Las herramientas de extracción subterránea de petróleo funcionan en pozos a miles de metros de profundidad, en entornos hostiles y condiciones de estrés complejas.Normalmente, las herramientas de minería tienen que soportar no sólo esfuerzos de tracción y de flexión de torsión, sino también fuertes fricciones e impactos.Al mismo tiempo, las herramientas también deben resistir altas temperaturas, alta presión y corrosión ambiental.
Esto requiere que las propiedades materiales de las herramientas de minería subterránea tengan excelentes propiedades mecánicas integrales, que no solo deben garantizar una alta resistencia, sino también una excelente tenacidad al impacto y, al mismo tiempo, ser resistentes a la corrosión del agua de mar y el lodo.Dados los requisitos de rendimiento de las condiciones de trabajo del fondo de pozo, la selección del material de las herramientas de fondo de pozo suele ser acero estructural de aleación que contiene elementos resistentes a la corrosión como Cr y Mo, y luego pasa por un tratamiento térmico adecuado y procesos de templado para garantizar que cumpla con la resistencia y la tenacidad al impacto. requisitos.Este artículo se centra en el proceso de procesamiento de sartas de tuberías de fondo de pozo.Cuando una de las piezas de tubería axial hechas de acero 40CrMnMo fue apagada y revenida, muchas veces se produjeron grietas graves durante el proceso de enfriamiento, lo que provocó que la pieza de trabajo fuera desechada y provocara ciertas pérdidas económicas.Para ello, se analizaron las causas de las grietas por enfriamiento desde los aspectos de composición química, estructura, proceso de tratamiento térmico y morfología de las grietas del material del tubo axial, y se propusieron mejoras y medidas preventivas.
1. Descripción de la pieza de trabajo fallida: La materia prima es un material de forja sólido de acero de 40CMnMo con un diámetro de φ200 mmx1 m.Flujo del proceso: torneado en desbaste → taladrado y mandrinado (hasta un espesor de pared de aproximadamente 20 mm) → temple → revenido → acabado.El contorno de la pieza de trabajo del tubo axial es un tubo con una longitud de aproximadamente 1 m, un diámetro de φ200 mm y un espesor de pared de 20 mm.
Proceso de tratamiento térmico: primero calentarlo lentamente a 500°C en un horno de caja, luego colocarlo en un horno de baño de sal para calentarlo a una temperatura de enfriamiento de 860~880°C.El tiempo de calentamiento en el horno del baño de sal es de aproximadamente 30 minutos y luego se enfría a aproximadamente 40-60°C.Enfriar en aceite durante unos 10 minutos.Después de sacarlo, templarlo en un horno de caja y mantenerlo a 600°C durante 10 horas mientras se enfría en el horno.
Situación de la grieta: la grieta se desarrolla a lo largo del eje del tubo central, es visible desde el borde y se ha agrietado en la dirección radial del espesor de la pared.
2. Detección y análisis
2.1 Detección de la composición química: Se tomaron muestras de la pieza de trabajo del tubo axial agrietado y apagado mediante corte parcial del alambre para el análisis de la composición.Su composición química cumple con GB/T3077–1999 “Composición química y propiedades mecánicas del acero estructural aleado”.
2.2 Expertos en detección y análisis metalográficos: Tomar dos muestras del tubo axial templado y revenido longitudinalmente, tratamiento al fuego (aislado a 850°C durante 15 horas y enfriado en el horno), luego pulido con papel de lija y pulido en máquina pulidora, utilizando 4 % de ácido nítrico y alcohol, y observar la estructura metalográfica.La muestra 2 se pulió directamente con papel de lija y luego se pulió y corroyó, y se observó su estructura metalográfica.Al comparar la estructura metalográfica detectada con GBT 13299-1991 “Método para la evaluación de la microestructura del acero”, se encontró que la estructura en bandas en la muestra 1 era de grado 3 a 4, de la cual el blanco era ferrita eutectoide y el gris-negro era nacarado.En el cuerpo, la estructura de perlita representa alrededor del 60%, que es mayor.La estructura metalográfica de la muestra 2 es troostita templada y una pequeña cantidad de troostita templada.
3. Análisis de causas y soluciones del agrietamiento.
3.1 Forma de grieta y proceso de tratamiento térmico: Observe la forma de la grieta en el tubo axial.Es una grieta longitudinal.Ocurre a lo largo de la dirección axial y la grieta es profunda.Incluso es obvio que la grieta se ha agrietado a lo largo de la dirección radial en el borde del tubo axial.Se concluye que el esfuerzo que causa el agrietamiento del tubo axial es el esfuerzo de tracción tangencial superficial, el cual es causado por el esfuerzo estructural posterior.Al mismo tiempo, debido a que el material del tubo axial es acero estructural de aleación media de carbono, la tensión estructural también domina durante el proceso de enfriamiento.Se produce una transformación martensítica y la plasticidad disminuye drásticamente.En este momento, la tensión estructural aumenta bruscamente, de modo que la tensión de tracción formada en la superficie de la pieza de trabajo por la tensión interna de enfriamiento excede la resistencia del acero durante el enfriamiento, causando grietas, que a menudo ocurren en la pieza completamente templada.La aparición de tales grietas se debe principalmente a la gran tensión estructural causada por un proceso de enfriamiento inadecuado.Dado que la temperatura de calentamiento del tubo del eje es de 860~880℃, que es relativamente alta, se coloca rápidamente en el aceite de enfriamiento de 40~60℃.Cuando la temperatura está por encima de la temperatura de transición Ms, la temperatura de calentamiento y enfriamiento es alta.El estrés térmico es grande y cuando se enfría por debajo de la temperatura de transformación MS, la temperatura del aceite de enfriamiento es relativamente baja y el tiempo de enfriamiento de 10 minutos es relativamente largo.Durante el proceso de enfriamiento rápido, se produce más martensita.Los diferentes volúmenes específicos de diferentes estructuras, a su vez, producen una mayor tensión en el tejido, que es una de las causas del agrietamiento por enfriamiento del tubo del eje.
