تعمل أدوات استخراج النفط تحت الأرض في آبار يصل عمقها إلى آلاف الأمتار، في بيئات قاسية وظروف إجهاد معقدة.في العادة، يجب أن تتحمل أدوات التعدين ليس فقط إجهاد الشد وإجهاد الانحناء الالتوائي، ولكن أيضًا الاحتكاك والتأثير القوي.وفي الوقت نفسه، فإن الأدوات أيضًا قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل البيئي.
وهذا يتطلب أن تتمتع الخواص المادية لأدوات التعدين تحت الأرض بخصائص ميكانيكية شاملة ممتازة، والتي يجب ألا تضمن القوة العالية فحسب، بل تضمن أيضًا متانة الصدمات الممتازة، وفي نفس الوقت تكون مقاومة للتآكل الناتج عن مياه البحر والطين.نظرًا لمتطلبات الأداء لظروف العمل في قاع البئر، فإن اختيار المواد لأدوات قاع البئر عادة ما يكون عبارة عن سبائك فولاذية هيكلية تحتوي على عناصر مقاومة للتآكل مثل Cr وMo، ومن ثم من خلال عمليات المعالجة الحرارية المناسبة وعمليات التقسية للتأكد من أنها تلبي القوة والمتانة التأثير متطلبات.تركز هذه المقالة على عملية معالجة سلسلة الأنابيب في قاع البئر.عندما يتم تبريد وتلطيف إحدى قطع عمل الأنابيب المحورية المصنوعة من الفولاذ 40CrMnMo، يحدث تشقق شديد عدة مرات أثناء عملية التبريد، مما يؤدي إلى خردة قطعة العمل والتسبب في خسائر اقتصادية معينة.ولتحقيق هذه الغاية، تم تحليل أسباب الشقوق التبريدية من جوانب التركيب الكيميائي، والبنية، وعملية المعالجة الحرارية، ومورفولوجيا الشقوق لمواد الأنبوب المحوري، وتم اقتراح التحسينات والتدابير الوقائية.
1. وصف قطعة العمل الفاشلة: المادة الخام عبارة عن مادة طرق صلبة من الفولاذ 40CMnMo بقطر φ200 mmx1 m.تدفق العملية: الخراطة الخشنة ← الحفر والتجويف (حتى سمك الجدار حوالي 20 مم) ← التبريد ← التقسية ← التشطيب.الخطوط العريضة لقطعة عمل الأنبوب المحوري عبارة عن أنبوب يبلغ طوله حوالي 1 متر، وقطره φ200 مم، وسمك الجدار 20 مم.
عملية المعالجة الحرارية: أولاً قم بتسخينه ببطء إلى 500 درجة مئوية في فرن صندوقي، ثم ضعه في فرن حمام الملح لتسخينه إلى درجة حرارة التبريد من 860 إلى 880 درجة مئوية.وقت التسخين في فرن حمام الملح هو حوالي 30 دقيقة ثم يتم إخماده عند حوالي 40-60 درجة مئوية.إخماد الزيت لمدة 10 دقائق تقريبًا.بعد إخراجها، قم بتلطيفها في فرن صندوقي واحتفظ بها عند درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة 10 ساعات أثناء تبريدها في الفرن.
حالة التشقق: يتطور الشق على طول محور الأنبوب المركزي، ويمكن رؤيته من الحافة، وقد تشقق في اتجاه سمك الجدار الشعاعي.
2. الكشف والتحليل
2.1 الكشف عن التركيب الكيميائي: تم أخذ عينات من قطعة عمل الأنبوب المحوري المتشققة عن طريق قطع الأسلاك جزئيًا لتحليل التركيب.يتوافق تركيبها الكيميائي مع GB/T3077–1999 "التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية لسبائك الفولاذ الإنشائي".
2.2 خبراء في كشف وتحليل المعادن: أخذ عينتين من الأنبوب المحوري المروي والمقسى طولياً، معالجته بالنار (معزول عند درجة حرارة 850 درجة مئوية لمدة 15 ساعة ومبرد في الفرن)، ثم صقله بورق الصنفرة وصقله على آلة صقل، باستخدام 4% حمض النيتريك والكحول، ولاحظ التركيب المعدني.تم طحن العينة 2 مباشرة بورق الصنفرة ثم صقلها وتآكلها، وتم ملاحظة هيكلها المعدني.بمقارنة البنية المعدنية المكتشفة مع GBT 13299-1991 "طريقة تقييم البنية المجهرية للصلب"، وجد أن البنية ذات النطاقات في العينة 1 كانت من الدرجة 3 إلى 4، منها كان اللون الأبيض من الفريت سهل الانصهار وكان اللون الرمادي والأسود لؤلؤيًا.الجسم، ويمثل هيكل البرلايت حوالي 60٪، وهو أعلى.الهيكل المعدني للعينة 2 عبارة عن تروستايت مقسى وكمية صغيرة من تروستايت مقسى.
