การวิเคราะห์และมาตรการป้องกันการดับการแตกร้าวของท่อเหล็กไร้ตะเข็บขนาด 40CrMnMo

เครื่องมือขุดน้ำมันใต้ดินทำงานในบ่อลึกหลายพันเมตร ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสภาวะความเครียดที่ซับซ้อนโดยปกติแล้ว เครื่องมือขุดจะต้องทนต่อไม่เพียงแต่ความเค้นดึง และความเค้นดัดแบบบิดเท่านั้น แต่ยังทนต่อแรงเสียดทานและแรงกระแทกที่รุนแรงอีกด้วยขณะเดียวกันเครื่องมือก็ยังมี ให้ทนทานต่ออุณหภูมิสูง แรงดันสูง และการกัดกร่อนจากสิ่งแวดล้อม

สิ่งนี้ต้องการคุณสมบัติวัสดุของเครื่องมือขุดใต้ดินเพื่อให้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องรับประกันความแข็งแรงสูงเท่านั้น แต่ยังรับประกันความทนทานต่อแรงกระแทกที่ดีเยี่ยม และในขณะเดียวกันก็ต้องทนทานต่อการกัดกร่อนจากน้ำทะเลและโคลนเมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของสภาพการทำงานในหลุมเจาะ การเลือกใช้วัสดุของเครื่องมือในหลุมเจาะมักจะเป็นเหล็กโครงสร้างโลหะผสมที่มีองค์ประกอบที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น Cr และ Mo จากนั้นจึงผ่านกระบวนการอบชุบและแบ่งเบาบรรเทาที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแข็งแรงและทนทานต่อแรงกระแทก ความต้องการ.บทความนี้มุ่งเน้นไปที่กระบวนการประมวลผลสตริงท่อ downholeเมื่อชิ้นงานท่อตามแนวแกนชิ้นหนึ่งที่ทำจากเหล็ก 40CrMnMo ถูกดับและอบคืนตัว การแตกร้าวอย่างรุนแรงเกิดขึ้นหลายครั้งในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง ส่งผลให้ชิ้นงานถูกทิ้งและทำให้เกิดการสูญเสียทางเศรษฐกิจด้วยเหตุนี้ จึงมีการวิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวจากการดับจากแง่มุมขององค์ประกอบทางเคมี โครงสร้าง กระบวนการบำบัดความร้อน และสัณฐานวิทยาการแตกร้าวของวัสดุท่อตามแนวแกน ตลอดจนเสนอมาตรการปรับปรุงและป้องกัน

1. คำอธิบายของชิ้นงานที่ล้มเหลว: วัตถุดิบคือวัสดุตีขึ้นรูปเหล็กกล้าแข็ง 40CMnMo ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 mmx1 mการไหลของกระบวนการ: การกลึงหยาบ→การเจาะและการคว้าน (ถึงความหนาของผนังประมาณ 20 มม.) →การชุบ→การแบ่งเบาบรรเทา→การตกแต่งโครงร่างของชิ้นงานท่อตามแนวแกนคือท่อที่มีความยาวประมาณ 1 ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 มม. และความหนาของผนัง 20 มม.

กระบวนการบำบัดความร้อน: ขั้นแรกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 500°C ในเตาแบบกล่อง จากนั้นนำไปใส่ในเตาอาบเกลือเพื่อให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิดับที่ 860~880°Cเวลาทำความร้อนในเตาเกลืออาบคือประมาณ 30 นาที จากนั้นจึงดับที่อุณหภูมิประมาณ 40-60°Cดับในน้ำมันประมาณ 10 นาทีหลังจากนำออกมา นำไปอบในเตาหลอมกล่อง และเก็บไว้ที่ 600°C เป็นเวลา 10 ชั่วโมงขณะทำให้เย็นในเตา

สถานการณ์การแตกร้าว: รอยแตกร้าวเกิดขึ้นตามแนวแกนของท่อกลาง มองเห็นได้จากขอบ และมีการแตกร้าวในทิศทางความหนาของผนังในแนวรัศมี

