Peralatan tambang minyak bawah tanah beroperasi di sumur dengan kedalaman ribuan meter, di lingkungan yang keras dan kondisi tekanan yang kompleks. Biasanya, peralatan tambang tidak hanya harus mampu menahan tegangan tarik dan tegangan tekuk torsi, tetapi juga gesekan dan benturan yang kuat. Di saat yang sama, peralatan ini juga harus mampu menahan suhu tinggi, tekanan tinggi, dan korosi lingkungan.
Hal ini menuntut sifat material peralatan tambang bawah tanah untuk memiliki sifat mekanik komprehensif yang unggul, yang tidak hanya harus memastikan kekuatan tinggi, tetapi juga ketangguhan impak yang sangat baik, dan sekaligus tahan terhadap korosi air laut dan lumpur. Mengingat persyaratan kinerja kondisi kerja di bawah lubang tambang, pemilihan material peralatan tambang bawah lubang tambang biasanya adalah baja struktural paduan yang mengandung unsur tahan korosi seperti Cr dan Mo, kemudian melalui proses perlakuan panas dan tempering yang tepat untuk memastikannya memenuhi persyaratan kekuatan dan ketangguhan impak. Artikel ini berfokus pada proses pemrosesan rangkaian pipa bawah lubang tambang. Ketika salah satu benda kerja pipa aksial yang terbuat dari baja 40CrMnMo di-quench dan di-tempering, retakan parah terjadi berkali-kali selama proses quenching, yang mengakibatkan benda kerja tersebut terkikis dan menimbulkan kerugian ekonomi tertentu. Untuk itu, penyebab retakan quenching dianalisis dari aspek komposisi kimia, struktur, proses perlakuan panas, dan morfologi retakan material pipa aksial, serta diusulkan perbaikan dan tindakan pencegahan.
1. Deskripsi benda kerja yang gagal: Bahan bakunya adalah baja tempa padat 40CMnMo dengan diameter φ200 mm x 1 m. Alur proses: pembubutan kasar → pengeboran dan pemboran (hingga ketebalan dinding sekitar 20 mm) → pendinginan → tempering → finishing. Bentuk benda kerja tabung aksial adalah pipa dengan panjang sekitar 1 m, diameter φ200 mm, dan ketebalan dinding 20 mm.
Proses perlakuan panas: pertama, panaskan perlahan hingga 500°C dalam tungku kotak, lalu masukkan ke dalam tungku rendam garam untuk dipanaskan hingga mencapai suhu pendinginan 860-880°C. Waktu pemanasan dalam tungku rendam garam sekitar 30 menit, lalu pendinginan pada suhu sekitar 40-60°C. Pendinginan dalam minyak selama kurang lebih 10 menit. Setelah dikeluarkan, tempering dilakukan dalam tungku kotak dan pertahankan suhu 600°C selama 10 jam sambil didinginkan di dalam tungku.
Situasi retakan: Retakan berkembang sepanjang sumbu tabung pusat, terlihat dari tepi, dan telah retak dalam arah ketebalan dinding radial.
2. Deteksi dan analisis
2.1 Deteksi komposisi kimia: Benda kerja tabung aksial retak yang telah dipadamkan diambil sampelnya dengan pemotongan kawat parsial untuk analisis komposisi. Komposisi kimianya sesuai dengan GB/T3077–1999 “Komposisi Kimia dan Sifat Mekanik Baja Struktural Paduan”.
2.2 Ahli dalam deteksi dan analisis metalografi: Ambil dua sampel tabung aksial yang dipadamkan dan ditempa secara longitudinal, perlakuan api (terisolasi pada 850°C selama 15 jam dan didinginkan dalam tungku), kemudian dipoles dengan amplas dan dipoles pada mesin pemoles, menggunakan asam nitrat 4% dan alkohol, dan amati struktur metalografinya. Sampel 2 langsung digiling dengan amplas lalu dipoles dan dikorosi, dan struktur metalografinya diamati. Membandingkan struktur metalografi yang terdeteksi dengan GBT 13299-1991 "Metode Evaluasi Mikrostruktur Baja", ditemukan bahwa struktur pita pada sampel 1 adalah grade 3 hingga 4, yang putih adalah ferit eutektoid dan abu-abu-hitam adalah pearlescent. badan, struktur perlit menyumbang sekitar 60%, yang lebih tinggi. Struktur metalografi sampel 2 adalah troostit temper dan sejumlah kecil troostit temper.
