Werkzeuge für den unterirdischen Ölabbau arbeiten in tausenden Metern tiefen Bohrlöchern, in rauen Umgebungen und unter komplexen Belastungsbedingungen.Normalerweise müssen Bergbauwerkzeuge neben Zugbeanspruchung und Torsionsbiegebeanspruchung auch starker Reibung und Stößen standhalten.Gleichzeitig sind die Werkzeuge auch hohen Temperaturen, hohem Druck und Umweltkorrosion standhalten.
Dies erfordert, dass die Materialeigenschaften von Untertagebergbauwerkzeugen über hervorragende umfassende mechanische Eigenschaften verfügen, die nicht nur eine hohe Festigkeit, sondern auch eine hervorragende Schlagzähigkeit gewährleisten und gleichzeitig beständig gegen Korrosion durch Meerwasser und Schlamm sein müssen.Angesichts der Leistungsanforderungen der Arbeitsbedingungen im Bohrloch erfolgt die Materialauswahl von Bohrlochwerkzeugen in der Regel auf legierten Baustahl, der korrosionsbeständige Elemente wie Cr und Mo enthält, und anschließend durch geeignete Wärmebehandlungs- und Anlassverfahren sicherzustellen, dass es die erforderliche Festigkeit und Schlagzähigkeit erfüllt Anforderungen.Dieser Artikel konzentriert sich auf den Prozess der Verarbeitung von Rohrsträngen im Bohrloch.Als eines der axialen Rohrwerkstücke aus 40CrMnMo-Stahl abgeschreckt und angelassen wurde, kam es während des Abschreckvorgangs mehrfach zu starken Rissen, die zum Ausschuss des Werkstücks führten und gewisse wirtschaftliche Verluste verursachten.Zu diesem Zweck wurden die Ursachen von Abschreckrissen unter den Gesichtspunkten der chemischen Zusammensetzung, der Struktur, des Wärmebehandlungsprozesses und der Rissmorphologie des Axialrohrmaterials analysiert und Verbesserungen und vorbeugende Maßnahmen vorgeschlagen.
1. Beschreibung des fehlerhaften Werkstücks: Das Rohmaterial ist ein massives Schmiedematerial aus 40CMnMo-Stahl mit einem Durchmesser von 200 mm x 1 m.Prozessablauf: Grobdrehen → Bohren und Bohren (bis zu einer Wandstärke von ca. 20 mm) → Abschrecken → Anlassen → Endbearbeitung.Der Umriss des axialen Rohrwerkstücks ist ein Rohr mit einer Länge von etwa 1 m, einem Durchmesser von φ200 mm und einer Wandstärke von 20 mm.
Wärmebehandlungsprozess: Erhitzen Sie es zunächst langsam in einem Kastenofen auf 500 °C und geben Sie es dann in einen Salzbadofen, um es auf die Abschrecktemperatur von 860–880 °C zu erhitzen.Die Erhitzungszeit im Salzbadofen beträgt ca. 30 Minuten und anschließend wird bei ca. 40-60°C abgeschreckt.Etwa 10 Minuten in Öl abschrecken.Nachdem Sie es herausgenommen haben, temperieren Sie es in einem Kastenofen und halten Sie es 10 Stunden lang bei 600 °C, während Sie es im Ofen abkühlen.
Risssituation: Der Riss entsteht entlang der Achse des Zentralrohrs, ist vom Rand aus sichtbar und weist einen Riss in radialer Wandstärkenrichtung auf.
2. Erkennung und Analyse
2.1 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung: Zur Analyse der Zusammensetzung wurden Proben des abgeschreckten, rissigen Axialrohrwerkstücks durch teilweises Drahtschneiden entnommen.Seine chemische Zusammensetzung entspricht GB/T3077–1999 „Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von legiertem Baustahl“.
2.2 Experten für metallografische Erkennung und Analyse: Nehmen Sie zwei Proben des vergüteten Axialrohrs in Längsrichtung, behandeln Sie es mit Feuer (15 Stunden lang bei 850 ° C isoliert und im Ofen abgekühlt), polieren Sie es dann mit Sandpapier und polieren Sie es auf einer Poliermaschine mit 4 %ige Salpetersäure und Alkohol und beobachten Sie die metallografische Struktur.Probe 2 wurde direkt mit Sandpapier geschliffen und dann poliert und korrodiert, und ihre metallografische Struktur wurde beobachtet.Beim Vergleich der erkannten metallografischen Struktur mit GBT 13299-1991 „Method for Evaluation of Microstructure of Steel“ wurde festgestellt, dass die Streifenstruktur in Probe 1 der Güteklasse 3 bis 4 entsprach, wobei Weiß eutektoides Ferrit und Grauschwarz perlmuttartig war.Körper, die Perlitstruktur macht etwa 60 % aus, was höher ist.Die metallografische Struktur von Probe 2 besteht aus getempertem Troostit und einer kleinen Menge getempertem Troostit.