2. การตรวจจับและการวิเคราะห์

2.1 การตรวจจับองค์ประกอบทางเคมี: สุ่มตัวอย่างชิ้นงานท่อแนวแกนที่แตกร้าวที่ดับแล้วด้วยการตัดลวดบางส่วนเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบองค์ประกอบทางเคมีเป็นไปตาม GB/T3077–1999 “องค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้างโลหะผสม”

2.2 ผู้เชี่ยวชาญด้านการตรวจจับและวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา: นำตัวอย่างท่อตามแนวแกนที่ดับแล้วและอบคืนตัวจำนวน 2 ตัวอย่างในแนวยาว การบำบัดด้วยไฟ (หุ้มฉนวนที่ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมงและแช่เย็นในเตาเผา) จากนั้นขัดด้วยกระดาษทรายแล้วขัดด้วยเครื่องขัด โดยใช้ กรดไนตริกและแอลกอฮอล์ 4 % และสังเกตโครงสร้างทางโลหะวิทยาตัวอย่างที่ 2 กราวด์ด้วยกระดาษทรายโดยตรง จากนั้นขัดและสึกกร่อน และสังเกตโครงสร้างทางโลหะวิทยาของมันเมื่อเปรียบเทียบโครงสร้างโลหะวิทยาที่ตรวจพบกับ GBT 13299-1991 “วิธีการประเมินโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก” พบว่าโครงสร้างแถบสีในตัวอย่างที่ 1 เป็นเกรด 3 ถึง 4 โดยสีขาวเป็นเฟอร์ไรต์ยูเทคตอยด์ และสีเทา-ดำเป็นสีมุกโครงสร้างไข่มุกมีสัดส่วนประมาณ 60% ซึ่งสูงกว่าโครงสร้างทางโลหะวิทยาของตัวอย่างที่ 2 เป็นแบบเทมเปอร์โทรสต์ไทต์และเทมเปอร์ไทต์จำนวนเล็กน้อย

3. การวิเคราะห์สาเหตุและวิธีแก้ปัญหาการแคร็ก

3.1 รูปร่างรอยแตกร้าวและกระบวนการบำบัดความร้อน: สังเกตรูปร่างของรอยแตกร้าวในท่อตามแนวแกนเป็นรอยแตกตามยาวเกิดขึ้นตามแนวแกนและมีรอยแตกร้าวลึกเห็นได้ชัดว่ารอยแตกร้าวตามทิศทางรัศมีที่ขอบของท่อตามแนวแกนสรุปได้ว่าความเค้นที่ทำให้เกิดการแตกร้าวของท่อตามแนวแกนคือความเค้นแรงดึงในแนวสัมผัสพื้นผิว ซึ่งเกิดจากความเค้นเชิงโครงสร้างในภายหลังในเวลาเดียวกัน เนื่องจากวัสดุของท่อแกนเป็นเหล็กโครงสร้างโลหะผสมคาร์บอนขนาดกลาง ความเค้นของโครงสร้างจึงมีอิทธิพลเหนือในระหว่างกระบวนการชุบแข็งการเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติกเกิดขึ้นและความเป็นพลาสติกลดลงอย่างรวดเร็วในเวลานี้ ความเค้นของโครงสร้างเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นความเค้นดึงที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของชิ้นงานโดยความเค้นภายในในการดับจะเกินความแข็งแรงของเหล็กในระหว่างการทำความเย็น ทำให้เกิดการแตกร้าว ซึ่งมักเกิดขึ้นในส่วนที่ดับเต็มที่การเกิดรอยแตกร้าวดังกล่าวมีสาเหตุหลักมาจากความเค้นของโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เกิดจากกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสมเนื่องจากอุณหภูมิการให้ความร้อนในการดับของท่อแกนอยู่ที่ 860~880°C ซึ่งค่อนข้างสูง จึงถูกใส่ลงในน้ำมันดับอย่างรวดเร็วที่ 40~60°Cเมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของ Ms อุณหภูมิการทำความร้อนดับจะสูงความเครียดจากความร้อนมีขนาดใหญ่ และเมื่อเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของ MS อุณหภูมิน้ำมันดับจะค่อนข้างต่ำ และเวลาดับ 10 นาทีค่อนข้างยาวในระหว่างกระบวนการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว จะมีการผลิตมาร์เทนไซต์เพิ่มมากขึ้นปริมาตรจำเพาะที่แตกต่างกันของโครงสร้างที่แตกต่างกัน ในทางกลับกัน ทำให้เกิดความเครียดของเนื้อเยื่อมากขึ้น ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุของการแตกร้าวของท่อแกน

