地下石油採掘ツールは、数千メートルの深さの井戸で、過酷な環境と複雑な応力条件下で稼働します。通常、採掘ツールは引張応力、ねじり曲げ応力だけでなく、強い摩擦と衝撃にも耐えなければなりません。同時に、ツールは高温、高圧、そして環境腐食にも耐えなければなりません。
そのため、地下採掘工具の材料特性は優れた総合的な機械的特性を有する必要があり、高強度を確保するだけでなく、優れた衝撃靭性を確保し、同時に海水や泥による腐食に耐える必要があります。坑内作業環境の性能要件を考慮すると、坑内工具の材料選択は通常、CrやMoなどの耐腐食元素を含む合金構造用鋼であり、適切な熱処理と焼戻しプロセスを経て、強度と衝撃靭性の要件を満たすことが保証されます。この記事は、坑内パイプストリングの加工プロセスに焦点を当てています。40CrMnMo鋼製の軸管ワークピースの1つを焼入れ焼戻ししたところ、焼入れプロセス中に深刻な割れが何度も発生し、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。この目的のために、軸管材料の化学組成、組織、熱処理プロセス、および割れの形態の側面から焼入れ割れの原因を分析し、改善と予防策を提案しました。
1. 不良ワークの説明：素材は直径φ200mm×1mの40CMnMo鋼の無垢鍛造材です。工程フロー：荒旋削→穴あけ・ボーリング（肉厚約20mm）→焼入れ→焼戻し→仕上げ。軸管ワークの概要は、長さ約1m、直径φ200mm、肉厚20mmのパイプです。
熱処理工程：まず箱型炉で500℃までゆっくりと加熱し、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℃で焼入れします。油中で約10分間焼入れします。取り出した後、箱型炉で焼戻しを行い、炉内で冷却しながら600℃で10時間保持します。
亀裂状況：亀裂は中心管の軸に沿って発生し、端から観察でき、半径方向の壁厚方向に亀裂が生じている。
2. 検出と分析
2.1 化学組成検出：焼入れ後の割れた軸管ワークピースを部分ワイヤーカットで採取し、組成分析を行った。その化学組成はGB/T3077–1999「合金構造用鋼の化学組成及び機械的性質」に準拠していた。
2.2 金属組織検出分析の専門家：焼入れ焼戻し軸管のサンプルを縦方向に2つ採取し、火処理（850℃で15時間保温し、炉内で冷却）した後、サンドペーパーで研磨し、研磨機で研磨し、4％硝酸とアルコールを使用して金属組織を観察しました。サンプル2はサンドペーパーで直接研磨した後、研磨・腐食させて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の縞状組織はグレード3～4であり、そのうち白色は共析フェライト、灰黒色は真珠光沢であることが分かりました。パーライト組織が約60％を占めており、より高い割合を占めています。サンプル2の金属組織は、焼戻しトルースタイトと少量の焼戻しトルースタイトです。
3. ひび割れの原因と解決策の分析
3.1 亀裂形状と熱処理プロセス：軸管の亀裂形状を観察すると、縦亀裂であることがわかります。軸方向に沿って発生し、亀裂は深くなっています。軸管の端では、亀裂が半径方向に沿って割れていることも明らかです。軸管の亀裂を引き起こす応力は、後続の構造応力によって引き起こされる表面接線引張応力であ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、焼入れプロセス中にも構造応力が支配的になります。マルテンサイト変態が起こり、塑性が大幅に低下します。このとき、構造応力が急激に増加するため、焼入れ内部応力によってワークピースの表面に形成される引張応力が冷却中に鋼の強度を超え、亀裂が発生します。これは、完全に焼入れされた部分に発生することがよくあります。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℃の焼入れ油に急速に浸漬されます。Ms変態温度以上の温度では、焼入れ加熱温度が高く、熱応力が大きく、Ms変態温度以下に冷却する場合は、焼入れ油温度が比較的低く、10分間の焼入れ時間が比較的長くなります。急冷過程でマルテンサイトが多く生成されます。異なる組織の比容積の違いにより、組織応力も大きくなり、これが軸管の焼入れ割れの原因の一つとなります。
