Gli strumenti per l'estrazione petrolifera sotterranea lavorano in pozzi profondi migliaia di metri, in ambienti difficili e condizioni di stress complesse.Normalmente, gli strumenti minerari devono resistere non solo allo stress di trazione e alla flessione torsionale, ma anche a forti attriti e urti.Allo stesso tempo, gli strumenti sono anche in grado di resistere alle alte temperature, all'alta pressione e alla corrosione ambientale.
Ciò richiede che le proprietà dei materiali degli strumenti di estrazione sotterranea abbiano eccellenti proprietà meccaniche complete, che non devono solo garantire un'elevata resistenza, ma anche garantire un'eccellente resilienza e allo stesso tempo essere resistenti alla corrosione da parte dell'acqua di mare e del fango.Considerati i requisiti prestazionali delle condizioni di lavoro del pozzo, la selezione del materiale degli strumenti del pozzo è solitamente acciaio strutturale legato contenente elementi resistenti alla corrosione come Cr e Mo, e quindi attraverso adeguati processi di trattamento termico e rinvenimento per garantire che soddisfi la resistenza e la resistenza agli urti requisiti.Questo articolo si concentra sul processo di elaborazione delle stringhe di tubi di fondo pozzo.Quando uno dei pezzi del tubo assiale in acciaio 40CrMnMo è stato raffreddato e rinvenuto, durante il processo di tempra si sono verificate molte volte gravi crepe, con conseguente rottamazione del pezzo e cause di alcune perdite economiche.A tal fine, sono state analizzate le cause delle cricche da tempra dagli aspetti della composizione chimica, della struttura, del processo di trattamento termico e della morfologia delle cricche del materiale del tubo assiale, e sono stati proposti miglioramenti e misure preventive.
1. Descrizione del pezzo guasto: la materia prima è un materiale forgiato solido in acciaio 40CMnMo con un diametro di φ200 mmx1 m.Flusso del processo: tornitura di sgrossatura→foratura e alesatura (fino allo spessore della parete di circa 20 mm)→tempra→rinvenimento→finitura.Il contorno del pezzo in lavorazione del tubo assiale è un tubo con una lunghezza di circa 1 m, un diametro di φ200 mm e uno spessore di parete di 20 mm.
Processo di trattamento termico: prima riscaldarlo lentamente a 500°C in un forno a scatola, quindi metterlo in un forno a bagno di sale per riscaldarlo alla temperatura di raffreddamento di 860~880°C.Il tempo di riscaldamento nel forno a bagno di sale è di circa 30 minuti e poi si raffredda a circa 40-60°C.Fate soffriggere nell'olio per circa 10 minuti.Dopo averlo estratto, temperarlo in un forno a scatola e mantenerlo a 600°C per 10 ore mentre si raffredda in forno.
Situazione della fessura: La fessura si sviluppa lungo l'asse del tubo centrale, è visibile dal bordo e si è fessurata nella direzione radiale dello spessore della parete.
2. Rilevazione e analisi
2.1 Rilevamento della composizione chimica: il pezzo in lavorazione del tubo assiale incrinato e raffreddato è stato campionato mediante taglio parziale del filo per l'analisi della composizione.La sua composizione chimica è conforme alla norma GB/T3077–1999 “Composizione chimica e proprietà meccaniche dell'acciaio strutturale legato”.
2.2 Esperti in rilevamento e analisi metallografica: prelevare due campioni del tubo assiale bonificato longitudinalmente, trattamento al fuoco (isolato a 850°C per 15 ore e raffreddato in forno), quindi lucidato con carta vetrata e lucidato su una lucidatrice, utilizzando 4% di acido nitrico e alcol e osservare la struttura metallografica.Il campione 2 è stato macinato direttamente con carta vetrata e poi lucidato e corroso, ed è stata osservata la sua struttura metallografica.Confrontando la struttura metallografica rilevata con GBT 13299-1991 “Metodo per la valutazione della microstruttura dell'acciaio”, si è scoperto che la struttura a bande nel campione 1 era di grado da 3 a 4, di cui il bianco era ferrite eutettoide e il grigio-nero era perlescente.corpo, la struttura della perlite rappresenta circa il 60%, che è più alta.La struttura metallografica del campione 2 è troostite temperata e una piccola quantità di troostite temperata.
