Untertage-Ölfördergeräte arbeiten in Tausende Meter tiefen Bohrlöchern unter extremen Bedingungen und komplexen Belastungen. Sie müssen in der Regel nicht nur Zug- und Drehspannungen standhalten, sondern auch starker Reibung und Stößen. Gleichzeitig müssen sie hohen Temperaturen, hohem Druck und Korrosion widerstehen.
Dies erfordert von den Werkstoffeigenschaften der Untertagebauwerkzeuge hervorragende mechanische Eigenschaften. Sie müssen nicht nur hohe Festigkeit, sondern auch ausgezeichnete Schlagzähigkeit gewährleisten und gleichzeitig beständig gegen Korrosion durch Meerwasser und Bohrschlamm sein. Aufgrund der Leistungsanforderungen unter Bohrlochbedingungen wird für Bohrlochwerkzeuge üblicherweise legierter Baustahl mit korrosionsbeständigen Elementen wie Chrom und Molybdän verwendet. Durch geeignete Wärmebehandlungs- und Anlassprozesse wird sichergestellt, dass die Anforderungen an Festigkeit und Schlagzähigkeit erfüllt werden. Dieser Artikel befasst sich mit der Bearbeitung von Bohrlochrohren. Beim Abschrecken und Anlassen eines axialen Rohrwerkstücks aus 40CrMnMo-Stahl traten während des Abschreckprozesses wiederholt starke Risse auf, was zum Ausschuss des Werkstücks und damit zu wirtschaftlichen Verlusten führte. Daher wurden die Ursachen der Abschreckrisse hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, der Struktur, des Wärmebehandlungsprozesses und der Rissmorphologie des axialen Rohrwerkstoffs analysiert und Verbesserungs- sowie Präventionsmaßnahmen vorgeschlagen.
1. Beschreibung des fehlerhaften Werkstücks: Das Rohmaterial ist ein massives Schmiedestück aus 40CMnMo-Stahl mit einem Durchmesser von φ200 mm und einer Länge von 1 m. Prozessablauf: Schruppen → Bohren und Ausdrehen (bis zu einer Wandstärke von ca. 20 mm) → Härten → Anlassen → Fertigbearbeitung. Das axiale Rohrwerkstück hat die Form eines Rohrs mit einer Länge von ca. 1 m, einem Durchmesser von φ200 mm und einer Wandstärke von 20 mm.
Wärmebehandlung: Zuerst wird das Werkstück in einem Kammerofen langsam auf 500 °C erhitzt. Anschließend wird es in einem Salzbadofen auf die Abschrecktemperatur von 860–880 °C erhitzt. Die Erhitzungszeit im Salzbadofen beträgt etwa 30 Minuten, danach wird bei etwa 40–60 °C abgeschreckt. Anschließend wird das Werkstück etwa 10 Minuten in Öl abgeschreckt. Nach dem Herausnehmen wird es in einem Kammerofen angelassen und 10 Stunden lang bei 600 °C gehalten, während es im Ofen abkühlt.
Risssituation: Der Riss verläuft entlang der Achse des zentralen Rohrs, ist von der Kante aus sichtbar und hat sich in Richtung der radialen Wandstärke ausgebreitet.
2. Erkennung und Analyse
2.1 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung: Das abgeschreckte, gerissene Werkstück aus dem axialen Rohr wurde mittels partiellem Drahtschneiden für die Zusammensetzungsanalyse beprobt. Seine chemische Zusammensetzung entspricht GB/T3077–1999 „Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von legiertem Baustahl“.
2.2 Experten für metallografische Untersuchung und Analyse: Zwei Proben des vergüteten Axialrohrs wurden längs entnommen, einer Feuerbehandlung unterzogen (15 Stunden bei 850 °C isoliert und im Ofen abgekühlt), anschließend mit Schleifpapier und auf einer Poliermaschine mit 4%iger Salpetersäure und Alkohol poliert und die metallografische Struktur untersucht. Probe 2 wurde direkt mit Schleifpapier geschliffen, poliert und korrodiert, wobei auch deren metallografische Struktur untersucht wurde. Der Vergleich der ermittelten metallografischen Struktur mit GBT 13299-1991 „Verfahren zur Beurteilung des Mikrogefüges von Stahl“ ergab, dass die Bänderung in Probe 1 der Güteklasse 3 bis 4 entspricht, wobei der weiße Anteil eutektoides Ferrit und der grauschwarze Anteil Perlmutt ist. Der Perlitanteil beträgt ca. 60 % und ist damit relativ hoch. Die metallografische Struktur von Probe 2 besteht aus angelassenem Troostit und einem geringen Anteil an angelassenem Troostit.
