Инструменты для подземной добычи нефти работают в скважинах глубиной в тысячи метров, в суровых климатических условиях и сложных стрессовых условиях.Обычно горные инструменты должны выдерживать не только растягивающее напряжение и скручивающее изгибающее напряжение, но также сильное трение и удар.В то же время инструменты также выдерживают высокие температуры, высокое давление и коррозию окружающей среды.
Это требует, чтобы свойства материала инструментов для подземных горных работ имели отличные комплексные механические свойства, которые должны не только обеспечивать высокую прочность, но и обеспечивать отличную ударную вязкость и в то же время быть устойчивыми к коррозии под действием морской воды и грязи.Учитывая требования к эксплуатационным характеристикам скважинных условий работы, для скважинных инструментов обычно выбирают легированную конструкционную сталь, содержащую коррозионно-стойкие элементы, такие как Cr и Mo, а затем проходят соответствующие процессы термической обработки и отпуска, чтобы гарантировать, что она соответствует прочности и ударной вязкости. требования.Данная статья посвящена процессу обработки колонны скважинных труб.Когда одна из заготовок осевой трубы из стали 40CrMnMo была закалена и отпущена, в процессе закалки неоднократно возникало сильное растрескивание, что приводило к бракованию заготовки и к определенным экономическим потерям.С этой целью были проанализированы причины закалочных трещин с точки зрения химического состава, структуры, процесса термообработки и морфологии трещин материала осевой трубы, а также предложены усовершенствования и профилактические меры.
1. Описание вышедшей из строя заготовки: Исходным материалом является твердая поковка из стали 40CMnMo диаметром φ200 ммx1 м.Технологическая схема: черновая токарная обработка→сверление и растачивание (до толщины стенки около 20мм)→закалка→отпуск→чистовая обработка.Контур заготовки осевой трубы представляет собой трубу длиной около 1 м, диаметром φ200 мм и толщиной стенки 20 мм.
Процесс термообработки: сначала медленно нагрейте его до 500°C в коробчатой печи, затем поместите в печь с соляной ванной, чтобы нагреть до температуры закалки 860~880°C.Время нагрева в печи с соляной ванной составляет около 30 минут, а затем закалка примерно до 40-60°С.Охладить в масле около 10 минут.Вынув его, закалите в коробчатой печи и выдержите при температуре 600°С в течение 10 часов, одновременно охлаждая в печи.
Ситуация с трещиной: Трещина развивается вдоль оси центральной трубы, видна с края и раскололась в радиальном направлении толщины стенки.
2. Обнаружение и анализ
2.1 Определение химического состава. Из закаленной детали осевой трубы с трещинами отбирали пробы путем частичной резки проволокой для анализа состава.Его химический состав соответствует стандарту GB/T3077–1999 «Химический состав и механические свойства легированной конструкционной стали».
2.2 Специалисты по металлографическому обнаружению и анализу: Возьмите два образца закаленной и отпущенной осевой трубы в продольном направлении, обработайте огнем (изолируйте при 850°C в течение 15 часов и охладите в печи), затем отполируйте наждачной бумагой и отполируйте на полировальном станке, используя 4 % азотной кислоты и спирта и наблюдают за металлографической структурой.Образец 2 был непосредственно отшлифован наждачной бумагой, затем отполирован и подвергнут коррозии, и была изучена его металлографическая структура.Сравнивая обнаруженную металлографическую структуру с ГБТ 13299-1991 «Метод оценки микроструктуры стали», установлено, что полосчатая структура в образце 1 имеет 3-4 степени, из которых белый цвет — эвтектоидный феррит, а серо-черный — перламутровый.В теле перлитная структура составляет около 60%, что выше.Металлографическая структура образца 2 – закаленный троостит и небольшое количество закаленного троостита.
3. Анализ причин растрескивания и пути решения.
3.1 Форма трещины и процесс термообработки: обратите внимание на форму трещины в осевой трубке.Это продольная трещина.Трещина возникает в осевом направлении, трещина глубокая.Очевидно даже, что трещина раскололась в радиальном направлении на краю осевой трубы.Сделан вывод, что напряжение, вызывающее растрескивание осевой трубы, представляет собой поверхностное касательное растягивающее напряжение, вызванное более поздним структурным напряжением.В то же время, поскольку материалом осевой трубы является конструкционная сталь из среднеуглеродистого сплава, структурное напряжение также доминирует в процессе закалки.Происходит мартенситное превращение и резко снижается пластичность.В это время резко возрастают структурные напряжения, так что растягивающее напряжение, образующееся на поверхности заготовки закалочным внутренним напряжением, превышает прочность стали при охлаждении, вызывая растрескивание, которое часто возникает в полностью закаленной детали.Возникновение таких трещин происходит главным образом из-за больших структурных напряжений, вызванных неправильным процессом закалки.Поскольку температура нагрева осевой трубы составляет 860–880 ℃, что является относительно высоким показателем, она быстро помещается в закалочное масло с температурой 40–60 ℃.Когда температура выше температуры перехода Ms, температура закалочного нагрева высока.Термическое напряжение велико, и при охлаждении ниже температуры превращения MS температура закалочного масла относительно низкая, а время закалки, составляющее 10 минут, относительно велико.В процессе быстрого охлаждения образуется больше мартенсита.Разные удельные объемы разных структур, в свою очередь, вызывают большее напряжение тканей, что является одной из причин закалочного растрескивания оси трубки.