3. Analisis penyebab retak dan solusinya
3.1 Bentuk retak dan proses perlakuan panas: Amati bentuk retak pada pipa aksial. Retak tersebut merupakan retakan longitudinal. Retakan ini terjadi sepanjang arah aksial dan cukup dalam. Bahkan, terlihat jelas bahwa retakan tersebut telah retak sepanjang arah radial pada tepi pipa aksial. Disimpulkan bahwa tegangan yang menyebabkan retak pada pipa aksial adalah tegangan tarik tangensial permukaan, yang disebabkan oleh tegangan struktural selanjutnya. Di saat yang sama, karena material pipa aksial adalah baja struktural paduan karbon sedang, tegangan struktural juga mendominasi selama proses pendinginan. Transformasi martensit terjadi dan plastisitas menurun tajam. Pada saat ini, tegangan struktural meningkat tajam, sehingga tegangan tarik yang terbentuk pada permukaan benda kerja akibat tegangan internal pendinginan melebihi kekuatan baja selama pendinginan, menyebabkan retak, yang sering terjadi pada bagian yang telah sepenuhnya didinginkan. Terjadinya retakan tersebut terutama disebabkan oleh tegangan struktural yang besar akibat proses pendinginan yang tidak tepat. Karena suhu pemanasan pendinginan tabung poros relatif tinggi, yaitu 860~880℃, tabung poros segera dimasukkan ke dalam minyak pendinginan bersuhu 40~60℃. Suhu pemanasan pendinginan di atas suhu transformasi MS tinggi. Tegangan termalnya tinggi, dan ketika pendinginan di bawah suhu transformasi MS, suhu minyak pendinginan relatif rendah, dan waktu pendinginan 10 menit relatif lama. Selama proses pendinginan cepat, lebih banyak martensit yang dihasilkan. Perbedaan volume spesifik struktur yang berbeda pada gilirannya menghasilkan tegangan jaringan yang lebih besar, yang merupakan salah satu penyebab retak pendinginan tabung poros.
3.2 Keseragaman struktur bahan baku: Melalui analisis metalografi sampel yang dicegat 1 setelah anil (isolasi pada 850°C selama 15 jam dan pendinginan dalam tungku), ditemukan bahwa tabung aksial dengan retakan masih memiliki pita yang jelas setelah anil. Adanya segregasi jaringan seperti pita menunjukkan bahwa bahan tembaga itu sendiri memiliki segregasi jaringan seperti pita yang serius dan struktur yang tidak rata. Adanya struktur seperti pita akan meningkatkan kecenderungan retak pendinginan benda kerja. Literatur yang relevan menunjukkan bahwa struktur seperti pita pada baja paduan karbon rendah dan menengah mengacu pada struktur seperti pita yang terbentuk di sepanjang arah penggulungan atau arah penempaan baja. Pita yang sebagian besar terdiri dari ferit proeutektoid dan pita yang sebagian besar terdiri dari perlit ditumpuk satu sama lain. Struktur cor adalah struktur cacat yang sering muncul pada baja. Karena baja cair mengkristal secara selektif selama proses kristalisasi ingot untuk membentuk struktur dendrit dengan komponen kimia yang tidak terdistribusi secara merata, dendrit kasar dalam ingot memanjang sepanjang arah deformasi selama penggulungan atau penempaan dan secara bertahap menjadi konsisten dengan arah deformasi. , sehingga membentuk pita-pita yang terkuras (strip) dari karbon dan elemen paduan dan pita-pita yang terkuras ditumpuk secara bergantian satu sama lain. Dalam kondisi pendinginan lambat, pita-pita yang terkuras dari karbon dan elemen paduan (austenit yang terlalu dingin memiliki stabilitas yang lebih rendah) mengendapkan ferit proeutektoid, dan melepaskan kelebihan