増加しています。

目的は何も新しいものではありません。 坑井のオペレーターは頻繁に目視検査を行い、カメラを備えた長いチューブを坑井のボアホールに落とし込みます。 また、さまざまなメンテナンス作業を実行するためにツールを井戸に落としたり、流れを促進するために窒素または処理化学物質を注入したり、井戸のセクションを接続または隔離するためにバルブを開閉したりするために、長いチューブも使用されます。 チューブは、清掃作業や、水中ポンプなどの機械に電気ケーブルを配線するためにも使用されます。

従来の操作では、カップリングで接続された最大 48 フィートの一連のチューブが必要になります。 言うまでもなく、これは挿入段階でも後退段階でも面倒で多大な労力を要します。 非常に長いコイル状チューブを使用すると、はるかに高速になります。

長いチューブを作成し、繰り返しの巻き取りと巻き戻しに耐えられるように焼き鈍しするのは、原理的には簡単です。 ただし、ほとんどのチューブやパイプの操作と同様、この種の作業には細心の注意が必要です。 最近では、ダウンホール作業用のコイル状チューブの長さは 11 km 近くにも及ぶことがあります。 何か問題があったためにスクラップ山行きとなる 1 マイル (または 6 マイル) のチューブを作りたい人はいません。

ほどいて使用してください。 それをコイル状に巻き、次のウェルに移動します。 ほどいて使用してください。 これが永遠に続くわけがない。 鋼は形状を変化させるたびに応力を受けます。 この場合、金属は、疲労しすぎて変形に耐えられなくなるまで、コイル状に巻いたりほどいたりのサイクルを何度も繰り返すことしかできません。 最終的には分裂が現れます。 このチューブの製造には多額の費用がかかります。 最長の耐用年数を得るには、適切な熱処理、焼きなまし、または焼きならしが必要です。

金属のシート、プレート、棒、またはビレットは、均質で連続した塊のように見えます。 ただし、それほど単純ではありません。 鋼を加熱すると、鉄の原子は特定の構造をとります。 加工温度が 1,674 °F 未満の場合、体心立方構造になります。 立方体の 8 つの角 (等間隔に配置された 8 つの鉄原子) と、中心にもう 1 つの点があると想像すると、この構造が想像できます。 より高い処理温度では、炭素の割合に応じて、14 個の鉄原子を含む面心立方構造に変化します。

温度に応じて、これら 2 つの微細構造のいずれかが鋼全体に現れ、立方体形状が次々と現れ、格子を形成します。 広大な格子が鋼の粒を構成しています。 金属が臨界温度に維持されると、粒子は他の粒子と接触するまで成長し、そこで粒子境界が形成されます。

鋼を急速に冷却することにより、結晶粒の成長が停止します。 早めに冷却すると比較的小さな粒子が得られ、これが硬度と強度に関係します。 欠点は、硬度が脆さに等しいことです。 その後冷却すると粒子が大きくなり、その結果、細粒の材料よりも柔らかい材料が形成されやすくなります。

したがって、製鉄プロセスは、処理温度とその温度で費やす時間を制御し、その後急速に冷却することになります。 。 これらのステップは、溶融中に少量の炭素 (通常は重量の 2% 未満) を加えることと、その他のいくつかの要素によって鋼の特性が決まります。

図 1. 高周波誘導熱の影響を受けるゾーンは通常、砂時計のように見えます。 これは、誘導コイルによって外径で発生する熱と、インピーダンスによって内径で発生する熱に起因します。

ますますヒートアップ。この材料の細長いストリップがチューブミルに供給されると、溶接シームを作成するために 2 つの端が交わる場所からプロセスが始まります。 溶接熱は、外径を取り囲む誘導コイルと、内径に電流の流れを導くインペラによって鋼に導入されます。 両端の金属は真っ赤になり、製鉄所にあった状態にほぼ戻ります。 次に、チューブに冷却剤を注入して、収益性の高い生産率に必要な急速冷却を実現します。

チューブのプロファイルの大部分にわたって、微細構造は変化しません。 溶接熱は金属の残りの部分 (母材) には伝わらないため、目に見える変化が生じるほど熱くはなりません。 溶接熱は溶接シームに沿って、およびそのすぐ隣の領域に集中し、そこで赤熱し、急速に冷却されます。 熱影響部 (HAZ)、つまり溶接シームに近い領域では、結晶粒が成長する時間がほとんどないため、材料は微細な結晶粒構造になります。 HAZ の材料は、周囲の他の材料よりも脆いです。 チューブやパイプを曲げる作業者が常に溶接継ぎ目を曲げの中立軸に合わせようとするのはこのためです。

