지하 석유 채굴 장비는 수천 미터 깊이의 유정에서 혹독한 환경과 복잡한 응력 조건 속에서 작동합니다. 일반적으로 채굴 장비는 인장 응력, 비틀림 굽힘 응력뿐만 아니라 강한 마찰과 충격에도 견뎌야 합니다. 동시에 고온, 고압 및 환경 부식에도 강해야 합니다.
지하 채굴 도구는 우수한 종합적인 기계적 특성을 갖춰야 하며, 높은 강도뿐 아니라 뛰어난 충격 인성을 확보하는 동시에 해수 및 진흙에 의한 부식에도 강해야 합니다. 지하 작업 환경의 성능 요구 사항을 고려할 때, 지하 도구의 재료는 일반적으로 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)과 같은 내식성 원소를 함유한 합금 구조강으로 선택되며, 적절한 열처리 및 템퍼링 공정을 통해 강도 및 충격 인성 요구 사항을 충족합니다. 본 논문에서는 지하 파이프 스트링 가공 공정에 초점을 맞추었습니다. 40CrMnMo 강으로 제작된 축 파이프 가공품 중 하나를 담금질 및 템퍼링하는 과정에서 심각한 균열이 여러 차례 발생하여 가공품을 폐기해야 했고, 이로 인해 경제적 손실이 발생했습니다. 이에 따라 축 파이프 재료의 화학 조성, 구조, 열처리 공정 및 균열 형상 측면에서 담금질 균열의 원인을 분석하고 개선 및 예방 조치를 제안했습니다.
1. 불량 가공품 설명: 원재료는 직경 φ200mm, 두께 1m의 40CMnMo강 단조재입니다. 가공 공정은 황삭 선삭 → 드릴링 및 보링(벽 두께 약 20mm까지) → 담금질 → 템퍼링 → 정삭입니다. 가공품의 외형은 길이 약 1m, 직경 φ200mm, 벽 두께 20mm의 파이프 형태입니다.
열처리 공정: 먼저 박스형 전기로에서 500°C까지 천천히 가열한 후, 염욕로에 넣어 860~880°C의 담금질 온도까지 가열합니다. 염욕로에서의 가열 시간은 약 30분이며, 이후 약 40~60°C에서 담금질합니다. 담금질 후, 약 10분간 오일에 담금질합니다. 꺼내어 박스형 전기로에 넣고 600°C에서 10시간 동안 전기로 내부에서 냉각시키면서 템퍼링합니다.
균열 상황: 균열은 중앙 튜브의 축을 따라 발생하며, 가장자리에서 육안으로 확인할 수 있고, 벽 두께의 반경 방향으로 균열이 진행되었습니다.
2. 탐지 및 분석
2.1 화학 조성 분석: 담금질 후 균열이 발생한 축 방향 튜브 가공물을 부분 와이어 커팅 방식으로 채취하여 조성 분석을 실시하였다. 분석 결과, 해당 화학 조성은 GB/T3077–1999 "합금 구조강의 화학 조성 및 기계적 특성" 규격을 준수하였다.
2.2 금속 조직 검사 및 분석 전문가: 담금질 및 템퍼링 처리된 축관 시료 두 개를 세로 방향으로 채취하여 화염 처리(850°C에서 15시간 동안 단열 후 노내 냉각)한 후 사포로 연마하고 연마기에서 연마한 다음 4% 질산과 알코올을 사용하여 금속 조직을 관찰하였다. 시료 2는 사포로 직접 연마한 후 연마하고 부식시킨 후 금속 조직을 관찰하였다. 관찰된 금속 조직을 GBT 13299-1991 "강의 미세 구조 평가 방법"과 비교한 결과, 시료 1의 띠 모양 구조는 3~4등급으로, 흰색은 공석 페라이트이고 회흑색은 펄라이트 상이며, 펄라이트 구조가 약 60%로 높은 비율을 차지하는 것으로 나타났다. 시료 2의 금속 조직은 템퍼링된 트로스타이트와 소량의 템퍼링된 트로스타이트로 구성되어 있다.
3. 균열 발생 원인 및 해결책 분석
3.1 균열 형상 및 열처리 공정: 축관의 균열 형상을 관찰한 결과, 종방향 균열이며 축 방향을 따라 발생하고 깊이가 상당합니다. 축관 가장자리에서는 균열이 반경 방향으로도 진행된 것이 분명하게 나타납니다. 따라서 축관의 균열 발생 원인은 표면 접선 방향 인장 응력이며, 이는 후처리 과정에서 발생한 구조적 응력에 의한 것으로 판단됩니다. 축관의 재질이 중탄소 합금 구조강이기 때문에 담금질 과정에서도 구조적 응력이 지배적으로 작용합니다. 마르텐사이트 변태가 발생하면서 소성이 급격히 감소하고, 이때 구조적 응력이 급격히 증가하여 담금질 내부 응력에 의해 공작물 표면에 발생하는 인장 응력이 냉각 과정에서 강재의 강도를 초과하게 되어 균열이 발생합니다. 이러한 균열은 특히 완전 담금질된 부분에서 자주 발생합니다. 이러한 균열 발생의 주된 원인은 부적절한 담금질 공정으로 인한 과도한 구조적 응력입니다. 축관의 담금질 가열 온도가 860~880℃로 비교적 높기 때문에 40~60℃의 담금질유에 급속 냉각됩니다. 온도가 마르텐사이트 변태 온도 이상일 때 담금질 가열 온도가 높으면 열응력이 커지고, 마르텐사이트 변태 온도 이하로 냉각될 때는 담금질유 온도가 상대적으로 낮아지고 10분이라는 담금질 시간이 길어집니다. 급속 냉각 과정에서 마르텐사이트가 더 많이 생성되고, 각기 다른 구조의 비체적이 달라 조직 응력이 커지게 되는데, 이는 축관의 담금질 균열 발생 원인 중 하나입니다.