3. تحليل أسباب التشققات وحلولها
3.1 شكل الشق وعملية المعالجة الحرارية: لاحظ شكل الشق في الأنبوب المحوري.وهو صدع طولي.يحدث على طول الاتجاه المحوري ويكون الشق عميقًا.ومن الواضح أيضًا أن الشق قد تشقق على طول الاتجاه الشعاعي على حافة الأنبوب المحوري.نستنتج أن الإجهاد المسبب لتشقق الأنبوب المحوري هو إجهاد الشد العرضي للسطح والذي يحدث نتيجة للإجهاد الهيكلي اللاحق.في نفس الوقت، نظرًا لأن مادة الأنبوب المحوري عبارة عن فولاذ هيكلي من سبائك الكربون المتوسطة، فإن الضغط الهيكلي يهيمن أيضًا أثناء عملية التبريد.يحدث التحول المارتنسيتي وتنخفض اللدونة بشكل حاد.في هذا الوقت، يزداد الضغط الهيكلي بشكل حاد، بحيث يتجاوز إجهاد الشد المتكون على سطح قطعة العمل بسبب الإجهاد الداخلي للتبريد قوة الفولاذ أثناء التبريد، مما يسبب التشقق، والذي يحدث غالبًا في الجزء المروي بالكامل.يرجع حدوث مثل هذه التشققات بشكل أساسي إلى الضغط الهيكلي الكبير الناتج عن عملية التبريد غير المناسبة.نظرًا لأن درجة حرارة تسخين التبريد لأنبوب المحور تتراوح بين 860 إلى 880 درجة مئوية، وهي مرتفعة نسبيًا، فإنه يتم وضعها بسرعة في زيت التبريد بدرجة حرارة تتراوح من 40 إلى 60 درجة مئوية.عندما تكون درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة التحول Ms، تكون درجة حرارة تسخين التبريد مرتفعة.الضغط الحراري كبير، وعند التبريد تحت درجة حرارة تحويل MS، تكون درجة حرارة زيت التبريد منخفضة نسبيًا، ويكون وقت التبريد 10 دقائق طويلًا نسبيًا.أثناء عملية التبريد السريعة، يتم إنتاج المزيد من المارتنسيت.تنتج الأحجام المحددة المختلفة للهياكل المختلفة بدورها إجهادًا أكبر للأنسجة، وهو أحد أسباب إخماد التشقق في أنبوب المحور.
3.2 توحيد هيكل المادة الخام: من خلال التحليل الميتالوغرافي للعينة المعترضة 1 بعد التلدين (العزل عند 850 درجة مئوية لمدة 15 ساعة والتبريد في الفرن)، وجد أن الأنبوب المحوري ذو الشقوق لا يزال يحتوي على أشرطة واضحة بعد التلدين.يشير وجود فصل الأنسجة الشبيه بالشريط إلى أن مادة النحاس نفسها بها فصل خطير للأنسجة يشبه الشريط وبنية غير متساوية.سيؤدي وجود هيكل يشبه الشريط إلى زيادة الميل إلى إخماد تشقق قطعة العمل.تشير الأدبيات ذات الصلة إلى أن الهيكل الشبيه بالشريط في سبائك الفولاذ منخفض ومتوسط الكربون يشير إلى الهيكل الشبيه بالشريط المتكون على طول اتجاه التدحرج أو اتجاه تزوير الفولاذ.تتكون العصابات بشكل رئيسي من الفريت البرويوتكتويد والشرائط المكونة أساسًا من البيرلايت مكدسة فوق بعضها البعض.الهيكل المصبوب عبارة عن هيكل معيب يظهر غالبًا في الفولاذ.نظرًا لأن الفولاذ المنصهر يتبلور بشكل انتقائي أثناء عملية تبلور السبائك لتشكيل هيكل التشعبات مع مكونات كيميائية موزعة بشكل غير متساو، فإن التشعبات الخشنة في السبيكة يتم تمديدها على طول اتجاه التشوه أثناء التدحرج أو التزوير وتصبح تدريجيًا متوافقة مع اتجاه التشوه.، وبالتالي تشكيل العصابات المستنفدة (شرائط) من الكربون وعناصر السبائك والأشرطة المستنفدة مكدسة بالتناوب مع بعضها البعض.