API X65 강철 및 Inconel 625 클래드 파이프의 궤도 마찰 교반 용접의 타당성

Mar 25, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10669(2023) 이 기사 인용

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궤도 마찰교반용접(FSW)은 클래드 파이프에 적용되었으며, 이는 확실히 석유 및 가스 산업에서 관심을 끌고 있습니다. 이러한 맥락에서, 완전한 도구 관통으로 한 번에 건전한 조인트를 수행할 수 있는 FSW 시스템이 개발되었습니다. Orbital FSW는 다결정질 입방정 질화붕소(pcBN) 도구를 사용하여 3mm 두께의 Inconel 625와 6mm 두께의 API X65 PSL2 강철 클래드 파이프에서 실행되었습니다. 조인트의 야금학적 및 기계적 특성을 조사했습니다. 45-50 kN의 축력, 400-500 rpm의 공구 회전 속도 및 2 mm/s의 용접 속도를 갖는 건전한 접합이 얻어졌으며, 이는 개발된 시스템이 체적 결함 없이 FSW 접합을 수행할 수 있음을 보여줍니다.

석유 및 가스 산업의 주요 과제는 H2S 및 CO2와 같은 염분 및 가스로 인해 공격적인 환경을 제공하는 깊은 유정 및 초심유의 탐사와 관련되어 있습니다. 이러한 맥락에서 내식성 합금(CRA)을 입힌 탄소강 파이프를 사용하는 것은 낮은 제조 비용으로 설계 요구 사항을 충족하는 데 적합한 옵션임이 입증되었습니다1,2,3. 그러나 융합 기반 용접과 같이 현재 석유 및 가스 산업에서 사용되는 파이프라인 용접은 고온을 수반하는 경우가 많으며 서로 다른 접합부(예: 클래드 파이프)로 인해 야금학적 문제가 발생하여 응고 균열, 단단한 미세 구조가 발생할 수 있습니다. 인터페이스, 높은 인장 잔류 응력 및 과도한 탄소 확산으로 인해 접합 성능이 저하될 수 있습니다4,5.

고체 접합 공정인 궤도 마찰 교반 용접(FSW)은 낮은 온도와 짧은 처리 시간에서 수행되므로 융합 기반 용접에서 일반적으로 발견되는 문제를 최소화할 수 있는 잠재력을 가진 적합한 대안으로 인식됩니다. 위에서 언급한 문제의 대부분을 피하거나 최소화하여 에너지 입력을 줄입니다6,7. FSW는 접합할 재료와 비소모성 회전 도구 사이에서 발생하는 마찰 에너지를 사용합니다. 궤도 FSW에는 두 가지 접근 방식이 사용됩니다. 첫 번째에서는 회전 도구가 정지 상태를 유지하는 동안 파이프가 회전합니다. 두 번째에서는 파이프가 고정된 상태에서 전체 도구 헤드가 회전합니다8. 기존 FSW의 경우 용접 경로를 따라 심각한 소성 변형과 재료 흐름이 발생합니다. 즉, 재료는 도구 전면에서 후미 가장자리로 이송되고 나중에 단조되어 조인트9,10,11를 생성합니다.

FSW는 다양한 재료의 시트에 성공적으로 적용되지만 궤도 FSW는 클램핑 장치8,12와 관련된 어려움이 있기 때문에 극복해야 할 과제가 있습니다. 복잡한 원형 조인트에 대한 FSW의 과제는 최근 Senthil et al.8에 의해 검토되었으며, 여기서 클램핑 시스템은 용접 프로세스 자체에 대한 가장 중요한 요소 중 하나였습니다. 예를 들어, FSW 동안 높은 힘으로 인해 파이프의 내부 지지가 필요합니다. 파이프를 용접할 때의 또 다른 차이점은 공구와 결합할 부품의 접촉입니다. 예를 들어 파이프의 직경에 따라 파이프의 곡률로 인해 공구 숄더가 작업물과 불완전하게 접촉하여 영향을 줍니다. 재료 흐름 및 열 발생12,13. Senthil et al.8은 또한 FSW를 산업용 배관 연결에 고려하기 전에 클램핑 시스템의 영향에 대한 깊은 이해가 필수적이라고 지적했습니다.

전반적으로 건전한 접합을 달성하기 위해 다양한 접근 방식을 사용하여 파이프라인 강철의 궤도 FSW에 대한 연구는 소수에 불과했습니다. Feng 등14은 API X65 강의 궤도형 FSW 용접을 연구했으며, 특별히 설계된 휴대용 FSW 시스템을 사용하여 건전한 용접을 얻었습니다. 접합부는 모재(BM)에 비해 약간 높은 기계적 강도와 우수한 충격저항성을 나타내었다. Giorjao et al.15는 힘 제어 모드 및 전체 도구 침투에서 8mm 두께의 슈퍼 듀플렉스 스테인레스 스틸 파이프에서 궤도 FSW를 수행했습니다. 경도 및 인장 테스트에서는 교반 영역(SZ)에서 경도가 증가하고 BM에서는 실패하는 것으로 나타났습니다. 그러나 클래드 파이프의 궤도 FSW는 드물지만 산업 응용에는 반드시 필요합니다.