3.2 Uniformidad de la estructura de la materia prima: Mediante análisis metalográfico de la muestra 1 interceptada después del recocido (aislamiento a 850 °C durante 15 horas y enfriamiento en el horno), se encontró que el tubo axial con grietas todavía tenía bandas obvias después del recocido.La existencia de segregación de tejido en forma de banda indica que el propio material de cobre tiene una segregación de tejido en forma de banda grave y una estructura desigual.La existencia de una estructura en forma de banda aumentará la tendencia a apagar el agrietamiento de la pieza de trabajo.La literatura relevante señala que la estructura en forma de banda en acero de aleación de bajo y medio carbono se refiere a la estructura en forma de banda formada a lo largo de la dirección de laminación o de forjado del acero.Las bandas compuestas principalmente de ferrita proeutectoide y las bandas compuestas principalmente de perlita están apiladas unas sobre otras.La estructura fundida es una estructura defectuosa que suele aparecer en el acero.Debido a que el acero fundido cristaliza selectivamente durante el proceso de cristalización del lingote para formar una estructura dendrítica con componentes químicos distribuidos de manera desigual, las dendritas gruesas en el lingote se alargan a lo largo de la dirección de deformación durante el laminado o el forjado y gradualmente se vuelven consistentes con la dirección de deformación., formando así bandas empobrecidas (tiras) de carbono y elementos de aleación y bandas empobrecidas apiladas alternativamente entre sí.En condiciones de enfriamiento lento, las bandas agotadas de carbono y elementos de aleación (la austenita sobreenfriada tiene menor estabilidad) precipitan la ferrita proeutectoide y descargan el exceso de carbono en las zonas enriquecidas en ambos lados, formando eventualmente una zona dominada por ferrita: un carbono y un elemento de aleación. zona enriquecida, cuya austenita sobreenfriada es más estable. Después de esto, se forma una banda compuesta principalmente de perlita, formando así una estructura en forma de banda en la que se alternan bandas principalmente de ferrita y bandas compuestas de perlita.Las diferentes microestructuras de bandas adyacentes en la estructura con bandas del tubo axial, así como las diferencias en morfología y grado de la estructura con bandas, hacen que el coeficiente de expansión y la diferencia en el volumen específico antes y después del cambio de fase aumenten durante el tratamiento térmico. y proceso de enfriamiento del tubo axial, lo que resulta en una gran tensión organizativa que eventualmente aumentará la distorsión de enfriamiento del tubo axial.Si el proceso de enfriamiento es inadecuado, aumentará la tendencia de la estructura de la banda a causar distorsión y agrietamiento por enfriamiento, lo que hará que sea más fácil causar agrietamiento por enfriamiento.
3.3 Soluciones y efectos: A través del análisis anterior de las causas del agrietamiento del tubo axial durante el proceso de enfriamiento, primero mejoramos el tratamiento térmico y el proceso de enfriamiento, reduciendo la temperatura de enfriamiento en aproximadamente 10 ° C y aumentando la temperatura del aceite de enfriamiento a alrededor de 90°C.Al mismo tiempo, también se acorta el tiempo que el tubo del eje permanece en el aceite de enfriamiento.Los resultados mostraron que el tubo axial no se agrietó durante el enfriamiento.Se puede ver que la causa principal del agrietamiento por enfriamiento del tubo axial es un proceso de enfriamiento inadecuado, y la estructura en forma de banda en la materia prima aumentará la tendencia al agrietamiento por enfriamiento del tubo axial, pero no es la causa principal. de enfriamiento del cracking.Se realizó una prueba de sellado en el tubo axial y se pudo mantener una presión estable durante 10 minutos a una presión de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), lo que cumple plenamente con los requisitos de sellado de las herramientas de fondo de pozo.
4. Conclusión
La causa principal del agrietamiento por enfriamiento del tubo axial es un proceso de enfriamiento inadecuado, y la estructura en forma de banda en la materia prima aumenta la tendencia al agrietamiento por enfriamiento del tubo axial, pero no es la causa principal del agrietamiento por enfriamiento.Después de mejorar el proceso de tratamiento térmico, el tubo axial ya no se agrietó durante el enfriamiento, y cuando se realizó la prueba de sellado en el tubo axial, la presión pudo estabilizarse durante 10 minutos a 3500 psi (equivalente a 24 MPa), lo que cumplió totalmente con el Requisitos de sellado de herramientas de fondo de pozo.Para evitar que el tubo axial se agriete durante el proceso de enfriamiento, tenga en cuenta:
1) Mantener un buen control de las materias primas.Se requiere que la estructura de la banda en las materias primas sea ≤3, varios defectos en las materias primas, como holgura, segregación, inclusiones no metálicas, etc., deben cumplir con los requisitos estándar, y la composición química y la microestructura deben ser uniformes.
2) Reducir el estrés del mecanizado.Asegure una cantidad razonable de alimentación para reducir la tensión residual del mecanizado, o realice un templado o normalización antes del enfriamiento para eliminar la tensión del mecanizado.
3) Elija un proceso de enfriamiento razonable para reducir el estrés estructural y el estrés térmico.Reduzca apropiadamente la temperatura de calentamiento de enfriamiento y aumente la temperatura del aceite de enfriamiento a aproximadamente 90°C.Al mismo tiempo, también se acorta el tiempo de permanencia del tubo axial en el aceite de enfriamiento.
Hora de publicación: 28 de mayo de 2024