Las herramientas de minería subterránea de petróleo trabajan en pozos a miles de metros de profundidad, en entornos hostiles y bajo condiciones de estrés complejas. Normalmente, estas herramientas deben soportar no solo esfuerzos de tracción y torsión, sino también una fuerte fricción e impacto. Asimismo, deben resistir altas temperaturas, alta presión y corrosión ambiental.
Esto exige que las herramientas de minería subterránea posean excelentes propiedades mecánicas integrales, que no solo garanticen una alta resistencia, sino también una excelente tenacidad al impacto, además de resistencia a la corrosión por agua de mar y lodo. Dadas las exigencias de rendimiento en las condiciones de trabajo en el fondo del pozo, la selección de materiales para estas herramientas suele basarse en acero estructural aleado con elementos resistentes a la corrosión, como cromo y molibdeno, sometido posteriormente a tratamientos térmicos y revenidos adecuados para asegurar que cumpla con los requisitos de resistencia y tenacidad al impacto. Este artículo se centra en el proceso de fabricación de sartas de tubería para pozos. Durante el temple y revenido de una tubería axial de acero 40CrMnMo, se produjeron múltiples fisuras graves, lo que provocó el desecho de la pieza y pérdidas económicas. Por ello, se analizaron las causas de las fisuras de temple desde la perspectiva de la composición química, la estructura, el tratamiento térmico y la morfología de las fisuras del material de la tubería axial, y se propusieron mejoras y medidas preventivas.
1. Descripción de la pieza defectuosa: La materia prima es un material forjado macizo de acero 40CMnMo con un diámetro de φ200 mm y una longitud de 1 m. Proceso: torneado de desbaste → taladrado y mandrinado (hasta un espesor de pared de aproximadamente 20 mm) → temple → revenido → acabado. La pieza tubular axial tiene una longitud aproximada de 1 m, un diámetro de φ200 mm y un espesor de pared de 20 mm.
Proceso de tratamiento térmico: primero, calentar lentamente la pieza a 500 °C en un horno de caja. A continuación, introducirla en un baño de sales para calentarla hasta la temperatura de temple de 860-880 °C. El tiempo de calentamiento en el baño de sales es de aproximadamente 30 minutos, tras lo cual se templa a unos 40-60 °C. El temple se realiza en aceite durante unos 10 minutos. Después de extraerla, se revene en un horno de caja y se mantiene a 600 °C durante 10 horas mientras se enfría dentro del horno.
Situación de la grieta: La grieta se desarrolla a lo largo del eje del tubo central, es visible desde el borde y se ha propagado en la dirección del espesor radial de la pared.
2. Detección y análisis
2.1 Detección de la composición química: Se tomó una muestra de la pieza de trabajo tubular axial agrietada y templada mediante corte parcial por hilo para su análisis de composición. Su composición química cumple con la norma GB/T3077–1999 «Composición química y propiedades mecánicas del acero estructural aleado».
2.2 Expertos en detección y análisis metalográfico: Se tomaron dos muestras del tubo axial templado y revenido longitudinalmente, se sometieron a tratamiento térmico (aislado a 850 °C durante 15 horas y enfriado en el horno), se pulieron con papel de lija y posteriormente en una pulidora, utilizando ácido nítrico al 4 % en alcohol, y se observó la estructura metalográfica. La muestra 2 se lijó directamente con papel de lija, se pulió y se sometió a corrosión, observándose su estructura metalográfica. Al comparar la estructura metalográfica detectada con la norma GBT 13299-1991 “Método para la evaluación de la microestructura del acero”, se encontró que la estructura bandeada en la muestra 1 era de grado 3 a 4, con ferrita eutectoide blanca y ferrita perlada gris-negra. La estructura perlítica representa aproximadamente el 60 %, un valor superior al promedio. La estructura metalográfica de la muestra 2 corresponde a troostita revenida con una pequeña cantidad de troostita revenida.
3. Análisis de las causas y soluciones del agrietamiento
3.1 Forma de la grieta y proceso de tratamiento térmico: Observe la forma de la grieta en el tubo axial. Se trata de una grieta longitudinal, profunda y que se extiende a lo largo del eje. Es evidente que la grieta se propaga radialmente en el borde del tubo. Se concluye que la tensión que provoca la fisuración es la tensión tangencial superficial, causada por la tensión estructural posterior. Además, dado que el material del tubo es acero estructural de aleación de carbono medio, la tensión estructural también predomina durante el proceso de temple. Se produce una transformación martensítica y la plasticidad disminuye drásticamente. En este momento, la tensión estructural aumenta bruscamente, de modo que la tensión de tracción generada en la superficie de la pieza por la tensión interna del temple supera la resistencia del acero durante el enfriamiento, provocando la fisuración, que suele ocurrir en la zona completamente templada. La aparición de estas grietas se debe principalmente a la elevada tensión estructural causada por un temple inadecuado. Dado que la temperatura de temple del tubo axial es de 860-880 °C, relativamente alta, se introduce rápidamente en aceite de temple a 40-60 °C. Cuando la temperatura supera la temperatura de transición Ms, el temple se intensifica, generando una gran tensión térmica. Al enfriar por debajo de dicha temperatura, la temperatura del aceite de temple disminuye considerablemente, prolongando el tiempo de temple (10 minutos). Durante este enfriamiento rápido, se produce una mayor cantidad de martensita. Las diferentes proporciones de las distintas estructuras, a su vez, generan una mayor tensión tisular, lo que contribuye a la fisuración por temple del tubo axial.