karbon ke zona-zona yang diperkaya di kedua sisi, akhirnya membentuk zona yang didominasi oleh ferit: zona yang diperkaya karbon dan elemen paduan, yang austenit superdinginnya lebih stabil. Setelah itu, sebuah pita yang sebagian besar terdiri dari perlit terbentuk, sehingga membentuk struktur seperti pita di mana pita-pita yang sebagian besar ferit dan pita-pita yang terdiri dari perlit bergantian satu sama lain. Perbedaan struktur mikro pita yang berdekatan pada struktur pita tabung aksial, serta perbedaan morfologi dan mutu struktur pita, menyebabkan koefisien ekspansi dan selisih volume spesifik sebelum dan sesudah perubahan fasa meningkat selama proses perlakuan panas dan pendinginan tabung aksial. Hal ini mengakibatkan tekanan organisasi yang besar pada akhirnya akan meningkatkan distorsi pendinginan pada tabung aksial. Jika proses pendinginan tidak tepat, struktur pita cenderung menyebabkan distorsi dan keretakan akibat pendinginan, sehingga lebih mudah menyebabkan keretakan akibat pendinginan.
3.3 Solusi dan efek: Melalui analisis di atas tentang penyebab retak tabung aksial selama proses pendinginan, kami pertama-tama meningkatkan perlakuan panas dan proses pendinginan, mengurangi suhu pendinginan sekitar 10°C, dan meningkatkan suhu minyak pendinginan menjadi sekitar 90°C. Pada saat yang sama, waktu tabung aksial dalam minyak pendinginan juga dipersingkat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tabung aksial tidak retak selama pendinginan. Dapat dilihat bahwa penyebab utama retak pendinginan tabung aksial adalah proses pendinginan yang tidak tepat, dan struktur seperti pita pada bahan baku akan meningkatkan kecenderungan retak pendinginan tabung aksial, tetapi itu bukan penyebab utama retak pendinginan. Uji penyegelan dilakukan pada tabung aksial, dan mampu mempertahankan tekanan stabil selama 10 menit pada tekanan 3500 psi (setara dengan 24 MPa), yang sepenuhnya memenuhi persyaratan penyegelan peralatan bawah lubang.
4 Kesimpulan
Penyebab utama retak akibat pendinginan pada pipa aksial adalah proses pendinginan yang tidak tepat. Struktur seperti pita pada bahan baku meningkatkan kecenderungan retak akibat pendinginan pada pipa aksial, tetapi bukan penyebab utama retak akibat pendinginan. Setelah proses perlakuan panas yang ditingkatkan, pipa aksial tidak lagi retak selama pendinginan, dan ketika uji penyegelan dilakukan pada pipa aksial, tekanan dapat distabilkan selama 10 menit pada tekanan 3500 psi (setara dengan 24 MPa), yang sepenuhnya memenuhi persyaratan penyegelan alat bor. Untuk mencegah retak pada pipa aksial selama proses pendinginan, perhatikan:
1) Jaga kontrol bahan baku dengan baik. Struktur pita bahan baku harus ≤3, berbagai cacat pada bahan baku seperti kelonggaran, segregasi, inklusi non-logam, dll. harus memenuhi persyaratan standar, dan komposisi kimia serta struktur mikro harus seragam.
2) Kurangi tekanan pemesinan. Pastikan jumlah umpan yang memadai untuk mengurangi tekanan sisa pemesinan, atau lakukan tempering atau normalisasi sebelum pendinginan untuk menghilangkan tekanan pemesinan.
3) Pilih proses pendinginan yang tepat untuk mengurangi tegangan struktural dan tegangan termal. Turunkan suhu pemanasan pendinginan dan tingkatkan suhu oli pendinginan hingga sekitar 90°C. Pada saat yang sama, waktu tinggal tabung sumbu dalam oli pendinginan juga dipersingkat.
Waktu posting: 28 Mei 2024