Les outils d'extraction pétrolière souterraine fonctionnent dans des puits de plusieurs milliers de mètres de profondeur, dans des environnements extrêmes et soumis à des contraintes importantes. Ils doivent généralement résister non seulement à la traction et à la torsion, mais aussi à un frottement et à des chocs violents. De plus, ils doivent supporter des températures et des pressions élevées, ainsi que la corrosion environnementale.
Les outils miniers souterrains doivent présenter d'excellentes propriétés mécaniques globales, garantissant à la fois une résistance élevée et une excellente ténacité à l'impact, tout en étant résistants à la corrosion par l'eau de mer et la boue. Compte tenu des exigences de performance liées aux conditions de travail en fond de puits, les outils sont généralement fabriqués en acier de construction allié contenant des éléments résistants à la corrosion tels que le chrome et le molybdène, puis soumis à des traitements thermiques et de revenu appropriés afin de répondre aux exigences de résistance et de ténacité à l'impact. Cet article porte sur le processus de fabrication des tubes de fond de puits. Lors de la trempe et du revenu d'un tube axial en acier 40CrMnMo, de graves fissures sont apparues à plusieurs reprises, entraînant la mise au rebut de la pièce et des pertes économiques. Les causes de ces fissures de trempe ont été analysées sous l'angle de la composition chimique, de la structure, du traitement thermique et de la morphologie des fissures du matériau du tube axial. Des améliorations et des mesures préventives ont été proposées.
1. Description de la pièce défectueuse : La matière première est une pièce forgée en acier 40CMnMo de 200 mm de diamètre et de 1 m de longueur. Processus de fabrication : ébauche → perçage et alésage (jusqu’à une épaisseur de paroi d’environ 20 mm) → trempe → revenu → finition. La pièce, un tube axial, a une longueur d’environ 1 m, un diamètre de 200 mm et une épaisseur de paroi de 20 mm.
Procédé de traitement thermique : chauffer lentement la pièce jusqu’à 500 °C dans un four à moufle, puis la plonger dans un bain de sel pour la tremper à une température de 860 à 880 °C. Le chauffage dans le bain de sel dure environ 30 minutes, suivi d’une trempe à environ 40-60 °C. Plonger ensuite la pièce dans l’huile pendant environ 10 minutes. Après refroidissement, la pièce est revenue dans un four à moufle à 600 °C pendant 10 heures.
Situation de la fissure : La fissure se développe le long de l’axe du tube central, est visible depuis le bord et s’est propagée dans le sens radial de l’épaisseur de la paroi.
2. Détection et analyse
2.1 Détermination de la composition chimique : Un échantillon de la pièce tubulaire axiale fissurée et trempée a été prélevé par découpe partielle au fil pour analyse de sa composition. Celle-ci est conforme à la norme GB/T3077–1999 « Composition chimique et propriétés mécaniques des aciers de construction alliés ».
2.2 Expertise en détection et analyse métallographiques : Deux échantillons de tube axial trempé et revenu sont prélevés longitudinalement, soumis à un traitement thermique (isolation à 850 °C pendant 15 heures et refroidissement au four), puis polis au papier de verre et à la polisseuse, à l’aide d’acide nitrique à 4 % et d’alcool. La structure métallographique est ensuite observée. L’échantillon 2 est directement poncé, puis poli et mis à l’épreuve de la corrosion. Sa structure métallographique est alors observée. La comparaison de cette structure avec la norme GBT 13299-1991 « Méthode d’évaluation de la microstructure de l’acier » révèle que l’échantillon 1 présente une structure rubanée de grade 3 à 4, composée de ferrite eutectoïde blanche et de perlite gris-noir (environ 60 %), une proportion élevée. L’échantillon 2 présente une structure de troostite revenue et une faible proportion de troostite nacrée.
3. Analyse des causes et des solutions de fissuration
3.1 Forme de la fissure et traitement thermique : Observez la forme de la fissure dans le tube axial. Il s'agit d'une fissure longitudinale, profonde et orientée axialement. On observe même une propagation radiale sur le bord du tube. On en conclut que la contrainte à l'origine de la fissuration est une contrainte de traction tangentielle superficielle, elle-même due à des contraintes structurales résiduelles. Par ailleurs, le tube axial étant constitué d'un acier de construction moyennement allié au carbone, les contraintes structurales prédominent également lors de la trempe. Une transformation martensitique se produit, entraînant une forte diminution de la plasticité. Les contraintes structurales augmentent alors brusquement, de sorte que la contrainte de traction superficielle induite par les contraintes internes de trempe dépasse la résistance de l'acier pendant le refroidissement, provoquant ainsi la fissuration, un phénomène fréquent sur les pièces trempées à cœur. L'apparition de ces fissures est principalement due aux fortes contraintes structurales engendrées par une trempe inadéquate. Étant donné que la température de trempe du tube axial est relativement élevée (860 à 880 °C), celui-ci est rapidement plongé dans l'huile de trempe à une température de 40 à 60 °C. Lorsque la température dépasse la température de transition Ms, la contrainte thermique est importante. En revanche, lors du refroidissement en dessous de la température de transformation Ms, la température de l'huile de trempe est relativement basse et la durée de trempe (10 minutes) est relativement longue. Ce refroidissement rapide favorise la formation de martensite. Les différences de volume spécifique entre les différentes structures engendrent des contraintes internes plus importantes, ce qui contribue à la fissuration du tube axial lors de la trempe.
