Peralatan penambangan minyak bawah tanah bekerja di sumur sedalam ribuan meter, di lingkungan yang keras dan kondisi tekanan yang kompleks. Biasanya, peralatan penambangan tidak hanya harus mampu menahan tegangan tarik dan tegangan lentur puntir, tetapi juga gesekan dan benturan yang kuat. Pada saat yang sama, peralatan tersebut juga harus mampu menahan suhu tinggi, tekanan tinggi, dan korosi lingkungan.
Hal ini mengharuskan sifat material alat pertambangan bawah tanah memiliki sifat mekanik komprehensif yang sangat baik, yang tidak hanya harus memastikan kekuatan tinggi, tetapi juga memastikan ketangguhan benturan yang sangat baik, dan pada saat yang sama tahan terhadap korosi oleh air laut dan lumpur. Mengingat persyaratan kinerja kondisi kerja di bawah permukaan tanah, pemilihan material alat bawah permukaan tanah biasanya adalah baja struktural paduan yang mengandung unsur tahan korosi seperti Cr dan Mo, dan kemudian melalui proses perlakuan panas dan temper yang sesuai untuk memastikan bahwa material tersebut memenuhi persyaratan kekuatan dan ketangguhan benturan. Artikel ini berfokus pada proses pengolahan rangkaian pipa bawah permukaan tanah. Ketika salah satu benda kerja pipa aksial yang terbuat dari baja 40CrMnMo dipadamkan dan ditempa, retakan parah terjadi berkali-kali selama proses pendinginan, mengakibatkan benda kerja tersebut dibuang dan menyebabkan kerugian ekonomi tertentu. Untuk itu, penyebab retakan akibat pendinginan dianalisis dari aspek komposisi kimia, struktur, proses perlakuan panas, dan morfologi retakan material pipa aksial, dan perbaikan serta langkah-langkah pencegahan diusulkan.
1. Deskripsi benda kerja yang gagal: Bahan baku adalah material tempa padat baja 40CMnMo dengan diameter φ200 mm x 1 m. Alur proses: pembubutan kasar → pengeboran dan pembubutan (hingga ketebalan dinding sekitar 20 mm) → pendinginan → temper → penyelesaian akhir. Bentuk benda kerja tabung aksial adalah pipa dengan panjang sekitar 1 m, diameter φ200 mm, dan ketebalan dinding 20 mm.
Proses perlakuan panas: pertama-tama panaskan perlahan hingga 500°C dalam tungku kotak, kemudian masukkan ke dalam tungku rendaman garam untuk memanaskannya hingga suhu pendinginan 860~880°C. Waktu pemanasan dalam tungku rendaman garam sekitar 30 menit dan kemudian didinginkan pada suhu sekitar 40-60°C. Dinginkan dalam minyak selama sekitar 10 menit. Setelah dikeluarkan, lakukan tempering dalam tungku kotak dan pertahankan pada suhu 600°C selama 10 jam sambil didinginkan di dalam tungku.
Kondisi retakan: Retakan berkembang sepanjang sumbu tabung tengah, terlihat dari tepi, dan telah retak searah ketebalan dinding radial.
2. Deteksi dan analisis
2.1 Deteksi komposisi kimia: Benda kerja tabung aksial retak yang didinginkan diambil sampelnya dengan pemotongan kawat sebagian untuk analisis komposisi. Komposisi kimianya sesuai dengan GB/T3077–1999 “Komposisi Kimia dan Sifat Mekanik Baja Struktural Paduan”.
2.2 Para ahli dalam deteksi dan analisis metalografi: Ambil dua sampel tabung aksial yang telah dipadamkan dan ditempa secara memanjang, perlakuan api (diisolasi pada suhu 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 kemudian dipoles dan dikorosi, dan struktur metalografinya diamati. Membandingkan struktur metalografi yang terdeteksi dengan GBT 13299-1991 “Metode Evaluasi Mikrostruktur Baja”, ditemukan bahwa struktur bergaris pada sampel 1 adalah grade 3 hingga 4, di mana bagian putih adalah ferit eutektoid dan bagian abu-abu kehitaman adalah badan mutiara, struktur perlit mencapai sekitar 60%, yang lebih tinggi. Struktur metalografi sampel 2 adalah troostit temper dan sejumlah kecil troostit temper.
3. Analisis penyebab dan solusi keretakan
3.1 Bentuk retak dan proses perlakuan panas: Amati bentuk retak pada tabung aksial. Ini adalah retak memanjang. Retak terjadi sepanjang arah aksial dan retaknya dalam. Bahkan terlihat jelas bahwa retak telah terjadi sepanjang arah radial di tepi tabung aksial. Disimpulkan bahwa tegangan yang menyebabkan retak pada tabung aksial adalah tegangan tarik tangensial permukaan, yang disebabkan oleh tegangan struktural selanjutnya. Pada saat yang sama, karena material tabung aksial adalah baja struktural paduan karbon menengah, tegangan struktural juga mendominasi selama proses pendinginan. Transformasi martensitik terjadi dan plastisitas menurun tajam. Pada saat ini, tegangan struktural meningkat tajam, sehingga tegangan tarik yang terbentuk pada permukaan benda kerja oleh tegangan internal pendinginan melebihi kekuatan baja selama pendinginan, menyebabkan retak, yang sering terjadi pada bagian yang sepenuhnya didinginkan. Terjadinya retak tersebut terutama disebabkan oleh tegangan struktural besar yang disebabkan oleh proses pendinginan yang tidak tepat. Karena suhu pemanasan pendinginan tabung poros adalah 860~880℃, yang relatif tinggi, maka tabung tersebut dengan cepat dimasukkan ke dalam minyak pendingin pada suhu 40~60℃. Ketika suhu berada di atas suhu transisi Ms, suhu pemanasan pendinginan tinggi. Tegangan termal besar, dan ketika pendinginan di bawah suhu transformasi MS, suhu minyak pendingin relatif rendah, dan waktu pendinginan 10 menit relatif lama. Selama proses pendinginan cepat, lebih banyak martensit yang dihasilkan. Volume spesifik yang berbeda dari struktur yang berbeda, pada gilirannya, menghasilkan tegangan jaringan yang lebih besar, yang merupakan salah satu penyebab retak pendinginan pada tabung poros.
