Las herramientas para la minería subterránea de petróleo funcionan en pozos a miles de metros de profundidad, en entornos hostiles y condiciones de tensión complejas. Normalmente, las herramientas de minería deben soportar no solo tensiones de tracción y flexión torsional, sino también una fuerte fricción e impacto. Además, también soportan altas temperaturas, alta presión y corrosión ambiental.
Esto requiere 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 y, al mismo tiempo, sean resistentes a la corrosión por agua de mar y lodo. Dados los requisitos de rendimiento de las condiciones de trabajo en el fondo del pozo, el material seleccionado para las herramientas suele ser acero estructural aleado con elementos resistentes a la corrosión como Cr y Mo, que se somete a procesos adecuados de tratamiento térmico y revenido para garantizar que cumpla con los requisitos de resistencia y tenacidad al impacto. Este artículo se centra en el proceso de procesamiento de la sarta de tuberías de fondo de pozo. Durante el temple y revenido de una pieza de tubería axial de acero 40CrMnMo, se produjeron múltiples grietas severas durante el proceso, lo que resultó en el desguace de la pieza y causó pérdidas económicas. Para ello, se analizaron las causas de las grietas por temple a partir de la composición química, la estructura, el proceso de tratamiento térmico y la morfología de las grietas del material del tubo axial, y se propusieron mejoras y medidas preventivas.
1. Descripción de la pieza defectuosa: La materia prima es acero sólido forjado de 40CMnMo con un diámetro de φ200 mm x 1 m. Proceso: torneado de desbaste → taladrado y mandrinado (hasta un espesor de pared de aproximadamente 20 mm) → temple → revenido → acabado. El perfil de la pieza de tubo axial es un tubo de aproximadamente 1 m de longitud, un diámetro de φ200 mm y un espesor de pared de 20 mm.
Proceso de tratamiento térmico: Primero se calienta lentamente a 500 °C en un horno de caja, luego se introduce en un horno de baño de sal para alcanzar una temperatura de temple de 860 a 880 °C. El tiempo de calentamiento en el horno de baño de sal es de aproximadamente 30 minutos y luego se templa a unos 40-60 °C. Se templa en aceite durante unos 10 minutos. Después de retirarlo, se templa en un horno de caja y se mantiene a 600 °C durante 10 horas mientras se enfría en el 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 agrietado en la dirección radial del espesor de la pared.
2. Detección y análisis
2.1 Detección de la composición química: La pieza de trabajo del tubo axial agrietado y templado se muestreó mediante corte parcial con alambre para su análisis de composición. Su composición química cumple con la norma GB/T3077–1999 «Composición química y propiedades mecánicas del acero estructural de aleación».
2.2 Expertos en detección y análisis metalográficos: Tome dos muestras del tubo axial templado y revenido longitudinalmente, tratamiento al fuego (aislado a 850 °C durante 15 horas y enfriado en el horno), luego pulida con papel de lija y pulida en una pulidora, usando ácido nítrico al 4 % y alcohol, y observe la estructura metalográfica. La muestra 2 se molió directamente con papel de lija y luego se pulió y corroyó, y se observó su estructura metalográfica. Comparando la estructura metalográfica detectada con GBT 13299-1991 "Método para la evaluación de la microestructura del acero", se encontró que la estructura en bandas en la muestra 1 era de grado 3 a 4, de la cual el blanco era ferrita eutectoide y el gris-negro era perlado. cuerpo, la estructura de perlita representa aproximadamente el 60%, que es más alto. La estructura metalográfica de la muestra 2 es troostita templada y una pequeña cantidad de troostita templada.
3. Análisis de las causas del agrietamiento y sus soluciones
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 axial. Incluso es evidente que se ha agrietado radialmente en el borde del tubo. Se concluye que la tensión que causa el agrietamiento del tubo axial es la tensión de tracción tangencial superficial, causada por la tensión estructural posterior. Al mismo tiempo, dado que el material del tubo axial 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 drásticamente, de modo que la tensión de tracción formada en la superficie de la pieza por la tensión interna del temple supera la resistencia del acero durante el enfriamiento, causando grietas, que a menudo se producen en la pieza completamente templada. La aparición de estas grietas se debe principalmente a la alta tensión estructural causada por un proceso de temple inadecuado. Dado que la temperatura de calentamiento del tubo del eje es de 860 a 880 °C, relativamente alta, se introduce rápidamente en el aceite de temple a 40 a 60 °C. Cuando la temperatura es superior a la temperatura de transición Ms, la temperatura de calentamiento es alta. La tensión térmica es alta, y al enfriarse por debajo de la temperatura de transformación MS, la temperatura del aceite de temple es relativamente baja y el tiempo de temple de 10 minutos es relativamente largo. Durante el rápido proceso de enfriamiento, se produce más martensita. Los diferentes volúmenes específicos de las diferentes estructuras, a su vez, producen una mayor tensión tisular, que es una de las causas del agrietamiento por temple del tubo del eje.
