تعمل أدوات استخراج النفط تحت الأرض في آبار على أعماق آلاف الأمتار، في بيئات قاسية وظروف إجهاد معقدة. عادةً، يجب أن تتحمل هذه الأدوات ليس فقط إجهاد الشد والانحناء الالتوائي، بل أيضًا الاحتكاك والصدمات القوية. في الوقت نفسه، يجب أن تتحمل هذه الأدوات درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل البيئي.
يتطلب ذلك أن تتمتع المواد المستخدمة في أدوات التعدين تحت الأرض بخصائص ميكانيكية شاملة ممتازة، بحيث لا تقتصر على ضمان قوة عالية فحسب، بل تشمل أيضًا مقاومة ممتازة للصدمات، ومقاومة للتآكل الناتج عن مياه البحر والطين. ونظرًا لمتطلبات الأداء في ظروف العمل تحت الأرض، يُختار عادةً الفولاذ الإنشائي السبائكي الذي يحتوي على عناصر مقاومة للتآكل مثل الكروم والموليبدينوم، ثم يُخضع لعمليات معالجة حرارية وتلطيف مناسبة لضمان استيفائه متطلبات القوة ومقاومة الصدمات. تركز هذه المقالة على عملية معالجة أنابيب الحفر تحت الأرض. فعندما خضعت إحدى قطع العمل الأنبوبية المحورية المصنوعة من فولاذ 40CrMnMo لعملية التبريد والتلطيف، حدثت تشققات شديدة عدة مرات أثناء عملية التبريد، مما أدى إلى تلف القطعة وتسبب في خسائر اقتصادية. ولذلك، تم تحليل أسباب تشققات التبريد من جوانب التركيب الكيميائي، والبنية، وعملية المعالجة الحرارية، وشكل التشققات في مادة الأنبوب المحوري، واقتُرحت تحسينات وتدابير وقائية.
1. وصف قطعة العمل المعيبة: المادة الخام عبارة عن قطعة فولاذية صلبة مطروقة من نوع 40CMnMo بقطر 200 مم وطول 1 متر. خطوات التصنيع: الخراطة الأولية ← الحفر والتجويف (حتى سُمك جدار حوالي 20 مم) ← التبريد السريع ← التطبيع ← التشطيب. أما شكل قطعة العمل الأنبوبية المحورية فهو أنبوب بطول حوالي متر واحد، وقطر 200 مم، وسُمك جدار 20 مم.
عملية المعالجة الحرارية: أولاً، يُسخّن المعدن ببطء إلى 500 درجة مئوية في فرن صندوقي، ثم يُنقل إلى فرن حمام ملحي لتسخينه إلى درجة حرارة التبريد السريع التي تتراوح بين 860 و880 درجة مئوية. يستغرق التسخين في فرن الحمام الملحي حوالي 30 دقيقة، ثم يُبرّد المعدن بسرعة عند درجة حرارة تتراوح بين 40 و60 درجة مئوية. يُغمر المعدن في الزيت لمدة 10 دقائق تقريبًا. بعد إخراجه من الفرن، يُعاد تسخينه إلى درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة 10 ساعات أثناء تبريده داخل الفرن.
حالة الشق: يتطور الشق على طول محور الأنبوب المركزي، وهو مرئي من الحافة، وقد انشق في اتجاه سمك الجدار الشعاعي.
2. الكشف والتحليل
2.1 الكشف عن التركيب الكيميائي: تم أخذ عينة من قطعة العمل الأنبوبية المحورية المتشققة والمبردة بقطع جزئي بالسلك لتحليل تركيبها الكيميائي. يتوافق تركيبها الكيميائي مع المواصفة القياسية GB/T3077–1999 "التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية للفولاذ الإنشائي السبائكي".
2.2 خبراء في الكشف والتحليل المعدني: أُخذت عينتان من الأنبوب المحوري المُقسّى والمُعالَج حراريًا طوليًا، وخضعتا لمعالجة حرارية (عزل حراري عند 850 درجة مئوية لمدة 15 ساعة ثم تبريد في الفرن)، ثم صُقلتا بورق الصنفرة وعلى آلة تلميع باستخدام حمض النيتريك بنسبة 4% والكحول، وفُحصت البنية المعدنية. أما العينة الثانية، فقد طُحنت مباشرة بورق الصنفرة ثم صُقلت وتآكلت، وفُحصت بنيتها المعدنية. وبمقارنة البنية المعدنية المكتشفة مع معيار GBT 13299-1991 "طريقة تقييم البنية المجهرية للفولاذ"، وُجد أن البنية الشريطية في العينة الأولى من الدرجة 3 إلى 4، حيث يُمثل اللون الأبيض الفريت اليوتكتويدي، بينما يُمثل اللون الرمادي المائل للسواد بنية اللؤلؤ. وتُشكل بنية البيرلايت حوالي 60% من الجسم، وهي نسبة عالية. أما البنية المعدنية للعينة الثانية، فهي عبارة عن تروستيت مُعالَج حراريًا وكمية قليلة من تروستيت مُعالَج حراريًا.