3.2 Keseragaman struktur bahan baku: Melalui analisis metalografi sampel 1 yang diambil 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. Keberadaan segregasi jaringan berbentuk pita menunjukkan bahwa material tembaga itu sendiri memiliki segregasi jaringan berbentuk pita yang serius dan struktur yang tidak merata. Keberadaan struktur berbentuk pita akan meningkatkan kecenderungan retak akibat pendinginan pada benda kerja. Literatur terkait menunjukkan bahwa struktur berbentuk pita pada baja paduan karbon rendah dan menengah mengacu pada struktur berbentuk pita yang terbentuk sepanjang arah penggulungan atau arah penempaan baja. Pita yang terutama terdiri dari ferit proeutektoid dan pita yang terutama terdiri dari perlit saling bertumpuk. Struktur coran 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 terdistribusi tidak merata, dendrit kasar dalam ingot memanjang searah dengan arah deformasi selama penggulungan atau penempaan dan secara bertahap menjadi konsisten dengan arah deformasi, sehingga membentuk pita (strip) karbon dan unsur paduan yang terkuras dan pita yang terkuras yang tersusun bergantian satu sama lain. Dalam kondisi pendinginan lambat, pita karbon dan unsur paduan yang terkuras (austenit yang terlalu dingin memiliki stabilitas yang lebih rendah) mengendapkan ferit proeutektoid, dan melepaskan kelebihan karbon ke zona yang diperkaya di kedua sisinya, akhirnya membentuk zona yang didominasi oleh ferit: zona yang diperkaya karbon dan unsur paduan, yang austenit superdinginnya lebih stabil. Setelah itu, terbentuk pita yang sebagian besar terdiri dari perlit, sehingga membentuk struktur seperti pita di mana pita yang sebagian besar ferit dan pita yang terdiri dari perlit bergantian satu sama lain. Perbedaan mikrostruktur pita yang berdekatan dalam struktur pita pada tabung aksial, serta perbedaan morfologi dan tingkat struktur pita, menyebabkan koefisien ekspansi dan perbedaan volume spesifik sebelum dan sesudah perubahan fasa meningkat selama proses perlakuan panas dan pendinginan tabung aksial, sehingga tegangan organisasi yang besar pada akhirnya akan meningkatkan distorsi pendinginan tabung aksial. Jika proses pendinginan tidak tepat, kecenderungan struktur pita untuk menyebabkan distorsi dan retak akibat pendinginan akan meningkat, sehingga lebih mudah menyebabkan retak akibat pendinginan.
3.3 Solusi dan efek: Melalui analisis penyebab retaknya tabung aksial selama proses pendinginan di atas, pertama-tama kami memperbaiki proses perlakuan panas dan pendinginan, mengurangi suhu pendinginan sekitar 10°C, dan meningkatkan suhu oli pendinginan menjadi sekitar 90°C. Pada saat yang sama, waktu tabung aksial dalam oli pendinginan juga dipersingkat. Hasilnya menunjukkan bahwa tabung aksial tidak retak selama pendinginan. Dapat dilihat bahwa penyebab utama retaknya tabung aksial selama pendinginan adalah proses pendinginan yang tidak tepat, dan struktur seperti pita pada bahan baku akan meningkatkan kecenderungan retaknya tabung aksial selama pendinginan, tetapi bukan merupakan penyebab utama retaknya tabung aksial selama pendinginan. Uji penyegelan dilakukan pada tabung aksial, dan tabung tersebut mampu mempertahankan tekanan stabil selama 10 menit pada tekanan 3500 psi (setara dengan 24 MPa), yang sepenuhnya memenuhi persyaratan penyegelan peralatan bawah sumur.
4 Kesimpulan
Penyebab utama retak akibat pendinginan pada pipa aksial adalah proses pendinginan yang tidak tepat, dan struktur seperti pita pada bahan baku meningkatkan kecenderungan retak akibat pendinginan pada pipa aksial, tetapi bukan merupakan penyebab utama retak akibat pendinginan. Setelah memperbaiki proses perlakuan panas, pipa aksial tidak lagi retak selama pendinginan, dan ketika uji penyegelan dilakukan pada pipa aksial, tekanan dapat distabilkan selama 10 menit pada 3500 psi (setara dengan 24 MPa), yang sepenuhnya sesuai dengan persyaratan penyegelan peralatan bawah sumur. Untuk mencegah pipa aksial retak selama proses pendinginan, Catatan:
1) Jaga kontrol yang baik terhadap bahan baku. Persyaratan yang harus dipenuhi adalah struktur pita pada 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 tegangan pemesinan. Pastikan laju pemakanan yang wajar untuk mengurangi tegangan sisa pemesinan, atau lakukan temper atau normalisasi sebelum pendinginan untuk menghilangkan tegangan pemesinan.
3) Pilih proses pendinginan yang wajar untuk mengurangi tegangan struktural dan tegangan termal. Turunkan suhu pemanasan pendinginan secara tepat dan tingkatkan suhu oli pendinginan hingga sekitar 90°C. Pada saat yang sama, waktu tinggal tabung poros dalam oli pendinginan juga dipersingkat.
Waktu posting: 28 Mei 2024