Gli strumenti per l'estrazione petrolifera sotterranea operano in pozzi profondi migliaia di metri, in ambienti difficili e in condizioni di stress complesse. Normalmente, gli strumenti per l'estrazione devono resistere non solo a sollecitazioni di trazione e flessione torsionale, ma anche a forti attriti e urti. Allo stesso tempo, gli strumenti devono anche resistere ad alte temperature, alta pressione e corrosione ambientale.
Ciò richiede che le proprietà dei materiali degli utensili per l'estrazione mineraria sotterranea presentino eccellenti proprietà meccaniche complessive, che non solo devono garantire un'elevata resistenza, ma anche un'eccellente tenacità agli urti e, allo stesso tempo, essere resistenti alla corrosione causata dall'acqua di mare e dal fango. Dati i requisiti prestazionali delle condizioni di lavoro in pozzo, la selezione del materiale per gli utensili per l'estrazione mineraria sotterranea prevede solitamente l'impiego di acciaio strutturale legato contenente elementi resistenti alla corrosione come Cr e Mo, e il successivo trattamento termico e rinvenimento mediante opportuni processi per garantire che soddisfi i requisiti di resistenza e tenacità agli urti. Questo articolo si concentra sul processo di lavorazione delle tubazioni in pozzo. Quando uno dei pezzi assiali in acciaio 40CrMnMo è stato temprato e rinvenuto, si sono verificate numerose cricche gravi durante il processo di tempra, con conseguente scarto del pezzo e perdite economiche. A tal fine, sono state analizzate le cause delle cricche da tempra in termini di composizione chimica, struttura, processo di trattamento termico e morfologia delle cricche del materiale del tubo assiale, e sono stati proposti miglioramenti e misure preventive.
1. Descrizione del pezzo in lavorazione difettoso: La materia prima è un materiale forgiato solido in acciaio 40CMnMo con un diametro di φ200 mm x 1 m. Flusso di processo: tornitura di sgrossatura → foratura e alesatura (fino a uno spessore di parete di circa 20 mm) → tempra → rinvenimento → finitura. Il profilo del pezzo in lavorazione con tubo assiale è un tubo con una lunghezza di circa 1 m, un diametro di φ200 mm e uno spessore di parete di 20 mm.
Processo di trattamento termico: prima riscaldare lentamente a 500 °C in un forno a camera, quindi inserirlo in un forno a bagno di sale per portarlo alla temperatura di tempra di 860~880 °C. Il tempo di riscaldamento nel forno a bagno di sale è di circa 30 minuti, dopodiché si procede alla tempra a circa 40-60 °C. Temprare in olio per circa 10 minuti. Dopo averlo estratto, rinvenirlo in un forno a camera e mantenerlo a 600 °C per 10 ore, raffreddandolo nel forno.
Situazione della crepa: la crepa si sviluppa lungo l'asse del tubo centrale, è visibile dal bordo e si è fessurata nella direzione radiale dello spessore della parete.
2. Rilevamento e analisi
2.1 Rilevamento della composizione chimica: il pezzo in lavorazione del tubo assiale criccato temprato è stato campionato mediante taglio a filo parziale per l'analisi della composizione. La sua composizione chimica è conforme allo standard GB/T3077–1999 "Composizione chimica e proprietà meccaniche dell'acciaio strutturale legato".
2.2 Esperti in rilevamento e analisi metallografica: Prelevare longitudinalmente due campioni del tubo assiale temprato e rinvenuto, sottoporlo a trattamento termico (isolato a 850 °C per 15 ore e raffreddato in forno), quindi lucidarlo con carta vetrata e lucidarlo su una lucidatrice, utilizzando acido nitrico al 4% e alcol, e osservare la struttura metallografica. Il campione 2 è stato direttamente levigato con carta vetrata e quindi lucidato e corroso, e ne è stata osservata la struttura metallografica. Confrontando la struttura metallografica rilevata con GBT 13299-1991 "Metodo per la valutazione della microstruttura dell'acciaio", si è riscontrato che la struttura a bande nel campione 1 era di grado 3-4, di cui il bianco era ferrite eutettoide e il grigio-nero era perlescente. Nel corpo, la struttura perlitica rappresenta circa il 60%, che è superiore. La struttura metallografica del campione 2 è troostite rinvenuta e una piccola quantità di troostite rinvenuta.
