Les outils d’extraction pétrolière souterraine fonctionnent dans des puits de plusieurs milliers de mètres de profondeur, dans des environnements difficiles et des conditions de stress complexes.Normalement, les outils miniers doivent résister non seulement aux contraintes de traction et de flexion, mais également aux fortes frictions et aux impacts.Dans le même temps, les outils résistent également aux températures élevées, aux pressions élevées et à la corrosion environnementale.
Cela nécessite que les propriétés matérielles des outils miniers souterrains aient d'excellentes propriétés mécaniques complètes, qui doivent non seulement garantir une résistance élevée, mais également assurer une excellente ténacité aux chocs, et en même temps être résistantes à la corrosion par l'eau de mer et la boue.Compte tenu des exigences de performance des conditions de travail en fond de trou, le matériau sélectionné pour les outils de fond de trou est généralement un acier de construction en alliage contenant des éléments résistants à la corrosion tels que le Cr et le Mo, puis soumis à des processus de traitement thermique et de revenu appropriés pour garantir qu'il répond aux exigences de résistance et de résistance aux chocs. exigences.Cet article se concentre sur le processus de traitement des trains de tiges de fond.Lorsqu'une des pièces de tuyaux axiaux en acier 40CrMnMo était trempée et revenue, de graves fissures se produisaient à plusieurs reprises au cours du processus de trempe, entraînant la mise au rebut de la pièce et provoquant certaines pertes économiques.À cette fin, les causes des fissures de trempe ont été analysées du point de vue de la composition chimique, de la structure, du processus de traitement thermique et de la morphologie des fissures du matériau du tube axial, et des améliorations et des mesures préventives ont été proposées.
1. Description de la pièce défaillante : La matière première est un matériau de forgeage solide en acier 40CMnMo d'un diamètre de φ200 mmx1 m.Flux de processus : tournage grossier → perçage et alésage (jusqu'à une épaisseur de paroi d'environ 20 mm) → trempe → revenu → finition.Le contour de la pièce à tube axial est un tuyau d'une longueur d'environ 1 m, d'un diamètre de φ200 mm et d'une épaisseur de paroi de 20 mm.
Processus de traitement thermique : chauffez-le d'abord lentement à 500°C dans un four à caisson, puis placez-le dans un four à bain de sel pour le chauffer à la température de trempe de 860~880°C.Le temps de chauffage dans le four à bain de sel est d'environ 30 minutes, puis trempé à environ 40-60°C.Tremper dans l'huile pendant environ 10 minutes.Après l'avoir sorti, tempérez-le dans un four à caisson et maintenez-le à 600°C pendant 10 heures tout en refroidissant dans le four.
Situation de fissure : La fissure se développe le long de l'axe du tube central, est visible depuis le bord et s'est fissurée dans le sens radial de l'épaisseur de la paroi.
2. Détection et analyse
2.1 Détection de la composition chimique : La pièce à tube axial fissurée et trempée a été échantillonnée par coupe partielle au fil pour l'analyse de la composition.Sa composition chimique est conforme à la norme GB/T3077-1999 « Composition chimique et propriétés mécaniques de l'acier de construction allié ».
2.2 Experts en détection et analyse métallographique : Prélever deux échantillons du tube axial trempé et revenu longitudinalement, traitement au feu (isolé à 850°C pendant 15 heures et refroidi au four), puis poli au papier de verre et poli sur une machine à polir, à l'aide de 4 % d'acide nitrique et d'alcool et observer la structure métallographique.L'échantillon 2 a été directement broyé avec du papier de verre puis poli et corrodé, et sa structure métallographique a été observée.En comparant la structure métallographique détectée avec la méthode GBT 13299-1991 « Méthode d'évaluation de la microstructure de l'acier », il a été constaté que la structure en bandes dans l'échantillon 1 était de grade 3 à 4, dont le blanc était de la ferrite eutectoïde et le gris-noir était nacré.corps, la structure perlite représente environ 60%, ce qui est plus élevé.La structure métallographique de l’échantillon 2 est constituée de troostite trempée et d’une petite quantité de troostite trempée.
3. Analyse des causes de fissuration et solutions
3.1 Forme de fissure et processus de traitement thermique : Observez la forme de la fissure dans le tube axial.Il s'agit d'une fissure longitudinale.Elle se produit dans la direction axiale et la fissure est profonde.Il est même évident que la fissure s'est fissurée selon la direction radiale sur le bord du tube axial.On conclut que la contrainte provoquant la fissuration du tube axial est la contrainte de traction tangentielle de surface, provoquée par la contrainte structurelle ultérieure.Dans le même temps, étant donné que le matériau du tube axial est un acier de construction en alliage de carbone moyen, la contrainte structurelle domine également pendant le processus de trempe.Une transformation martensitique se produit et la plasticité diminue fortement.À ce stade, la contrainte structurelle augmente fortement, de sorte que la contrainte de traction formée sur la surface de la pièce par la contrainte interne de trempe dépasse la résistance de l'acier pendant le refroidissement, provoquant des fissures, qui se produisent souvent dans la partie entièrement trempée.L’apparition de telles fissures est principalement due aux contraintes structurelles importantes provoquées par un processus de trempe inapproprié.Étant donné que la température de chauffage de trempe du tube d'axe est de 860 ~ 880 ℃, ce qui est relativement élevé, il est rapidement mis dans l'huile de trempe de 40 ~ 60 ℃.Lorsque la température est supérieure à la température de transition Ms, la température de chauffage de trempe est élevée.La contrainte thermique est importante et lors du refroidissement en dessous de la température de transformation MS, la température de l'huile de trempe est relativement basse et le temps de trempe de 10 minutes est relativement long.Au cours du processus de refroidissement rapide, davantage de martensite est produite.Les différents volumes spécifiques des différentes structures produisent à leur tour une contrainte tissulaire plus importante, qui est l'une des causes de la fissuration par trempe du tube de l'axe.
