地下石油採掘ツールは、数千メートルの深さの井戸の中で、過酷な環境と複雑なストレス条件で動作します。通常、採掘ツールは引張応力やねじり曲げ応力だけでなく、強い摩擦や衝撃にも耐える必要があります。同時に、工具は高温、高圧、環境腐食にも耐えられます。
このため、地下採掘ツールの材料特性には、高い強度を確保するだけでなく、優れた衝撃靱性を確保し、同時に海水や泥による腐食に強い、総合的に優れた機械的特性が求められます。ダウンホール作業条件の性能要件を考慮して、ダウンホールツールの材料は通常、Cr や Mo などの耐食性元素を含む合金構造用鋼を選択し、適切な熱処理と焼き戻しプロセスを経て、強度と衝撃靭性を確実に満たすようにします。要件。この記事では、ダウンホールパイプストリングの処理プロセスに焦点を当てます。40CrMnMo鋼で作られた軸方向のパイプワークピースの1つを焼き入れおよび焼き戻しすると、焼き入れプロセス中に深刻な亀裂が何度も発生し、その結果、ワークピースが廃棄され、一定の経済的損失が発生しました。このため、軸管材料の化学成分、組織、熱処理工程、亀裂形態の側面から焼割れの原因を解析し、改善策と予防策を提案した。
1. 不良ワークの内容：素材は直径φ200mm×1mの40CMnMo鋼中実鍛造材です。加工の流れ：荒旋削→穴あけ・中ぐり加工（肉厚20mm程度まで）→焼き入れ→焼き戻し→仕上げ。軸管ワークの外形は長さ約1m、直径φ200mm、肉厚20mmのパイプです。
熱処理プロセス：まず箱型炉で500℃までゆっくり加熱し、次に塩浴炉に入れて860〜880℃の焼入れ温度まで加熱します。塩浴炉での加熱時間は約 30 分で、その後約 40 ～ 60℃で急冷されます。油で10分ほど焼きます。取り出したら箱型炉で焼き戻しを行い、炉内で冷却しながら600℃で10時間保持します。
亀裂の状況: 亀裂は中心管の軸に沿って発達し、端から見ることができ、半径方向の肉厚方向に亀裂が入っています。
2. 検出と分析
2.1 化学組成の検出: 焼入れされた亀裂の入った軸管ワークピースを部分ワイヤー切断によりサンプリングし、組成分析を行いました。その化学組成は、GB/T3077-1999「合金構造用鋼の化学組成と機械的特性」に準拠しています。
2.2 金属組織検出および分析の専門家: 焼き入れおよび焼き戻しを行った軸管のサンプルを長手方向に 2 つ採取し、火処理 (850°C で 15 時間断熱し、炉内で冷却) を行った後、サンドペーパーで研磨し、研磨機で研磨します。 4%硝酸とアルコールで金属組織を観察します。サンプル 2 はサンドペーパーで直接研削し、研磨して腐食し、金属組織を観察しました。検出された金属組織を GBT 13299-1991「鋼の微細組織評価方法」と比較すると、サンプル 1 の帯状組織はグレード 3 ～ 4 であり、白色は共析フェライト、灰黒色は真珠光沢であることがわかりました。ボディはパーライト組織が約60％と多くなっています。サンプル２の金属組織は、焼戻しトルースタイトおよび少量の焼戻しトルースタイトである。
3. クラックの原因分析と解決策
3.1 亀裂の形状と熱処理プロセス: 軸管の亀裂の形状を観察します。縦方向の亀裂です。軸方向に沿って発生しており、亀裂は深い。軸管の端で半径方向に沿って亀裂が入っていることさえ明らかです。軸管の亀裂を引き起こす応力は表面接線方向引張応力であり、後の構造応力によって引き起こされると結論付けられます。同時に、軸管の材質は中炭素合金構造用鋼であるため、焼入れプロセス中の構造応力も支配的になります。マルテンサイト変態が起こり、塑性が急激に低下します。このとき、組織応力が急激に増加し、焼入れ内部応力によりワーク表面に形成される引張応力が冷却時の鋼の強度を超え、割れが発生し、完全焼入れ部に発生しやすくなります。このような亀裂の発生は主に、不適切な焼入れプロセスによって引き起こされる大きな構造応力によるものです。軸管の焼入れ加熱温度は860～880℃と比較的高いため、40～60℃の焼入れ油に素早く投入されます。温度がＭｓ転移温度を超えると、焼入れ加熱温度が高くなる。熱応力が大きく、MS変態温度以下に冷却する場合、焼入油温度は比較的低く、焼入時間は10分と比較的長くなる。急速冷却プロセス中に、より多くのマルテンサイトが生成されます。異なる構造の異なる比容積は、さらに大きな組織応力を生成し、これが軸管の焼入れ亀裂の原因の 1 つとなります。