في ظل ظروف التبريد البطيئة، تعمل النطاقات المستنزفة من الكربون وعناصر السبائك (الأوستينيت المبرد أكثر من اللازم على استقرار أقل) على ترسيب الفريت البروبيوتكتويد، وتفريغ الكربون الزائد في المناطق المخصبة على كلا الجانبين، وتشكيل في النهاية منطقة يهيمن عليها الفريت: عنصر الكربون والسبائك المنطقة المخصبة، التي يكون الأوستينيت فائق التبريد فيها أكثر استقرارًا. بعد ذلك، يتم تشكيل شريط يتكون بشكل أساسي من البيرليت، وبالتالي تشكيل هيكل يشبه الشريط حيث تتناوب العصابات المكونة من الفريت بشكل أساسي والشرائط المكونة من البيرلايت مع بعضها البعض.تتسبب الهياكل المجهرية المختلفة للنطاقات المجاورة في البنية النطاقية للأنبوب المحوري، بالإضافة إلى الاختلافات في التشكل ودرجة البنية النطاقية، في زيادة معامل التمدد والفرق في الحجم المحدد قبل وبعد تغير الطور أثناء المعالجة الحرارية وعملية التبريد للأنبوب المحوري، مما يؤدي إلى أن الضغط التنظيمي الكبير سيزيد في النهاية من تشويه التبريد للأنبوب المحوري.إذا كانت عملية التبريد غير صحيحة، فإن ميل هيكل الشريط إلى التسبب في تشويه التبريد والتشقق سيزداد، مما يجعل من السهل التسبب في تشقق التبريد.
3.3 الحلول والتأثيرات: من خلال التحليل أعلاه لأسباب تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية التبريد، قمنا أولاً بتحسين المعالجة الحرارية وعملية التبريد، وخفض درجة حرارة التبريد بحوالي 10 درجات مئوية، وزيادة درجة حرارة زيت التبريد إلى حوالي 90 درجة مئوية.في نفس الوقت، يتم أيضًا تقصير وقت أنبوب المحور في زيت التبريد.أظهرت النتائج أن الأنبوب المحوري لم يتشقق أثناء التبريد.يمكن ملاحظة أن السبب الرئيسي لتكسير التبريد في الأنبوب المحوري هو عملية التبريد غير الصحيحة، والهيكل الشبيه بالشريط في المادة الخام سيزيد من ميل التبريد للتشقق في الأنبوب المحوري، لكنه ليس السبب الرئيسي من تشقق التبريد.تم إجراء اختبار الختم على الأنبوب المحوري، وكان قادرًا على الحفاظ على ضغط مستقر لمدة 10 دقائق عند ضغط 3500 رطل لكل بوصة مربعة (أي ما يعادل 24 ميجاباسكال)، وهو ما يلبي تمامًا متطلبات الختم لأدوات قاع البئر.
4. الخلاصة
السبب الرئيسي لتكسير التبريد في الأنبوب المحوري هو عملية التبريد غير الصحيحة، والهيكل الذي يشبه الشريط في المادة الخام يزيد من ميل الأنبوب المحوري إلى التكسير، ولكنه ليس السبب الرئيسي لتكسير التبريد.بعد تحسين عملية المعالجة الحرارية، لم يعد الأنبوب المحوري يتشقق أثناء التبريد، وعندما تم إجراء اختبار الختم على الأنبوب المحوري، يمكن تثبيت الضغط لمدة 10 دقائق عند 3500 رطل لكل بوصة مربعة (أي ما يعادل 24 ميجا باسكال)، والذي يتوافق تمامًا مع متطلبات الختم لأدوات قاع البئر.لمنع تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية التبريد، ملاحظة:
1) الحفاظ على السيطرة الجيدة على المواد الخام.من المطلوب أن يكون هيكل الشريط في المواد الخام أقل من 3، ويجب أن تلبي العيوب المختلفة في المواد الخام مثل الرخاوة والفصل والشوائب غير المعدنية وما إلى ذلك المتطلبات القياسية، ويجب أن يكون التركيب الكيميائي والبنية المجهرية موحدين.
2) تقليل الإجهاد بالقطع.تأكد من وجود كمية معقولة من التغذية لتقليل إجهاد التشغيل المتبقي، أو قم بإجراء التقسية أو التسوية قبل التبريد للتخلص من إجهاد التشغيل.
3) اختر عملية تبريد معقولة لتقليل الإجهاد الهيكلي والإجهاد الحراري.قم بخفض درجة حرارة تسخين التبريد بشكل مناسب وزيادة درجة حرارة زيت التبريد إلى حوالي 90 درجة مئوية.في نفس الوقت، يتم أيضًا تقصير وقت بقاء أنبوب المحور في زيت التبريد.
وقت النشر: 28 مايو 2024