3. Analyse der Rissursachen und Lösungsansätze
3.1 Rissform und Wärmebehandlungsprozess: Die Rissform im Axialrohr ist zu beobachten. Es handelt sich um einen Längsriss, der axial verläuft und tief ist. Am Rand des Axialrohrs ist sogar ein radialer Riss erkennbar. Die Rissbildung im Axialrohr wird auf tangentiale Zugspannungen an der Oberfläche zurückgeführt, die durch die später auftretenden Strukturspannungen verursacht werden. Da das Axialrohr aus mittelgekohltem Baustahl besteht, dominieren die Strukturspannungen auch während des Abschreckprozesses. Es findet eine martensitische Umwandlung statt, und die Plastizität nimmt stark ab. Gleichzeitig steigen die Strukturspannungen sprunghaft an, sodass die durch die Abschreck-Eigenspannungen an der Werkstückoberfläche entstehenden Zugspannungen die Festigkeit des Stahls beim Abkühlen überschreiten und zu Rissen führen, die häufig im vollständig abgeschreckten Bereich auftreten. Das Auftreten solcher Risse ist hauptsächlich auf die hohen Strukturspannungen zurückzuführen, die durch einen unsachgemäßen Abschreckprozess verursacht werden. Da die Abschrecktemperatur des Achsenrohrs mit 860–880 °C relativ hoch ist, wird es schnell in das 40–60 °C warme Abschrecköl eingetaucht. Oberhalb der Ms-Umwandlungstemperatur ist die Abschrecktemperatur hoch, wodurch große thermische Spannungen entstehen. Beim Abkühlen unter die Ms-Umwandlungstemperatur ist die Temperatur des Abschrecköls relativ niedrig, und die Abschreckzeit von 10 Minuten ist relativ lang. Während des schnellen Abkühlprozesses bildet sich vermehrt Martensit. Die unterschiedlichen spezifischen Volumina der verschiedenen Gefüge führen wiederum zu höheren Gefügespannungen, was eine der Ursachen für die Abschreckrisse im Achsenrohr ist.
3.2 Gleichmäßigkeit der Rohmaterialstruktur: Die metallographische Analyse der entnommenen Probe 1 nach dem Glühen (15 Stunden bei 850 °C gehalten und im Ofen abgekühlt) ergab, dass das axiale Rohr mit Rissen auch nach dem Glühen noch deutliche Bänder aufwies. Das Vorhandensein bandartiger Gefügeseigerungen deutet darauf hin, dass das Kupfermaterial selbst eine starke bandartige Gefügeseigerung und eine ungleichmäßige Struktur aufweist. Das Vorhandensein einer solchen Bandstruktur erhöht die Neigung des Werkstücks zu Abschreckrissen. Laut Fachliteratur bezieht sich die bandartige Struktur in niedrig- und mittelgekohltem legiertem Stahl auf die entlang der Walz- oder Schmiederichtung des Stahls ausgebildeten Bänder. Die Bänder bestehen hauptsächlich aus proeutektoidem Ferrit und die Bänder bestehen hauptsächlich aus Perlit und sind übereinander gestapelt. Die Gussstruktur ist ein häufig auftretender Gefügefehler in Stahl. Da der flüssige Stahl während der Blockkristallisation selektiv kristallisiert und eine dendritische Struktur mit ungleichmäßig verteilten chemischen Komponenten bildet, werden die groben Dendriten im Block beim Walzen oder Schmieden in Verformungsrichtung gestreckt und richten sich allmählich nach dieser aus. Dadurch entstehen abwechselnd übereinanderliegende, an Kohlenstoff und Legierungselementen verarmte Bänder (Streifen). Bei langsamer Abkühlung scheidet sich in den an Kohlenstoff und Legierungselementen verarmten Bändern (unterkühlter Austenit ist weniger stabil) proeutektoider Ferrit aus und gibt den überschüssigen Kohlenstoff in die angrenzenden, angereicherten Zonen ab. Schließlich bildet sich eine ferritdominierte Zone: eine kohlenstoff- und legierungselementreiche Zone, deren unterkühlter Austenit stabiler ist. Anschließend bildet sich ein hauptsächlich aus Perlit bestehendes Band, wodurch eine bandartige Struktur entsteht, in der sich Bänder aus überwiegend Ferrit und Bänder aus Perlit abwechseln. Die unterschiedlichen Mikrostrukturen benachbarter Bänder in der Bandstruktur des Axialrohrs sowie die Unterschiede in Morphologie und Grad der Bandstruktur führen während der Wärmebehandlung und des Abschreckprozesses zu einem Anstieg des Ausdehnungskoeffizienten und der spezifischen Volumenänderung vor und nach dem Phasenübergang. Dies resultiert in hohen Spannungen, die letztendlich die Abschreckverformung des Axialrohrs verstärken. Bei unsachgemäßem Abschreckprozess steigt die Neigung der Bandstruktur zu Abschreckverformung und Rissbildung, wodurch die Entstehung von Abschreckrissen begünstigt wird.