3.2 Uniformidad de la estructura de la materia prima: Mediante el análisis metalográfico de la muestra 1 obtenida tras el recocido (aislamiento a 850 °C durante 15 horas y enfriamiento en el horno), se observó que el tubo axial con fisuras aún presentaba bandas evidentes. La presencia de segregación tisular en bandas indica que el cobre presenta una segregación tisular significativa y una estructura heterogénea. Esta estructura en bandas incrementa la propensión al agrietamiento por temple de la pieza. La literatura especializada señala que la estructura en bandas en aceros de baja y media aleación de carbono se refiere a la estructura formada en la dirección de laminación o forja. Las bandas, compuestas principalmente de ferrita proeutectoide, y las bandas, compuestas principalmente de perlita, se superponen. Esta estructura de fundición es un defecto frecuente en el acero. Debido a que el acero fundido cristaliza selectivamente durante el proceso de cristalización del lingote, formando una estructura dendrítica con componentes químicos distribuidos de forma heterogénea, las dendritas gruesas del lingote se alargan en la dirección de deformación durante el laminado o forjado, alineándose gradualmente con dicha dirección. Esto da lugar a bandas (o franjas) empobrecidas en carbono y elementos de aleación, apiladas alternativamente. Bajo condiciones de enfriamiento lento, en estas bandas empobrecidas (la austenita sobreenfriada presenta menor estabilidad) precipita ferrita proeutectoide, liberando el exceso de carbono hacia las zonas enriquecidas adyacentes. Finalmente, se forma una zona dominada por ferrita: una zona enriquecida en carbono y elementos de aleación, cuya austenita sobreenfriada es más estable. Posteriormente, se forma una banda compuesta principalmente de perlita, dando lugar a una estructura en forma de bandas donde se alternan bandas de ferrita y bandas de perlita. Las distintas microestructuras de las bandas adyacentes en la estructura bandeada del tubo axial, así como las diferencias en la morfología y el grado de dicha estructura, provocan un aumento del coeficiente de expansión y de la diferencia de volumen específico antes y después del cambio de fase durante el tratamiento térmico y el temple del tubo axial. Esto genera una gran tensión estructural que, en última instancia, incrementa la distorsión por temple del tubo axial. Si el proceso de temple es inadecuado, la tendencia de la estructura bandeada a sufrir distorsión y agrietamiento por temple aumenta, facilitando la aparición de grietas por temple.
3.3 Soluciones y efectos: Tras el análisis de las causas de agrietamiento del tubo axial durante el proceso de temple, se mejoró el tratamiento térmico y el proceso de temple, reduciendo la temperatura de temple en aproximadamente 10 °C y aumentando la temperatura del aceite de temple a unos 90 °C. Asimismo, se redujo el tiempo de inmersión del tubo axial en el aceite de temple. Los resultados mostraron que el tubo axial no se agrietó durante el temple. Se concluye que la principal causa de agrietamiento del tubo axial durante el temple es un proceso de temple inadecuado. Si bien la presencia de estructuras en forma de bandas en la materia prima aumenta la tendencia al agrietamiento, no es la causa principal. Se realizó una prueba de estanqueidad en el tubo axial, el cual mantuvo una presión estable durante 10 minutos a 3500 psi (equivalente a 24 MPa), cumpliendo plenamente con los requisitos de estanqueidad para herramientas de fondo de pozo.
4. Conclusión
La principal causa de agrietamiento por temple del tubo axial es un proceso de temple inadecuado. Si bien la estructura en forma de bandas en la materia prima aumenta la tendencia al agrietamiento, no es la causa principal. Tras mejorar el tratamiento térmico, el tubo axial dejó de agrietarse durante el temple. Al realizar la prueba de estanqueidad, la presión se estabilizó durante 10 minutos a 3500 psi (equivalente a 24 MPa), cumpliendo así con los requisitos de estanqueidad para herramientas de fondo de pozo. Para evitar el agrietamiento del tubo axial durante el temple, tenga en cuenta lo siguiente:
1) Mantener un buen control de las materias primas. Es necesario que la estructura de bandas en las materias primas sea ≤3, que los diversos defectos en las materias primas, como la porosidad, la segregación, las inclusiones no metálicas, etc., cumplan con los requisitos estándar, y que la composición química y la microestructura sean uniformes.
2) Reduzca la tensión de mecanizado. Asegúrese de una cantidad razonable de avance para reducir la tensión residual de mecanizado, o realice un revenido o normalizado antes del temple para eliminar la tensión de mecanizado.
3) Seleccione un proceso de temple adecuado para reducir la tensión estructural y térmica. Disminuya la temperatura de calentamiento del temple y aumente la temperatura del aceite de temple a unos 90 °C. Al mismo tiempo, reduzca el tiempo de permanencia del tubo del eje en el aceite de temple.
Fecha de publicación: 28 de mayo de 2024