3.2 原材料組織の均一性：アニーリング（850℃で 15 時間の断熱と炉内冷却）後の遮断サンプル 1 の金属組織学的分析により、亀裂のある軸管にはアニーリング後も明らかなバンドが残っていることがわかりました。帯状の組織偏析の存在は、銅材料自体が深刻な帯状の組織偏析と不均一な構造を持っていることを示しています。帯状組織が存在すると、ワークの焼割れが発生しやすくなります。関連文献では、低中炭素合金鋼における帯状組織とは、鋼の圧延方向または鍛造方向に沿って形成される帯状組織を指すと指摘されている。初析フェライトを主成分とするバンドとパーライトを主成分とするバンドが積層している。鋳造組織は鋼によく見られる欠陥組織です。インゴットの結晶化過程において溶鋼は選択的に結晶化し、化学成分が偏在したデンドライト組織を形成するため、インゴット中の粗大なデンドライトは圧延や鍛造の際に変形方向に沿って伸長し、徐々に変形方向と一致するようになる。、したがって、炭素および合金元素の空乏バンド（ストリップ）と、互いに交互に積み重ねられた空乏バンドが形成されます。徐冷条件下では、炭素および合金元素の欠乏帯（過冷却されたオーステナイトは安定性が低下します）が初析フェライトを析出させ、過剰な炭素を両側の富化帯に排出し、最終的には炭素および合金元素であるフェライトが優勢な帯を形成します。過冷却オーステナイトがより安定な濃化帯 その後、パーライトを主成分とするバンドが形成され、フェライトを主成分とするバンドとパーライトを主成分とするバンドが交互に並ぶ帯状組織を形成する。軸管の帯状構造における隣接する帯の微細構造の違い、および帯状構造の形態およびグレードの違いにより、熱処理中の相変化前後の膨張係数および比体積の差が増加します。大きな組織応力は、最終的に軸管の焼入れ歪みを増加させます。焼入れが不適切な場合、バンド組織の焼入歪や割れが発生しやすくなり、焼割れが発生しやすくなります。
3.3 解決策と効果：上記の焼入工程における軸管割れの原因分析により、まず熱処理と焼入工程を改善し、焼入温度を約10℃低下させ、焼入油温度を10℃まで上昇させた。約90℃。同時に軸管が焼入油に浸かる時間も短縮されます。結果は、軸管が焼入れ中に亀裂を生じないことを示した。軸管の焼割れの主な原因は不適切な焼入れプロセスであり、素材の帯状組織は軸管の焼割れの傾向を増加させることがわかりますが、それが主な原因ではありません焼入れ割れのこと。軸管のシール試験を行ったところ、ダウンホールツールのシール要件を十分に満たす3500 psi（24MPa相当）の圧力で10分間安定した圧力を維持することができました。
4 結論
軸管の焼割れの主な原因は不適切な焼入れプロセスであり、素材の帯状組織は軸管の焼割れ傾向を増大させますが、それが焼割れの主な原因ではありません。熱処理工程を改善した結果、焼入れ時に軸管に亀裂が発生することがなくなり、軸管のシール試験を行ったところ、3500 psi（24MPa相当）で10分間圧力が安定することができ、規格に完全準拠しました。ダウンホールツールのシーリング要件。焼入れプロセス中の軸管の亀裂を防ぐために、次の点に注意してください。
1) 原材料を適切に管理してください。原材料のバンド構造が 3 以下であること、ゆるみ、偏析、非金属介在物などの原材料のさまざまな欠陥が規格要件を満たしていること、化学組成と微細構造が均一であることが必要です。
2) 加工ストレスを軽減します。適度な送り量を確保して加工残留応力を低減するか、焼き入れ前に焼き戻しや焼きならしを行って加工応力を除去してください。
3) 合理的な焼入れプロセスを選択して、構造応力と熱応力を軽減します。焼入れ加熱温度を適切に下げ、焼入れ油温度を90℃程度まで上げてください。同時に軸管の焼入れ油中での滞留時間も短縮されます。
投稿日時: 2024 年 5 月 28 日