3. تحليل أسباب التشققات وحلولها
3.1 شكل الشق وعملية المعالجة الحرارية: لاحظ شكل الشق في الأنبوب المحوري. إنه شق طولي يمتد على طول المحور، وهو عميق. من الواضح أيضًا أن الشق قد امتد شعاعيًا على حافة الأنبوب. نستنتج أن الإجهاد المسبب لتشقق الأنبوب هو إجهاد شد سطحي مماس، ناتج عن إجهاد بنيوي لاحق. في الوقت نفسه، ولأن مادة الأنبوب المحوري هي فولاذ إنشائي متوسط الكربون، فإن الإجهاد البنيوي يهيمن أيضًا أثناء عملية التبريد السريع. يحدث تحول مارتنسيتي، وتقل اللدونة بشكل حاد. عندئذٍ، يزداد الإجهاد البنيوي بشكل حاد، بحيث يتجاوز إجهاد الشد المتكون على سطح قطعة العمل بفعل الإجهاد الداخلي للتبريد السريع مقاومة الفولاذ أثناء التبريد، مما يتسبب في حدوث تشقق، وهو ما يحدث غالبًا في الجزء المُبرد بالكامل. يعود ظهور هذه الشقوق بشكل رئيسي إلى الإجهاد الهيكلي الكبير الناتج عن عملية التبريد غير السليمة. ونظرًا لأن درجة حرارة تسخين التبريد لأنبوب المحور تتراوح بين 860 و880 درجة مئوية، وهي درجة حرارة مرتفعة نسبيًا، يتم وضعه بسرعة في زيت التبريد بدرجة حرارة تتراوح بين 40 و60 درجة مئوية. عندما تتجاوز درجة الحرارة درجة حرارة تحول المارتنسيت، تكون درجة حرارة تسخين التبريد مرتفعة، ويكون الإجهاد الحراري كبيرًا. أما عند التبريد إلى ما دون درجة حرارة تحول المارتنسيت، فتكون درجة حرارة زيت التبريد منخفضة نسبيًا، ويكون زمن التبريد طويلًا نسبيًا (10 دقائق). خلال عملية التبريد السريع، يتشكل المزيد من المارتنسيت. وتؤدي الأحجام النوعية المختلفة للهياكل المختلفة، بدورها، إلى زيادة إجهاد الأنسجة، وهو أحد أسباب تشقق أنبوب المحور أثناء التبريد.
3.2 تجانس بنية المادة الخام: من خلال التحليل المعدني للعينة 1 بعد التلدين (عزل حراري عند 850 درجة مئوية لمدة 15 ساعة ثم تبريد في الفرن)، تبين أن الأنبوب المحوري المتشقق لا يزال يحتوي على نطاقات واضحة بعد التلدين. يشير وجود فصل نسيجي على شكل نطاق إلى أن مادة النحاس نفسها تعاني من فصل نسيجي حاد على شكل نطاق وبنية غير متجانسة. يزيد وجود بنية نطاقية من احتمالية حدوث تشققات التبريد السريع في قطعة العمل. تشير المراجع ذات الصلة إلى أن البنية النطاقية في سبائك الصلب منخفضة ومتوسطة الكربون تشير إلى البنية النطاقية المتكونة على طول اتجاه الدرفلة أو اتجاه التشكيل. تتراص النطاقات المكونة أساسًا من الفريت ما قبل اليوتكتويدي والنطاقات المكونة أساسًا من البيرلايت فوق بعضها البعض. تُعد بنية الصب بنية معيبة تظهر غالبًا في الصلب. نظرًا لأن الفولاذ المنصهر يتبلور بشكل انتقائي أثناء عملية تبلور السبيكة، مُشكِّلًا بنية شجرية ذات مكونات كيميائية غير متجانسة التوزيع، فإن التفرعات الشجرية الخشنة في السبيكة تستطيل على طول اتجاه التشوه أثناء الدرفلة أو التشكيل، وتصبح تدريجيًا متوافقة مع اتجاه التشوه. وبالتالي، تتشكل نطاقات مستنفدة من الكربون وعناصر السبائك، وتتراص هذه النطاقات المستنفدة بالتناوب. في ظل ظروف التبريد البطيء، تترسب الفريتات ما قبل اليوتكتويدية من النطاقات المستنفدة من الكربون وعناصر السبائك (حيث يكون الأوستنيت فائق التبريد أقل استقرارًا)، وتُفرغ الكربون الزائد في المناطق الغنية على كلا الجانبين، لتشكل في النهاية منطقة يهيمن عليها الفريت: منطقة