3. Analisi delle cause e delle soluzioni delle fessurazioni
3.1 Forma della fessura e processo di trattamento termico: osservare la forma della fessura nel tubo assiale.È una fessura longitudinale.Si presenta lungo la direzione assiale e la fessura è profonda.È addirittura evidente che la fessura si è incrinata lungo la direzione radiale sul bordo del tubo assiale.Si conclude che la sollecitazione che causa la rottura del tubo assiale è la sollecitazione di trazione tangenziale superficiale, che è causata dalla successiva sollecitazione strutturale.Allo stesso tempo, poiché il materiale del tubo assiale è acciaio strutturale a medio tenore di carbonio, durante il processo di tempra prevale anche la sollecitazione strutturale.Si verifica la trasformazione martensitica e la plasticità diminuisce drasticamente.In questo momento, la tensione strutturale aumenta notevolmente, tanto che la tensione di trazione formata sulla superficie del pezzo in lavorazione dalla tensione interna di tempra supera la resistenza dell'acciaio durante il raffreddamento, causando fessurazioni, che spesso si verificano nella parte completamente temprata.Il verificarsi di tali crepe è dovuto principalmente al grande stress strutturale causato da un processo di tempra improprio.Poiché la temperatura di riscaldamento del tubo dell'asse è 860~880℃, che è relativamente alta, viene rapidamente inserito nell'olio di tempra a 40~60℃.Quando la temperatura è superiore alla temperatura di transizione Ms, la temperatura di riscaldamento di spegnimento è elevata.Lo stress termico è elevato e, quando si raffredda al di sotto della temperatura di trasformazione MS, la temperatura dell'olio di raffreddamento è relativamente bassa e il tempo di raffreddamento di 10 minuti è relativamente lungo.Durante il processo di raffreddamento rapido viene prodotta più martensite.I diversi volumi specifici delle diverse strutture, a loro volta, producono un maggiore stress tissutale, che è una delle cause della rottura da raffreddamento del tubo dell'asse.
3.2 Uniformità della struttura della materia prima: Attraverso l'analisi metallografica del campione intercettato 1 dopo la ricottura (isolamento a 850°C per 15 ore e raffreddamento in forno), si è riscontrato che il tubo assiale con cricche presentava ancora bande evidenti dopo la ricottura.L'esistenza di una segregazione tissutale a banda indica che il materiale di rame stesso presenta una grave segregazione tissutale a bande e una struttura irregolare.L'esistenza di una struttura a nastro aumenterà la tendenza alla rottura del pezzo in lavorazione.La letteratura pertinente sottolinea che la struttura a nastro negli acciai legati a basso e medio tenore di carbonio si riferisce alla struttura a nastro formata lungo la direzione di laminazione o di forgiatura dell'acciaio.Le bande composte principalmente da ferrite proeutettoide e le bande composte principalmente da perlite sono impilate l'una sull'altra.La struttura fusa è una struttura difettosa che spesso appare nell'acciaio.Poiché l'acciaio fuso cristallizza selettivamente durante il processo di cristallizzazione del lingotto per formare una struttura dendritica con componenti chimici distribuiti in modo non uniforme, i dendriti grossolani nel lingotto vengono allungati lungo la direzione di deformazione durante la laminazione o la forgiatura e diventano gradualmente coerenti con la direzione di deformazione., formando così fasce (strisce) impoverite di carbonio e di elementi di lega e fasce impoverite impilate alternativamente tra loro.In condizioni di raffreddamento lento, le bande impoverite di carbonio e di elementi di lega (l'austenite sovraraffreddata ha una stabilità inferiore) precipitano la ferrite proeutettoide e scaricano