3. Analyse der Rissursachen und Lösungen
3.1 Rissform und Wärmebehandlungsprozess: Beobachten Sie die Form des Risses im Axialrohr.Es handelt sich um einen Längsriss.Es entsteht entlang der axialen Richtung und der Riss ist tief.Es ist sogar offensichtlich, dass der Riss entlang der radialen Richtung am Rand des Axialrohrs gerissen ist.Es wird gefolgert, dass die Spannung, die zum Reißen des Axialrohrs führt, die oberflächentangentiale Zugspannung ist, die durch die spätere Strukturspannung verursacht wird.Da das Material des Axialrohrs gleichzeitig Baustahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt ist, dominiert auch die Strukturspannung während des Abschreckprozesses.Es kommt zu einer martensitischen Umwandlung und die Plastizität nimmt stark ab.Zu diesem Zeitpunkt steigt die Strukturspannung stark an, so dass die durch die innere Abschreckspannung auf der Oberfläche des Werkstücks entstehende Zugspannung die Festigkeit des Stahls beim Abkühlen übersteigt, was zu Rissen führt, die häufig im vollständig abgeschreckten Teil auftreten.Das Auftreten solcher Risse ist hauptsächlich auf die große strukturelle Spannung zurückzuführen, die durch einen unsachgemäßen Abschreckprozess verursacht wird.Da die Abschreckheiztemperatur des Achsrohrs 860 bis 880 °C beträgt, was relativ hoch ist, wird es schnell in das Abschrecköl von 40 bis 60 °C eingelegt.Wenn die Temperatur über der Ms-Übergangstemperatur liegt, ist die Abschreckerwärmungstemperatur hoch.Die thermische Belastung ist groß und beim Abkühlen unter die MS-Umwandlungstemperatur ist die Abschrecköltemperatur relativ niedrig und die Abschreckzeit von 10 Minuten relativ lang.Während des schnellen Abkühlprozesses entsteht mehr Martensit.Die unterschiedlichen spezifischen Volumina verschiedener Strukturen erzeugen wiederum eine größere Gewebespannung, die eine der Ursachen für Abschreckrisse im Achsenrohr ist.
3.2 Gleichmäßigkeit der Rohmaterialstruktur: Durch metallografische Analyse der entnommenen Probe 1 nach dem Glühen (Isolierung bei 850 °C für 15 Stunden und Abkühlen im Ofen) wurde festgestellt, dass das axiale Rohr mit Rissen nach dem Glühen immer noch deutliche Bänder aufwies.Das Vorhandensein einer bandartigen Gewebetrennung weist darauf hin, dass das Kupfermaterial selbst eine ernsthafte bandartige Gewebetrennung und eine ungleichmäßige Struktur aufweist.Das Vorhandensein einer bandartigen Struktur erhöht die Tendenz zur Abschreckrissbildung des Werkstücks.In der einschlägigen Literatur wird darauf hingewiesen, dass sich die bandartige Struktur in legiertem Stahl mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt auf die bandartige Struktur bezieht, die entlang der Walzrichtung oder Schmiederichtung des Stahls gebildet wird.Die hauptsächlich aus proeutektoidem Ferrit bestehenden Bänder und die hauptsächlich aus Perlit bestehenden Bänder sind übereinander gestapelt.Bei der Gussstruktur handelt es sich um eine fehlerhafte Struktur, die häufig bei Stahl auftritt.Da der geschmolzene Stahl während des Barrenkristallisationsprozesses selektiv kristallisiert und eine Dendritenstruktur mit ungleichmäßig verteilten chemischen Komponenten bildet, werden die groben Dendriten im Barren beim Walzen oder Schmieden entlang der Verformungsrichtung verlängert und passen sich allmählich der Verformungsrichtung an.Dadurch entstehen verarmte Bänder (Streifen) aus Kohlenstoff und Legierungselementen sowie abwechselnd gestapelte verarmte Bänder.Unter langsamen Abkühlungsbedingungen scheiden die abgereicherten Bänder aus Kohlenstoff und Legierungselementen (unterkühlter Austenit hat eine geringere Stabilität) proeutektoides Ferrit aus und entladen den überschüssigen Kohlenstoff in die angereicherten