غنية بالكربون وعناصر السبائك، يكون فيها الأوستنيت فائق التبريد أكثر استقرارًا. بعد ذلك، يتشكل نطاق يتكون أساسًا من البيرلايت، مُشكِّلًا بذلك بنية شبيهة بالنطاقات تتناوب فيها نطاقات الفريت مع نطاقات البيرلايت. تؤدي الاختلافات في البنية المجهرية للأشرطة المتجاورة في البنية الشريطية للأنبوب المحوري، بالإضافة إلى الاختلافات في شكل ودرجة هذه البنية، إلى زيادة معامل التمدد والفرق في الحجم النوعي قبل وبعد تغير الطور أثناء المعالجة الحرارية والتبريد السريع للأنبوب المحوري، مما ينتج عنه إجهاد تنظيمي كبير يزيد في النهاية من تشوه التبريد السريع للأنبوب المحوري. وفي حال كانت عملية التبريد السريع غير سليمة، فإن ميل البنية الشريطية للتسبب في تشوه التبريد السريع والتشقق سيزداد، مما يسهل حدوث تشقق التبريد السريع.
3.3 الحلول والنتائج: من خلال التحليل السابق لأسباب تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية التبريد السريع، قمنا أولاً بتحسين عملية المعالجة الحرارية والتبريد السريع، وذلك بخفض درجة حرارة التبريد السريع بمقدار 10 درجات مئوية تقريبًا، ورفع درجة حرارة زيت التبريد إلى 90 درجة مئوية تقريبًا. وفي الوقت نفسه، تم تقصير مدة بقاء الأنبوب المحوري في زيت التبريد. وأظهرت النتائج أن الأنبوب المحوري لم يتشقق أثناء التبريد السريع. يتضح أن السبب الرئيسي لتشقق الأنبوب المحوري أثناء التبريد السريع هو عدم ملاءمة عملية التبريد، وأن البنية الشريطية في المادة الخام تزيد من احتمالية تشقق الأنبوب المحوري أثناء التبريد السريع، ولكنها ليست السبب الرئيسي للتشقق. تم إجراء اختبار إحكام على الأنبوب المحوري، وقد تمكن من الحفاظ على ضغط مستقر لمدة 10 دقائق عند ضغط 3500 رطل لكل بوصة مربعة (ما يعادل 24 ميجا باسكال)، وهو ما يلبي تمامًا متطلبات إحكام أدوات الحفر.
4. الخاتمة
السبب الرئيسي لتشقق الأنبوب المحوري أثناء التبريد السريع هو عملية التبريد غير السليمة، كما أن البنية الشريطية في المادة الخام تزيد من احتمالية حدوث هذا التشقق، ولكنها ليست السبب الرئيسي. بعد تحسين عملية المعالجة الحرارية، لم يعد الأنبوب المحوري يتشقق أثناء التبريد السريع، وعند إجراء اختبار الإحكام عليه، استقر الضغط لمدة 10 دقائق عند 3500 رطل لكل بوصة مربعة (ما يعادل 24 ميجا باسكال)، وهو ما يتوافق تمامًا مع متطلبات الإحكام لأدوات الحفر. لمنع تشقق الأنبوب المحوري أثناء عملية التبريد السريع، ملاحظة:
1) يجب الحفاظ على رقابة جيدة على المواد الخام. ويشترط أن يكون التركيب الشريطي في المواد الخام ≤3، وأن تتوافق العيوب المختلفة في المواد الخام، مثل التفكك والانفصال والشوائب غير المعدنية، مع المتطلبات القياسية، وأن يكون التركيب الكيميائي والبنية المجهرية متجانسين.
2) تقليل إجهاد التشغيل. تأكد من وجود كمية تغذية معقولة لتقليل الإجهاد المتبقي الناتج عن التشغيل، أو قم بإجراء عملية التطبيع أو التطبيع قبل التبريد السريع للتخلص من إجهاد التشغيل.
3) اختر عملية تبريد مناسبة لتقليل الإجهاد الهيكلي والإجهاد الحراري. اخفض درجة حرارة التسخين للتبريد بشكل ملائم، وارفع درجة حرارة زيت التبريد إلى حوالي 90 درجة مئوية. في الوقت نفسه، قلل أيضًا من مدة بقاء أنبوب المحور في زيت التبريد.
تاريخ النشر: 28 مايو 2024