il carbonio in eccesso nelle zone arricchite su entrambi i lati, formando infine una zona dominata dalla ferrite: un elemento di carbonio e lega zona arricchita, la cui austenite sottoraffreddata è più stabile Successivamente si forma una fascia composta principalmente da perlite, formando così una struttura a bande in cui si alternano fasce prevalentemente di ferrite e bande composte da perlite.Le diverse microstrutture delle bande adiacenti nella struttura a bande del tubo assiale, nonché le differenze nella morfologia e nel grado della struttura a bande, fanno sì che il coefficiente di espansione e la differenza di volume specifico prima e dopo il cambiamento di fase aumentino durante il trattamento termico e il processo di tempra del tubo assiale, con conseguente grande stress organizzativo alla fine aumenterà la distorsione di tempra del tubo assiale.Se il processo di tempra non è corretto, la tendenza della struttura a fascia a provocare distorsioni e fessurazioni da raffreddamento aumenterà, rendendo più facile la comparsa di fessurazioni da raffreddamento.
3.3 Soluzioni ed effetti: Attraverso l'analisi di cui sopra delle cause di rottura del tubo assiale durante il processo di tempra, abbiamo innanzitutto migliorato il trattamento termico e il processo di tempra, riducendo la temperatura di tempra di circa 10°C e aumentando la temperatura dell'olio di tempra a circa 90°C.Allo stesso tempo, viene ridotto anche il tempo del tubo dell'asse nell'olio di tempra.I risultati hanno mostrato che il tubo assiale non si è rotto durante la tempra.Si può vedere che la causa principale della rottura da tempra del tubo assiale è un processo di tempra improprio e la struttura a nastro nella materia prima aumenterà la tendenza alla rottura del tubo assiale da tempra, ma non è la causa principale di cracking da tempra.È stato condotto un test di tenuta sul tubo assiale ed è stato in grado di mantenere una pressione stabile per 10 minuti a una pressione di 3500 psi (equivalente a 24 MPa), che soddisfa pienamente i requisiti di tenuta degli strumenti di fondo pozzo.
4. Conclusione
La causa principale della rottura da tempra del tubo assiale è un processo di tempra improprio e la struttura a fascia nella materia prima aumenta la tendenza alla rottura del tubo assiale da tempra, ma non è la causa principale della fessurazione da tempra.Dopo aver migliorato il processo di trattamento termico, il tubo assiale non si è più rotto durante la tempra e quando è stato condotto il test di tenuta sul tubo assiale, la pressione è stata stabilizzata per 10 minuti a 3500 psi (equivalenti a 24 MPa), che è pienamente conforme ai requisiti requisiti di tenuta degli strumenti per il fondo pozzo.Per evitare che il tubo assiale si rompa durante il processo di tempra, Nota:
1) Mantenere un buon controllo delle materie prime.È necessario che la struttura della banda nelle materie prime sia ≤3, vari difetti nelle materie prime come allentamento, segregazione, inclusioni non metalliche, ecc. devono soddisfare i requisiti standard e la composizione chimica e la microstruttura devono essere uniformi.
2) Ridurre lo stress di lavorazione.Garantire una quantità ragionevole di avanzamento per ridurre lo stress residuo di lavorazione oppure eseguire il rinvenimento o la normalizzazione prima della tempra per eliminare lo stress di lavorazione.
3) Scegliere un processo di tempra ragionevole per ridurre lo stress strutturale e lo stress termico.Abbassare opportunamente la temperatura di riscaldamento di raffreddamento e aumentare la temperatura dell'olio di raffreddamento a circa 90°C.Allo stesso tempo viene ridotto anche il tempo di permanenza del tubo dell'asse nell'olio di tempra.
Orario di pubblicazione: 28 maggio 2024