3.2 ความสม่ำเสมอของโครงสร้างวัตถุดิบ: จากการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาของตัวอย่างที่ดักจับ 1 หลังจากการหลอม (ฉนวนที่ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมงและทำให้เย็นลงในเตาเผา) พบว่าท่อตามแนวแกนที่มีรอยแตกยังคงมีแถบที่เห็นได้ชัดเจนหลังจากการหลอมการมีอยู่ของการแยกเนื้อเยื่อคล้ายแถบบ่งชี้ว่าวัสดุทองแดงนั้นมีการแยกเนื้อเยื่อคล้ายแถบอย่างรุนแรงและมีโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอการมีอยู่ของโครงสร้างคล้ายวงดนตรีจะเพิ่มแนวโน้มในการดับการแตกร้าวของชิ้นงานเอกสารที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างคล้ายแถบในเหล็กกล้าโลหะผสมคาร์บอนต่ำและปานกลางหมายถึงโครงสร้างคล้ายแถบที่เกิดขึ้นตามทิศทางการรีดหรือทิศทางการตีของเหล็กแถบที่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์โปรยูเทคตอยด์ และแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลักจะวางซ้อนกันโครงสร้างแบบหล่อเป็นโครงสร้างที่มีข้อบกพร่องซึ่งมักปรากฏเป็นเหล็กเนื่องจากเหล็กหลอมละลายจะตกผลึกอย่างเฉพาะเจาะจงในระหว่างกระบวนการตกผลึกของแท่งโลหะเพื่อสร้างโครงสร้างเดนไดรต์ที่มีส่วนประกอบทางเคมีกระจายไม่เท่ากัน เดนไดรต์หยาบในแท่งโลหะจะถูกยืดออกไปตามทิศทางการเปลี่ยนรูปในระหว่างการรีดหรือการตีขึ้นรูป และค่อยๆ สอดคล้องกับทิศทางการเปลี่ยนรูปจึงเกิดเป็นแถบหมด (แถบ) ของคาร์บอนและธาตุผสม และแถบที่หมดวางซ้อนกันสลับกันภายใต้สภาวะการทำความเย็นที่ช้า แถบคาร์บอนและธาตุโลหะผสมที่หมดลง (ออสเทนไนต์ที่ระบายความร้อนมากเกินไปมีความเสถียรต่ำกว่า ) จะตกตะกอนโปรยูเทคตอยด์เฟอร์ไรต์ และปล่อยคาร์บอนส่วนเกินออกไปยังโซนที่ได้รับการเสริมสมรรถนะทั้งสองด้าน จนกลายเป็นโซนที่ถูกครอบงำด้วยเฟอร์ไรต์ในที่สุด: ธาตุคาร์บอนและโลหะผสม โซนเสริมสมรรถนะซึ่งมีออสเทนไนต์ที่เย็นยิ่งยวดจะมีความเสถียรมากกว่า หลังจากนั้น จะเกิดแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นจึงเกิดเป็นโครงสร้างคล้ายแถบซึ่งแถบที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์เป็นหลักและแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์สลับกันโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันของแถบที่อยู่ติดกันในโครงสร้างแถบของท่อตามแนวแกน ตลอดจนความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาและเกรดของโครงสร้างแถบแถบ ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวและความแตกต่างในปริมาตรเฉพาะก่อนและหลังการเปลี่ยนเฟสเพิ่มขึ้นในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน และกระบวนการดับของท่อตามแนวแกน ส่งผลให้ความเครียดขององค์กรขนาดใหญ่ในที่สุดจะเพิ่มความผิดเพี้ยนของการดับของท่อตามแนวแกนในที่สุดหากกระบวนการดับไม่ถูกต้อง แนวโน้มของโครงสร้างของแถบที่จะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของการดับและการแตกร้าวจะเพิ่มขึ้น ทำให้ง่ายต่อการทำให้เกิดการแตกร้าวดับ