3. Analisi delle cause delle crepe e delle soluzioni
3.1 Forma della cricca e processo di trattamento termico: osservare la forma della cricca nel tubo assiale. Si tratta di una cricca longitudinale. Si verifica lungo la direzione assiale ed è profonda. È persino evidente che la cricca si è fessurata lungo la direzione radiale sul bordo del tubo assiale. Si conclude che la sollecitazione che causa la cricca nel tubo assiale è la sollecitazione di trazione tangenziale superficiale, causata dalla successiva sollecitazione strutturale. Allo stesso tempo, poiché il materiale del tubo assiale è un acciaio strutturale legato a medio tenore di carbonio, anche la sollecitazione strutturale prevale durante il processo di tempra. Si verifica una trasformazione martensitica e la plasticità diminuisce drasticamente. In questa fase, la sollecitazione strutturale aumenta bruscamente, cosicché la sollecitazione di trazione formata sulla superficie del pezzo dalla sollecitazione interna di tempra supera la resistenza dell'acciaio durante il raffreddamento, causando la formazione di cricche, che spesso si verificano nel pezzo completamente temprato. La comparsa di tali cricche è dovuta principalmente all'elevata sollecitazione strutturale causata da un processo di tempra improprio. Poiché la temperatura di riscaldamento e tempra del tubo assiale è di 860~880 °C, che è relativamente alta, viene rapidamente immerso nell'olio di tempra a 40~60 °C. Quando la temperatura è superiore alla temperatura di transizione Ms, la temperatura di riscaldamento e tempra è elevata. Lo stress termico è elevato e, raffreddando al di sotto della temperatura di trasformazione MS, la temperatura dell'olio di tempra è relativamente bassa e il tempo di tempra di 10 minuti è relativamente lungo. Durante il rapido processo di raffreddamento, viene prodotta più martensite. I diversi volumi specifici delle diverse strutture, a loro volta, producono un maggiore stress tissutale, che è una delle cause delle cricche da tempra del tubo assiale.
3.2 Uniformità della struttura della materia prima: attraverso l'analisi metallografica del campione intercettato 1 dopo la ricottura (isolamento a 850 °C per 15 ore e raffreddamento in forno), si è riscontrato che il tubo assiale con cricche presentava ancora bande evidenti dopo la ricottura. L'esistenza di una segregazione tissutale a bande indica che il materiale in rame stesso presenta una grave segregazione tissutale a bande e una struttura irregolare. L'esistenza di una struttura a bande aumenterà la tendenza alla formazione di cricche da tempra del pezzo. La letteratura pertinente sottolinea che la struttura a bande negli acciai legati a basso e medio tenore di carbonio si riferisce alla struttura a bande formata lungo la direzione di laminazione o di forgiatura dell'acciaio. Le bande composte principalmente da ferrite proeutettoide e le bande composte principalmente da perlite sono impilate l'una sull'altra. La struttura di fusione è una struttura difettosa che spesso si presenta nell'acciaio. Poiché l'acciaio fuso cristallizza selettivamente durante il processo di cristallizzazione del lingotto per formare una struttura dendritica con componenti chimici distribuiti in modo non uniforme, i dendriti grossolani nel lingotto si allungano lungo la direzione di deformazione durante la laminazione o la forgiatura e gradualmente diventano coerenti con la direzione di deformazione, formando così bande impoverite (strisce) di carbonio ed elementi di lega e bande impoverite impilate alternativamente l'una sull'altra. In condizioni di raffreddamento lento, le bande impoverite di carbonio ed elementi di lega (l'austenite surraffreddata ha una stabilità inferiore) precipitano