繰り返しコイル状に巻いたり、ほどいたり（曲げたり伸ばしたり）することを意図した管では、母材に亀裂が発生するずっと前に、結晶粒界に沿って粒子間で発生する亀裂が HAZ に発生します。

材料を再度加熱し、製鉄所で冷却されたのと同じようにゆっくりと冷却することが、最初からやり直して粒子が通常のサイズに戻るまで成長するための鍵となります。 粒度差の深刻さを軽減する、または完全に除去することは、一般に正規化として知られるアニーリング プロセスです。

熱プロファイルを理解する。溶接に使用される加熱プロセスと焼きならしに使用される加熱プロセスは根本的に異なるプロセスであることに注意してください。 どちらも誘導に依存していますが、溶接は誘導コイル (外径側) およびインピーダー (内径側) を使用して熱を加えます。 正規化ではインダクタのみが使用されます。 この違いにより、熱プロファイルが異なります。 溶接では、断面の加熱領域は砂時計の形になります。 正規化すると、U 字型の熱プロファイルが作成されます。

直径の大きなチューブやパイプの場合、HAZ 内およびその近くのみを加熱して材料をシームアニールするのが一般的です。 誘導加熱 (ほとんどの溶接機で溶接を行うのと同じプロセス) を使用して、溶接シームに沿って熱を集中させるのは難しくありません。 インダクタを適切に配置して方向を決めた後は、熱をライン速度に合わせて必要な量のアニーリングを実行して、HAZ 内の材料を軟化させて正規化することが重要です。

小径の場合は全周焼鈍するのが一般的です。 正規化が必要なターゲット領域が溶接 HAZ のみである場合、これはかなりのエネルギーを無駄にしますが、小さな直径ではこれを回避するのは困難です。 ただし、従来の方法が唯一の方法ではありません。 数年前、研究と現場での実施により、直径 2 インチ未満のチューブの HAZ だけを正規化できることが証明されました。

これを効率的かつ効果的に行うには、インダクタとチューブ表面の間の距離、溶接シームとインダクタの位置合わせ、位置合わせを維持するための溶接シームの追跡という 3 つの主な要素に左右されます。

適切な結合距離を保つ。誘導加熱を効率的に使用するには、誘導コイルを表面にできるだけ近づけることが重要であり、この用途におけるスタンドオフ距離は、理想的には 0.200 インチまたは 0.300 インチ以下です。スタンドオフ距離が 0.300 インチより大きい場合、効率は低下します。指数関数的に減少します。

図 2. 正規化では ID にアクセスできないため、唯一の熱源は OD にあり、正規化の熱プロファイルは文字 U のような形状になります。

スタンドオフ距離を最小限に保つ場合の問題は、ミル上の変動や外乱によりギャップが減少する可能性があり、チューブがインダクターと接触する箇所で短絡が発生する危険性があることです。 この用途での電力量を考慮すると、短絡は配管と誘導コイルにとって潜在的な災害となります。 セラミック製スタンドオフホイールは接触を防ぐのに役立ちます。 それでも、ホイールは誘導コイルの長さに沿って間隔を置いて配置された単一の接触点にすぎないため、より小さな直径では適切なスタンドオフ距離を維持することが依然として困難です。

もう 1 つの問題は、誘導プロセスによって磁束線が発生し、ローレンツ力と呼ばれる垂直方向の力が発生することです。 研究によると、磁気揚力は約90ポンドの重力を及ぼす可能性があります。 主に直径 2.0 インチに上向きの力がかかります。 そして小さいチューブ。 これにより、チューブの寸法の一貫性が損なわれ、チューブの歪みが生じ、誘導コイルとチューブ間の短絡の可能性が高まります。

縫い目の幅。通常、指定された幅の単一のインダクタが、さまざまなサイズのチューブに使用されます。 可能な限り効率的に動作する誘導コイルを設計するには、溶接 HAZ の幅を知ることが必要です。 HAZ の幅全体をチューブの ID に対して正規化するには、チューブの外周を十分にカバーする必要があります。 それでも、溶接ＨＡＺとインダクタ幅との間の重なりが多すぎると、電気エネルギーの無駄が増加する。 さらに、直径が小さい場合、過剰なオーバーラップによりチューブの周囲に熱が飽和し、鋼の弾性が増大し、歪みが発生しやすくなります。