3.2 Uniformité de la structure de la matière première : Grâce à l'analyse métallographique de l'échantillon intercepté 1 après recuit (isolation à 850°C pendant 15 heures et refroidissement au four), il a été constaté que le tube axial fissuré présentait encore des bandes évidentes après recuit.L'existence d'une ségrégation tissulaire en forme de bande indique que le matériau en cuivre lui-même présente une ségrégation tissulaire grave en forme de bande et une structure inégale.L'existence d'une structure en forme de bande augmentera la tendance à la fissuration de la pièce.La littérature pertinente souligne que la structure en forme de bande dans les aciers alliés à faible et moyenne teneur en carbone fait référence à la structure en forme de bande formée dans le sens de laminage ou dans le sens de forgeage de l'acier.Les bandes principalement composées de ferrite proeutectoïde et les bandes principalement composées de perlite sont empilées les unes sur les autres.La structure coulée est une structure défectueuse qui apparaît souvent en acier.Étant donné que l'acier fondu cristallise sélectivement pendant le processus de cristallisation du lingot pour former une structure dendritique avec des composants chimiques inégalement répartis, les dendrites grossières du lingot s'allongent dans la direction de la déformation pendant le laminage ou le forgeage et deviennent progressivement cohérentes avec la direction de la déformation., formant ainsi des bandes appauvries (bandes) de carbone et d'éléments d'alliage et des bandes appauvries empilées alternativement les unes avec les autres.Dans des conditions de refroidissement lent, les bandes appauvries en carbone et en éléments d'alliage (l'austénite trop refroidie a une stabilité moindre) précipitent la ferrite proeutectoïde et déchargent l'excès de carbone dans les zones enrichies des deux côtés, formant finalement une zone dominée par la ferrite : un élément de carbone et d'alliage. zone enrichie, dont l'austénite surfondue est plus stable. Après cela, une bande composée principalement de perlite se forme, formant ainsi une structure en forme de bande dans laquelle des bandes principalement de ferrite et des bandes composées de perlite alternent les unes avec les autres.Les différentes microstructures des bandes adjacentes dans la structure en bandes du tube axial, ainsi que les différences de morphologie et de qualité de la structure en bandes, provoquent une augmentation du coefficient de dilatation et de la différence de volume spécifique avant et après le changement de phase pendant le traitement thermique. et le processus de trempe du tube axial, ce qui entraîne une contrainte organisationnelle importante qui finira par augmenter la distorsion de trempe du tube axial.Si le processus de trempe est inapproprié, la tendance de la structure de la bande à provoquer une distorsion et une fissuration par trempe augmentera, ce qui facilitera la formation de fissures par trempe.
3.3 Solutions et effets : Grâce à l'analyse ci-dessus des causes de fissuration du tube axial pendant le processus de trempe, nous avons d'abord amélioré le traitement thermique et le processus de trempe, en réduisant la température de trempe d'environ 10°C et en augmentant la température de l'huile de trempe à environ 90°C.Dans le même temps, le temps passé par le tube d'axe dans l'huile de trempe est également raccourci.Les résultats ont montré que le tube axial ne s'est pas fissuré lors de la trempe.On peut voir que la principale cause de la fissuration par trempe du tube axial est un processus de trempe inapproprié, et la structure en forme de bande dans la matière première augmentera la tendance à la fissuration par trempe du tube axial, mais ce n'est pas la cause principale d'extinction des fissures.Un test d'étanchéité a été effectué sur le tube axial, qui a permis de maintenir une pression stable pendant 10 minutes à une pression de 3 500 psi (équivalent à 24 MPa), ce qui répond pleinement aux exigences d'étanchéité des outils de fond de trou.
4. Conclusion
La principale cause de fissuration par trempe du tube axial est un processus de trempe inapproprié, et la structure en forme de bande dans la matière première augmente la tendance à la fissuration par trempe du tube axial, mais ce n'est pas la cause principale de la fissuration par trempe.Après avoir amélioré le processus de traitement thermique, le tube axial ne s'est plus fissuré pendant la trempe, et lorsque le test d'étanchéité a été effectué sur le tube axial, la pression a pu être stabilisée pendant 10 minutes à 3 500 psi (équivalent à 24 MPa), ce qui est entièrement conforme aux exigences d’étanchéité des outils de fond.Pour éviter que le tube axial ne se fissure pendant le processus de trempe, notez :
1) Gardez un bon contrôle des matières premières.Il est nécessaire que la structure de bande dans les matières premières soit ≤3, divers défauts dans les matières premières tels que le relâchement, la ségrégation, les inclusions non métalliques, etc. doivent répondre aux exigences standard, et la composition chimique et la microstructure doivent être uniformes.
2) Réduisez les contraintes d’usinage.Assurez une quantité raisonnable d'avance pour réduire les contraintes résiduelles d'usinage, ou effectuez un revenu ou une normalisation avant la trempe pour éliminer les contraintes d'usinage.
3) Choisissez un processus de trempe raisonnable pour réduire les contraintes structurelles et thermiques.Abaissez de manière appropriée la température de chauffage de trempe et augmentez la température de l'huile de trempe à environ 90 °C.Dans le même temps, le temps de séjour du tube d'axe dans l'huile de trempe est également raccourci.
Heure de publication : 28 mai 2024