Zonen auf beiden Seiten, wodurch schließlich eine Zone entsteht, die von Ferrit dominiert wird: einem Kohlenstoff- und Legierungselement angereicherte Zone, deren unterkühlter Austenit stabiler ist. Danach bildet sich ein hauptsächlich aus Perlit bestehendes Band, wodurch eine bandartige Struktur entsteht, in der sich hauptsächlich aus Ferrit bestehende Bänder und aus Perlit bestehende Bänder abwechseln.Die unterschiedlichen Mikrostrukturen benachbarter Bänder in der Bandstruktur des Axialrohrs sowie die Unterschiede in der Morphologie und Qualität der Bandstruktur führen dazu, dass der Ausdehnungskoeffizient und der Unterschied im spezifischen Volumen vor und nach dem Phasenwechsel während der Wärmebehandlung ansteigen und Abschreckprozess des Axialrohrs, was dazu führt, dass die große organisatorische Belastung schließlich die Abschreckverformung des Axialrohrs erhöht.Wenn der Abschreckprozess nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird, erhöht sich die Tendenz der Bandstruktur, Abschreckverzerrungen und Risse zu verursachen, wodurch es leichter zu Abschreckrissen kommt.
3.3 Lösungen und Auswirkungen: Durch die obige Analyse der Ursachen für Risse im Axialrohr während des Abschreckprozesses haben wir zunächst den Wärmebehandlungs- und Abschreckprozess verbessert, indem wir die Abschrecktemperatur um etwa 10 °C reduziert und die Abschrecköltemperatur auf erhöht haben ca. 90°C.Gleichzeitig verkürzt sich auch die Verweildauer des Achsrohres im Abschrecköl.Die Ergebnisse zeigten, dass das Axialrohr beim Abschrecken keine Risse bekam.Es ist ersichtlich, dass die Hauptursache für Abschreckrisse im Axialrohr ein unsachgemäßer Abschreckprozess ist und die bandartige Struktur im Rohmaterial die Tendenz für Abschreckrisse im Axialrohr erhöht, dies ist jedoch nicht die Hauptursache von Abschreckrissen.Am Axialrohr wurde ein Dichtungstest durchgeführt, der 10 Minuten lang einen stabilen Druck von 3500 psi (entspricht 24 MPa) aufrechterhalten konnte, was den Dichtungsanforderungen von Bohrlochwerkzeugen vollständig entspricht.
4. Fazit
Die Hauptursache für Abschreckrisse im Axialrohr ist ein unsachgemäßer Abschreckprozess, und die bandartige Struktur im Rohmaterial erhöht die Abschreckrissneigung des Axialrohrs, ist jedoch nicht die Hauptursache für Abschreckrisse.Nach der Verbesserung des Wärmebehandlungsprozesses riss das Axialrohr beim Abschrecken nicht mehr, und als der Dichtungstest am Axialrohr durchgeführt wurde, konnte der Druck 10 Minuten lang bei 3500 psi (entspricht 24 MPa) stabilisiert werden, was den Anforderungen vollständig entsprach Dichtungsanforderungen von Bohrlochwerkzeugen.Um zu verhindern, dass das Axialrohr während des Abschreckvorgangs reißt, beachten Sie:
1) Behalten Sie eine gute Kontrolle über die Rohstoffe bei.Es ist erforderlich, dass die Bandstruktur in den Rohstoffen ≤3 ist, verschiedene Mängel in den Rohstoffen wie Lockerheit, Entmischung, nichtmetallische Einschlüsse usw. müssen den Standardanforderungen entsprechen und die chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur müssen einheitlich sein.
2) Reduzieren Sie die Bearbeitungsbelastung.Sorgen Sie für eine angemessene Vorschubmenge, um die Bearbeitungseigenspannung zu reduzieren, oder führen Sie vor dem Abschrecken ein Anlassen oder Normalisieren durch, um die Bearbeitungsspannung zu beseitigen.
3) Wählen Sie einen angemessenen Abschreckprozess, um strukturelle und thermische Spannungen zu reduzieren.Senken Sie die Abschreckheiztemperatur entsprechend ab und erhöhen Sie die Abschrecköltemperatur auf etwa 90 °C.Gleichzeitig verkürzt sich auch die Verweilzeit des Achsrohres im Abschrecköl.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. Mai 2024