3.3 Lösungen und Auswirkungen: Nach der Analyse der Ursachen für die Rissbildung im Axialrohr während des Abschreckprozesses wurde zunächst die Wärmebehandlung und der Abschreckprozess optimiert. Die Abschrecktemperatur wurde um ca. 10 °C gesenkt und die Temperatur des Abschrecköls auf ca. 90 °C erhöht. Gleichzeitig wurde die Verweilzeit des Axialrohrs im Abschrecköl verkürzt. Die Ergebnisse zeigten, dass das Axialrohr beim Abschrecken nicht riss. Hauptursache für die Rissbildung ist demnach ein unsachgemäßer Abschreckprozess. Die bandartige Struktur im Rohmaterial erhöht zwar die Neigung zur Rissbildung, ist aber nicht die Hauptursache. Ein Dichtheitstest am Axialrohr ergab, dass es 10 Minuten lang einen stabilen Druck von 3500 psi (entspricht 24 MPa) aufrechterhalten konnte und somit die Dichtheitsanforderungen für Bohrlochwerkzeuge vollständig erfüllt.
4. Schlussfolgerung
Die Hauptursache für Abschreckrisse im Axialrohr ist ein unsachgemäßer Abschreckprozess. Die bandartige Struktur im Rohmaterial erhöht zwar die Neigung zu Abschreckrissen, ist aber nicht die Hauptursache. Nach Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses traten beim Abschrecken keine Risse mehr im Axialrohr auf. Bei der Dichtheitsprüfung konnte der Druck im Axialrohr 10 Minuten lang bei 3500 psi (entspricht 24 MPa) stabilisiert werden, womit die Dichtheitsanforderungen für Bohrlochwerkzeuge vollständig erfüllt wurden. Hinweis: Um Risse im Axialrohr während des Abschreckprozesses zu vermeiden, ist Folgendes zu beachten:
1) Die Rohstoffe müssen sorgfältig kontrolliert werden. Die Bandstruktur der Rohstoffe muss ≤ 3 betragen, verschiedene Defekte wie Lockerheit, Entmischung, nichtmetallische Einschlüsse usw. müssen den Normen entsprechen, und die chemische Zusammensetzung sowie das Mikrogefüge müssen einheitlich sein.
2) Bearbeitungsspannungen reduzieren. Durch einen angemessenen Vorschub die Bearbeitungseigenspannungen verringern oder vor dem Abschrecken eine Anlass- oder Normalisierungsbehandlung durchführen, um die Bearbeitungsspannungen zu beseitigen.
3) Wählen Sie ein geeignetes Abschreckverfahren, um strukturelle und thermische Spannungen zu reduzieren. Senken Sie die Abschreckheiztemperatur entsprechend und erhöhen Sie die Temperatur des Abschrecköls auf etwa 90 °C. Verkürzen Sie gleichzeitig die Verweilzeit des Achsenrohrs im Abschrecköl.
Veröffentlichungsdatum: 28. Mai 2024