3.2 原料組織の均一性：採取したサンプル1を焼鈍（850℃で15時間保温、炉内冷却）後の組織学的分析を行ったところ、亀裂の入った軸管は焼鈍後も明らかな帯状の組織が残っていることがわかった。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組織を有していることを示している。帯状組織の存在は、ワークピースの焼入れ割れの傾向を高める。関連文献によると、低・中炭素合金鋼の帯状組織とは、鋼の圧延方向または鍛造方向に沿って形成された帯状組織を指す。主に初析フェライトからなる帯と主にパーライトからなる帯が積み重なっている。鋳造組織は鋼によく見られる欠陥組織である。インゴットの結晶化の過程で溶鋼が選択的に結晶化して化学成分が不均一に分布したデンドライト組織を形成するため、インゴット内の粗大なデンドライトは圧延や鍛造の過程で変形方向に沿って引き伸ばされ、徐々に変形方向と一致するようになります。こうして、炭素および合金元素の枯渇帯（ストリップ）と、交互に積み重ねられた枯渇帯が形成されます。徐冷条件下では、炭素および合金元素の枯渇帯（過冷却オーステナイトはより低い安定性）は初析フェライトを析出させ、過剰な炭素を両側の濃縮帯に排出し、最終的にフェライトが優勢な帯、すなわち過冷却オーステナイトがより安定した炭素および合金元素濃縮帯を形成します。その後、パーライトを主成分とする帯が形成され、こうしてフェライトを主成分とする帯とパーライトからなる帯が交互になった帯状の組織が形成されます。軸管の縞状組織における隣接する縞状の微細構造の違い、および縞状組織の形態や等級の違いにより、軸管の熱処理および焼入れ工程において、相変化前後の膨張係数および比容積差が大きくなり、結果として大きな組織応力が発生し、最終的に軸管の焼入れ変形が大きくなります。焼入れ工程が不適切な場合、縞状組織が焼入れ変形や割れを起こしやすい傾向が強まり、焼割れが発生しやすくなります。
3.3 解決策と効果：上記の焼入れ工程における軸管の割れの原因分析を経て、まず熱処理と焼入れ工程を改善し、焼入れ温度を約10℃下げ、焼入れ油温度を約90℃に上げました。同時に、軸管が焼入れ油に浸かる時間も短縮されました。結果は、焼入れ中に軸管に割れが生じないことを示しました。軸管の焼入れ割れの主な原因は不適切な焼入れ工程であり、原料中の帯状組織は軸管の焼入れ割れ傾向を高めるが、焼入れ割れの主な原因ではないことがわかります。軸管のシール試験を実施したところ、3500psi（24MPa相当）の圧力で10分間安定した圧力を維持でき、ダウンホールツールのシール要件を完全に満たしました。
4 結論
軸管の焼割れの主な原因は不適切な焼入れ工程であり、原料中の帯状組織は軸管の焼割れ傾向を高めるが、焼割れの主な原因ではない。熱処理工程を改善した後、軸管は焼入れ中に割れなくなり、軸管のシール試験を実施したところ、圧力は3500psi（24MPa相当）で10分間安定し、ダウンホールツールのシール要件を完全に満たしました。焼入れ工程中の軸管の割れを防止するために、以下の点に注意してください。
1) 原材料を適切に管理する。原材料のバンド構造は≤3であり、緩み、偏析、非金属介在物などの各種欠陥は標準要求を満たし、化学組成と微細構造は均一であることが求められる。
2) 加工応力の低減。適切な送り量を確保して加工残留応力を低減するか、焼入れ前に焼戻しや焼ならし処理を行って加工応力を除去します。
3）適切な焼入れプロセスを選択し、構造応力と熱応力を低減します。焼入れ加熱温度を適切に下げ、焼入れ油温度を約90℃まで上げます。同時に、軸管の焼入れ油中滞留時間も短縮されます。
投稿日時: 2024年5月28日