3.3 วิธีแก้ไขและผลกระทบ: จากการวิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวของท่อแกนในระหว่างกระบวนการชุบแข็งข้างต้น เราได้ปรับปรุงกระบวนการให้ความร้อนและกระบวนการชุบแข็งเป็นอันดับแรก โดยลดอุณหภูมิในการดับลงประมาณ 10°C และเพิ่มอุณหภูมิน้ำมันดับลงเป็น ประมาณ 90°Cในเวลาเดียวกัน เวลาของท่อแกนในน้ำมันดับก็สั้นลงเช่นกันผลการวิจัยพบว่าท่อตามแนวแกนไม่แตกร้าวระหว่างการดับจะเห็นได้ว่าสาเหตุหลักของการดับการแตกร้าวของท่อตามแนวแกนคือกระบวนการดับที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างคล้ายแถบในวัตถุดิบจะเพิ่มแนวโน้มของการดับการแตกร้าวของท่อตามแนวแกน แต่ไม่ใช่สาเหตุหลัก ของการดับการแตกร้าวมีการทดสอบการซีลบนท่อตามแนวแกน และสามารถรักษาแรงดันให้คงที่เป็นเวลา 10 นาทีที่แรงดัน 3500 psi (เทียบเท่า 24 MPa) ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการซีลของเครื่องมือใต้หลุมเจาะอย่างสมบูรณ์

4 บทสรุป

สาเหตุหลักของการดับแคร็กของท่อแกนคือกระบวนการดับที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างคล้ายวงดนตรีในวัตถุดิบจะเพิ่มแนวโน้มการแคร็กดับของท่อตามแนวแกน แต่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแคร็กดับหลังจากปรับปรุงกระบวนการบำบัดความร้อน ท่อตามแนวแกนจะไม่แตกอีกต่อไปในระหว่างการดับ และเมื่อทำการทดสอบการปิดผนึกบนท่อตามแนวแกน ความดันจะคงที่เป็นเวลา 10 นาทีที่ 3,500 psi (เทียบเท่ากับ 24MPa) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดอย่างสมบูรณ์ ข้อกำหนดการปิดผนึกของเครื่องมือ downholeเพื่อป้องกันไม่ให้ท่อแกนแตกในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง หมายเหตุ:

1) ควบคุมวัตถุดิบอย่างดีจำเป็นต้องมีโครงสร้างของแถบในวัตถุดิบคือ ≤3 ข้อบกพร่องต่างๆในวัตถุดิบ เช่น การหลวม การแยกตัว การรวมอโลหะ ฯลฯ จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน และองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคจะต้องสม่ำเสมอ

2) ลดความเครียดในการตัดเฉือนตรวจสอบให้แน่ใจว่าป้อนในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อลดความเค้นตกค้างในการตัดเฉือน หรือดำเนินการแบ่งเบาบรรเทาหรือทำให้เป็นมาตรฐานก่อนที่จะดับเพื่อขจัดความเครียดจากการตัดเฉือน

3) เลือกกระบวนการชุบแข็งที่เหมาะสมเพื่อลดความเครียดของโครงสร้างและความเครียดจากความร้อนลดอุณหภูมิการทำความร้อนในการดับลงอย่างเหมาะสม และเพิ่มอุณหภูมิน้ำมันดับลงเป็นประมาณ 90°Cในเวลาเดียวกัน เวลาพักของท่อแกนในน้ำมันดับก็สั้นลงเช่นกัน