la ferrite proeutettoide e scaricano il carbonio in eccesso nelle zone arricchite su entrambi i lati, formando infine una zona dominata dalla ferrite: una zona arricchita di carbonio ed elementi di lega, la cui austenite surraffreddata è più stabile. Successivamente, si forma una banda composta principalmente da perlite, formando così una struttura a bande in cui bande principalmente di ferrite e bande composte da perlite si alternano tra loro. Le diverse microstrutture delle bande adiacenti nella struttura a bande del tubo assiale, così come le differenze di morfologia e grado della struttura a bande, causano un aumento del coefficiente di dilatazione e della differenza di volume specifico prima e dopo il cambiamento di fase durante il trattamento termico e il processo di tempra del tubo assiale, con conseguente aumento della deformazione da tempra del tubo assiale. Se il processo di tempra non è corretto, la tendenza della struttura a bande a causare deformazione da tempra e cricche aumenterà, facilitando la formazione di cricche da tempra.
3.3 Soluzioni ed effetti: Attraverso l'analisi delle cause di criccatura del tubo assiale durante il processo di tempra, abbiamo innanzitutto migliorato il trattamento termico e il processo di tempra, riducendo la temperatura di tempra di circa 10 °C e aumentando la temperatura dell'olio di tempra a circa 90 °C. Allo stesso tempo, anche il tempo di permanenza del tubo assiale nell'olio di tempra è stato ridotto. I risultati hanno mostrato che il tubo assiale non si è criccato durante la tempra. Si può osservare che la causa principale della criccatura da tempra del tubo assiale è un processo di tempra improprio e che la struttura a bande della materia prima aumenterà la tendenza alla criccatura da tempra del tubo assiale, ma non è la causa principale della criccatura da tempra. È stato condotto un test di tenuta sul tubo assiale, che è stato in grado di mantenere una pressione stabile per 10 minuti a una pressione di 3500 psi (equivalente a 24 MPa), che soddisfa pienamente i requisiti di tenuta degli strumenti da fondo pozzo.
4 Conclusion
La causa principale della criccatura da tempra del tubo assiale è un processo di tempra improprio, e la struttura a banda della materia prima aumenta la tendenza del tubo assiale alla criccatura da tempra, ma non è la causa principale della criccatura da tempra. Dopo aver migliorato il processo di trattamento termico, il tubo assiale non si è più criccato durante la tempra e, quando è stato eseguito il test di tenuta sul tubo assiale, la pressione ha potuto essere stabilizzata per 10 minuti a 3500 psi (equivalenti a 24 MPa), il che ha soddisfatto pienamente i requisiti di tenuta degli utensili da fondo foro. Per evitare la criccatura del tubo assiale durante il processo di tempra, Nota:
1) Mantenere un buon controllo delle materie prime. È necessario che la struttura a bande delle materie prime sia ≤3, che vari difetti nelle materie prime come allentamenti, segregazione, inclusioni non metalliche, ecc., soddisfino i requisiti standard e che la composizione chimica e la microstruttura siano uniformi.
2) Ridurre lo stress di lavorazione. Garantire un avanzamento ragionevole per ridurre lo stress residuo di lavorazione, oppure eseguire un rinvenimento o una normalizzazione prima della tempra per eliminare lo stress di lavorazione.
3) Scegliere un processo di tempra ragionevole per ridurre lo stress strutturale e lo stress termico. Abbassare opportunamente la temperatura di riscaldamento e aumentare la temperatura dell'olio di tempra a circa 90 °C. Allo stesso tempo, si riduce anche il tempo di permanenza del tubo dell'asse nell'olio di tempra.
Data di pubblicazione: 28-05-2024