3.2 Uniformidad de la estructura de la materia prima: A través del análisis metalográfico de la muestra interceptada 1 después del recocido (aislamiento a 850 °C durante 15 horas y enfriamiento en el horno), se encontró que el tubo axial con grietas aún tenía bandas obvias después del recocido. La existencia de segregación de tejido en forma de banda indica que el material de cobre en sí mismo tiene una segregación de tejido en forma de banda grave y una estructura desigual. La existencia de una estructura en forma de banda aumentará la tendencia al agrietamiento por temple de la pieza de trabajo. La literatura relevante señala que la estructura en forma de banda en acero de aleación de bajo y medio carbono se refiere a la estructura en forma de banda formada a lo largo de la dirección de laminación o la dirección de forjado del acero. Las bandas compuestas principalmente de ferrita proeutectoide y las bandas compuestas principalmente de perlita se apilan unas sobre otras. La estructura de fundición es una estructura defectuosa que aparece a menudo en el acero. Debido a que el acero fundido cristaliza selectivamente durante el proceso de cristalización del lingote para formar una estructura de dendrita con componentes químicos distribuidos de forma desigual, las dendritas gruesas en el lingote se alargan a lo largo de la dirección de deformación durante el laminado o forjado y gradualmente se vuelven consistentes con la dirección de deformación. , formando así bandas agotadas (tiras) de carbono y elementos de aleación y bandas agotadas apiladas alternativamente entre sí. En condiciones de enfriamiento lento, las bandas agotadas de carbono y elementos de aleación (la austenita sobreenfriada tiene menor estabilidad) precipitan ferrita proeutectoide y descargan el exceso de carbono en las zonas enriquecidas en ambos lados, formando finalmente una zona dominada por ferrita: una zona enriquecida con carbono y elementos de aleación, cuya austenita sobreenfriada es más estable Después de eso, se forma una banda compuesta principalmente de perlita, formando así una estructura similar a una banda en la que las bandas principalmente de ferrita y las bandas compuestas de perlita se alternan entre sí. Las diferentes microestructuras de las bandas adyacentes en la estructura en bandas del tubo axial, así como las diferencias en la morfología y el grado de esta estructura, provocan que el coeficiente de expansión y la diferencia de volumen específico antes y después del cambio de fase aumenten durante el tratamiento térmico y el temple del tubo axial. Esto resulta en una alta tensión organizativa que eventualmente incrementará la distorsión por temple del tubo axial. Si el temple es inadecuado, la estructura en bandas tiende a causar distorsión y agrietamiento por temple, lo que facilita su aparición.
3.3 Soluciones y efectos: A través del análisis anterior de las causas del agrietamiento del tubo axial durante el proceso de temple, primero mejoramos 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 aproximadamente 90 °C. Al mismo tiempo, el tiempo del tubo axial en el aceite de temple también se acorta. Los resultados mostraron que el tubo axial no se agrietó durante el temple. Se puede ver que la principal causa del agrietamiento por temple del tubo axial es un proceso de temple inadecuado, y la estructura en forma de banda en la materia prima aumentará la tendencia al agrietamiento por temple del tubo axial, pero no es la causa principal del agrietamiento por temple. Se realizó una prueba de sellado en el tubo axial, y fue capaz de mantener una presión estable durante 10 minutos a una presión de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), que cumple completamente con los requisitos de sellado de las herramientas de fondo de pozo.
4 Conclusión
La principal causa del agrietamiento por temple del tubo axial es un proceso de temple inadecuado. La estructura en forma de banda de la materia prima aumenta la tendencia del tubo a agrietarse por temple, pero no es la principal causa. Tras mejorar el tratamiento térmico, el tubo axial dejó de agrietarse durante el temple. Al realizar la prueba de sellado, la presión se estabilizó durante 10 minutos a 3500 psi (equivalente a 24 MPa), lo que cumplió plenamente con los requisitos de sellado de las 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. Se requiere que la estructura de bandas de las materias primas sea ≤3. Diversos defectos, como holgura, segregación e inclusiones no metálicas, deben cumplir con los requisitos estándar. La composición química y la microestructura deben ser uniformes.
2) Reducir la tensión de mecanizado. Asegúrese de que el avance sea adecuado para reducir la tensión residual de mecanizado, o realice un revenido o normalizado antes del temple para eliminar la tensión de mecanizado.
3) Elija un proceso de temple adecuado para reducir la tensión estructural y térmica. Reduzca adecuadamente la temperatura de calentamiento del temple y aumente la temperatura del aceite de temple a aproximadamente 90 °C. Al mismo tiempo, se acorta el tiempo de residencia del tubo del eje en el aceite de temple.
Hora de publicación: 28 de mayo de 2024