3.2 Uniformité de la structure de la matière première : L'analyse métallographique de l'échantillon 1 après recuit (isolation à 850 °C pendant 15 heures et refroidissement au four) a révélé que le tube axial fissuré présentait encore des bandes distinctes. La présence de cette ségrégation tissulaire en bandes indique une forte ségrégation et une structure hétérogène du cuivre. Cette structure en bandes accroît le risque de fissuration par trempe. La littérature scientifique précise que, dans les aciers alliés à faible et moyen carbone, les bandes en bandes se forment selon la direction de laminage ou de forgeage. Elles sont composées soit de ferrite proeutectoïde, soit de perlite, et s'empilent les unes sur les autres. La structure de coulée est un défaut fréquent dans l'acier. Lors de la cristallisation du lingot, l'acier en fusion cristallise sélectivement, formant une structure dendritique à composition chimique hétérogène. Les dendrites grossières présentes dans le lingot s'allongent dans le sens de la déformation lors du laminage ou du forgeage et s'y orientent progressivement. Il en résulte la formation de bandes appauvries en carbone et en éléments d'alliage, alternant entre elles. Lors d'un refroidissement lent, ces bandes appauvries (l'austénite surrefroidie étant moins stable) précipitent de la ferrite proeutectoïde, libérant l'excès de carbone dans les zones enrichies adjacentes. On obtient ainsi une zone majoritairement ferritique, enrichie en carbone et en éléments d'alliage, dont l'austénite surrefroidie est plus stable. Par la suite, une bande principalement composée de perlite se forme, constituant une structure rubanée où alternent bandes de ferrite et bandes de perlite. Les différentes microstructures des bandes adjacentes dans la structure en bandes du tube axial, ainsi que les différences de morphologie et de degré de cette structure, entraînent une augmentation du coefficient de dilatation et de la différence de volume spécifique avant et après le changement de phase lors du traitement thermique et de la trempe du tube axial. Il en résulte d'importantes contraintes organisationnelles qui, à terme, accentuent la déformation de trempe du tube axial. Si la trempe est mal réalisée, la tendance de la structure en bandes à provoquer des déformations et des fissures de trempe s'accroît, favorisant ainsi l'apparition de fissures de trempe.
3.3 Solutions et effets : Suite à l'analyse des causes de fissuration du tube axial lors de la trempe, nous avons optimisé le traitement thermique et le processus de trempe, en réduisant la température de trempe d'environ 10 °C et en augmentant celle de l'huile de trempe à environ 90 °C. Parallèlement, le temps d'immersion du tube axial dans l'huile de trempe a également été réduit. Les résultats ont montré que le tube axial ne s'est pas fissuré lors de la trempe. Il apparaît donc que la principale cause de fissuration du tube axial lors de la trempe est un processus de trempe inadéquat. La structure en bandes présente dans le matériau brut augmente certes la tendance à la fissuration, mais n'en est pas la cause principale. Un test d'étanchéité a été réalisé sur le tube axial, qui a maintenu une pression stable de 3 500 psi (équivalent à 24 MPa) pendant 10 minutes, répondant ainsi pleinement aux exigences d'étanchéité des outils de fond de puits.
4 Conclusion
La principale cause de fissuration par trempe du tube axial est un processus de trempe inadéquat. La structure en bandes présente dans la matière première accroît la tendance à la fissuration par trempe, mais n'en est pas la cause principale. Après amélioration du traitement thermique, le tube axial ne se fissure plus lors de la trempe. Lors du test d'étanchéité réalisé sur le tube axial, la pression a pu être stabilisée pendant 10 minutes à 3 500 psi (équivalent à 24 MPa), ce qui répond pleinement aux exigences d'étanchéité des outils de fond de puits. Remarque : Afin de prévenir la fissuration du tube axial lors de la trempe, veuillez noter :
1) Assurer un contrôle rigoureux des matières premières. Il est impératif que la structure en bandes des matières premières soit ≤ 3, que les différents défauts présents dans les matières premières, tels que la porosité, la ségrégation, les inclusions non métalliques, etc., soient conformes aux normes, et que la composition chimique et la microstructure soient uniformes.
2) Réduire les contraintes d'usinage. Assurer une avance raisonnable pour réduire les contraintes résiduelles d'usinage, ou effectuer un revenu ou une normalisation avant la trempe pour éliminer les contraintes d'usinage.
3) Choisir un procédé de trempe approprié afin de réduire les contraintes structurelles et thermiques. Abaisser la température de chauffage lors de la trempe et augmenter la température de l'huile de trempe à environ 90 °C. Parallèlement, réduire le temps de séjour du tube axial dans l'huile de trempe.
Date de publication : 28 mai 2024