有限要素解析 (FEA) は、焼鈍プロセスにおける HAZ の幅を決定できますが、これはすべてのプロジェクトで使用するには大きすぎるツールです。 さらに、FEA の開発には時間と費用がかかるプロセスです。 正確さは若干劣りますが、はるかに高速な方法は、溶接されたままの管サンプルを切断およびエッチングして、HAZ の実際の幅を決定することです。 正規化プロセスの熱分布プロファイル グラフを作成すると、シーム アニーリング HAZ の予測が可能になります。

シームトラッキング。誘導効率における 3 番目の要素は、継ぎ目に対するインダクタの位置を維持することです。 理想的には、溶接継ぎ目とインダクタは 12 時の位置を中心に完全に位置合わせされていますが、チューブがミル内を移動するにつれて継ぎ目は左右にふらつく傾向があります。 ほとんどの場合、継ぎ目のたわみは +/- 7.5 度未満であるため、合計 15 度移動するオービタル コイル ポジショナーで通常のたわみをカバーできます。

非常に長いチューブを効率的に製造するには、かなりのエンジニアリングが必要です。

まず、これらのチューブには単一の壁の厚さがありません。 穴の最初のセクションの壁は最も軽いです。 後続のセクションは、増加する重量を支えるための強度を高めるために、より重い壁を持ちます。

第 2 に、このプロセスでは全身アニーリングを使用できますが、これは無駄が多すぎます。 一部の一般的なチューブ用途（たとえば、それぞれ 20 フィートの長さ数百本）では、シーム トラッカーとオービタル ユニットを備えたカスタムメイドのインライン正規化システムのセットアップがエンジニアリング、資本であるため、全身焼きなましは理にかなっています。 - せいぜい時間のかかる作業です。 小規模な契約の場合、投資収益率が実現する可能性は高くありません。 ただし、何百、何千マイルにもわたって稼働する柔軟な鋼線を作成するプログラムの場合、全身焼鈍はあまりにも多くのエネルギーを浪費するため、カスタム焼鈍ラインが正当化される可能性があります。

第三に、いくつかの直径と壁厚を焼きなます焼ならしシステムを開発する場合、最小サイズの円周の熱飽和が大きくなり、金属の可塑性が高まります。 ローレンツ力が作用し、歪みが生じる可能性があります。

図 3. このチャートに注釈が付けられているように、角度変位は、焼きなましラインの熱分布とその結果として生じる熱影響ゾーンを指します。 グラフの中心 (0 度) は溶接シームの中心を表します。これは、焼きなまし コイルの配置の中心です。 この直径の場合、熱分布は中心から約 +/- 60 度になります。

これらの力は、多数の小さなインダクタを使用することで対抗できます。 この原理を使用して適切に設計されたシステムでは、インダクタが発生する熱の総量は同じですが、それぞれのインダクタが発生する磁束が少なくなり、それによって発生する垂直方向の力が少なくなり、歪みが減少します。

ツイン直列インダクターとして知られるこれらのインダクターを使用すると、インダクターの間に配置される追加のスチール製スタンドオフ ホイールの使用が可能になります。 言い換えれば、従来のシステムにはセラミック製のスタンドオフホイールが付いていますが、このシステムにはそれらに加えて、磁束による垂直方向の揚力の低減と、誘導ステーション間に配置された追加のガイドホイールという、短絡に対する保護の 2 つの追加モードがあります。

専門知識のレベルとそのようなシステムの設計に費やした時間に応じて、2 つの競合する正規化ラインのレイアウトがかなり異なる場合があります。 たとえば、多かれ少なかれ伝統的な原理に沿って設計された従来のシステムでは、4 つの別々の誘導ステーションが使用される場合があります。 対照的に、より洗練された更新されたアプローチでは、わずか 3 つの誘導ステーションで同じ量の作業を実行するシステムが得られ、床面積とエネルギーを節約できます。 これは、より少ない設置面積でより少ない機器がより効率的に動作することを意味します。

図 4. 熱分布は変化します。 図 3 の熱分布と似ていますが、このグラフは、より小さい直径での回転角度 (+/- 75 度) で測定したより広い熱分布を示しています。 効果を発揮するには、この工場で製造されるパイプの最も幅広い熱プロファイルを捕捉するように正規化システムを設計する必要があります。