3.2 Однородность структуры сырья. Путем металлографического анализа перехваченного образца 1 после отжига (изоляция при 850°С в течение 15 часов и охлаждение в печи) было обнаружено, что осевая труба с трещинами после отжига все еще имела явные полосы.Существование лентовидной сегрегации тканей указывает на то, что сам медный материал имеет серьезную лентовидную сегрегацию тканей и неровную структуру.Наличие ленточной структуры увеличит склонность заготовки к закалочному растрескиванию.В соответствующей литературе указывается, что ленточная структура в низко- и среднеуглеродистой легированной стали относится к ленточной структуре, образующейся вдоль направления прокатки или направления ковки стали.Полосы, состоящие преимущественно из доэвтектоидного феррита, и полосы, состоящие преимущественно из перлита, накладываются друг на друга.Литая конструкция – дефектная конструкция, часто встречающаяся в стали.Поскольку в процессе кристаллизации слитка расплавленная сталь избирательно кристаллизуется с образованием дендритной структуры с неравномерно распределенными химическими компонентами, крупные дендриты в слитке вытягиваются вдоль направления деформации во время прокатки или ковки и постепенно становятся соответствующими направлению деформации., образуя при этом обедненные полосы (полосы) углерода и легирующих элементов, а также обедненные полосы, уложенные поочередно друг на друга.В условиях медленного охлаждения обедненные полосы углерода и легирующих элементов (переохлажденный аустенит имеет меньшую стабильность) выделяют доэвтектоидный феррит и выделяют избыточный углерод в обогащенные зоны с обеих сторон, в конечном итоге образуя зону, в которой доминирует феррит: углерод и легирующий элемент. обогащенная зона, переохлажденный аустенит которой более стабилен. После этого образуется полоса, состоящая преимущественно из перлита, образуя таким образом полосообразную структуру, в которой полосы преимущественно феррита и полосы, состоящие преимущественно из перлита, чередуются друг с другом.Различная микроструктура соседних полос в ленточной структуре осевой трубы, а также различия в морфологии и марке полосчатой структуры приводят к увеличению коэффициента расширения и разницы удельного объема до и после фазового перехода в процессе термообработки. и процесс закалки осевой трубки, в результате чего большое организационное напряжение в конечном итоге приведет к увеличению деформации осевой трубки при закалке.Если процесс закалки выполнен неправильно, тенденция ленточной структуры вызывать деформацию и растрескивание при закалке будет увеличиваться, что облегчает возникновение растрескивания при закалке.
3.3 Решения и последствия. Благодаря приведенному выше анализу причин растрескивания осевой трубы во время процесса закалки мы сначала улучшили процесс термообработки и закалки, снизив температуру закалки примерно на 10°C и повысив температуру закалочного масла до около 90°С.В то же время время пребывания оси трубки в закалочном масле также сокращается.Результаты показали, что осевая трубка не растрескалась во время закалки.Видно, что основной причиной закалочного растрескивания осевой трубы является неправильный процесс закалки, а ленточная структура исходного материала увеличивает тенденцию к закалочному растрескиванию осевой трубки, но это не основная причина. закалочного растрескивания.На осевой трубке было проведено испытание на герметичность, и она смогла поддерживать стабильное давление в течение 10 минут при давлении 3500 фунтов на квадратный дюйм (что эквивалентно 24 МПа), что полностью соответствует требованиям к уплотнению скважинных инструментов.
4. Вывод
Основной причиной закалочного растрескивания осевой трубы является неправильный процесс закалки, а ленточная структура исходного материала увеличивает склонность к закалочному растрескиванию осевой трубки, но это не является основной причиной закалочного растрескивания.После улучшения процесса термообработки осевая труба больше не растрескивалась во время закалки, а когда на осевой трубке было проведено испытание на герметичность, давление удалось стабилизировать в течение 10 минут на уровне 3500 фунтов на квадратный дюйм (эквивалент 24 МПа), что полностью соответствовало требованиям Требования к герметизации скважинного инструмента.Чтобы предотвратить растрескивание осевой трубы в процессе закалки, обратите внимание:
1) Держите хороший контроль над сырьем.Требуется, чтобы полосовая структура сырья была не выше 3, различные дефекты сырья, такие как рыхлость, сегрегация, неметаллические включения и т. д., соответствовали требованиям стандарта, а химический состав и микроструктура были однородными.
2) Уменьшите нагрузку при обработке.Обеспечьте разумную величину подачи, чтобы уменьшить остаточное напряжение при обработке, или выполните отпуск или нормализацию перед закалкой, чтобы устранить напряжение при обработке.
3) Выберите разумный процесс закалки, чтобы уменьшить структурное напряжение и термическое напряжение.Соответствующим образом понизьте температуру закалочного нагрева и увеличьте температуру закалочного масла примерно до 90°C.В то же время время пребывания осевой трубки в закалочном масле также сокращается.
Время публикации: 28 мая 2024 г.