3.2 원료 구조의 균일성: 어닐링(850°C에서 15시간 동안 유지 후 노내 냉각) 후 절단된 시료 1에 대한 금속 조직 분석 결과, 균열이 있는 축 방향 튜브에 어닐링 후에도 여전히 뚜렷한 띠 모양 편석이 남아 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 띠 모양 편석은 구리 원료 자체에 심각한 띠 모양 편석과 불균일한 구조가 존재함을 시사합니다. 띠 모양 구조는 가공물의 담금질 균열 발생 경향을 증가시킵니다. 관련 문헌에 따르면 저탄소 및 중탄소 합금강에서 띠 모양 구조는 강재의 압연 방향 또는 단조 방향을 따라 형성되는 띠 모양 구조를 의미합니다. 주로 공석 페라이트로 구성된 띠와 주로 펄라이트로 구성된 띠가 서로 쌓여 있는 형태입니다. 이러한 주조 구조는 강재에서 흔히 나타나는 결함 구조입니다. 용융강은 주괴 결정화 과정에서 선택적으로 결정화되어 화학 성분이 불균일하게 분포된 수지상 구조를 형성하기 때문에, 주괴 내의 조대한 수지상 결정은 압연 또는 단조 과정에서 변형 방향을 따라 길게 늘어나 점차 변형 방향과 일치하게 됩니다. 이로 인해 탄소 및 합금 원소가 결핍된 띠(띠)와 이러한 결핍 띠가 교대로 쌓인 구조가 형성됩니다. 서서히 냉각되는 조건에서, 탄소 및 합금 원소가 결핍된 띠(과냉각된 오스테나이트는 안정성이 낮음)는 공석상 페라이트를 석출시키고, 과잉 탄소를 양쪽의 농축 영역으로 방출하여 최종적으로 페라이트가 주를 이루는 영역, 즉 과냉각된 오스테나이트가 더 안정적인 탄소 및 합금 원소 농축 영역을 형성합니다. 그 후, 펄라이트가 주를 이루는 띠가 형성되어, 페라이트 띠와 펄라이트 띠가 교대로 나타나는 띠 모양의 구조가 만들어집니다. 축관의 띠 구조에서 인접한 띠들의 서로 다른 미세 구조와 띠 구조의 형태 및 등급 차이는 축관의 열처리 및 담금질 과정에서 열팽창 계수와 상변화 전후의 비체적 차이를 증가시켜 큰 조직 응력을 발생시키고, 이는 결국 축관의 담금질 변형을 심화시킵니다. 담금질 과정이 부적절할 경우, 띠 구조의 담금질 변형 및 균열 발생 경향이 증가하여 담금질 균열 발생이 더욱 용이해집니다.
3.3 해결책 및 효과: 상기 담금질 공정 중 축관 균열 발생 원인 분석을 바탕으로, 열처리 및 담금질 공정을 개선하여 담금질 온도를 약 10°C 낮추고 담금질 오일 온도를 약 90°C로 높였습니다. 동시에 축관이 담금질 오일에 담그는 시간도 단축했습니다. 그 결과, 축관은 담금질 중 균열이 발생하지 않았습니다. 따라서 축관 담금질 균열의 주요 원인은 부적절한 담금질 공정이며, 원료의 띠 모양 구조는 축관 담금질 균열 발생 경향을 증가시키지만 주된 원인은 아님을 알 수 있습니다. 축방향 튜브에 대한 밀봉 테스트를 실시한 결과, 3500psi(24MPa에 해당)의 압력에서 10분 동안 안정적인 압력을 유지할 수 있었으며, 이는 시추공 장비의 밀봉 요구 사항을 완벽하게 충족합니다.
4. 결론
축관의 담금질 균열의 주된 원인은 부적절한 담금질 공정이며, 원료의 띠 모양 구조가 축관의 담금질 균열 발생 경향을 증가시키지만 주된 원인은 아닙니다. 열처리 공정을 개선한 후, 축관은 담금질 중 더 이상 균열이 발생하지 않았으며, 축관에 대한 밀봉 시험을 실시한 결과 3500psi(24MPa에 해당)에서 10분 동안 압력을 안정화할 수 있어 시추공 장비의 밀봉 요구 사항을 완벽하게 충족했습니다. 담금질 과정에서 축관의 균열을 방지하려면 다음 사항을 유의하십시오.
1) 원료 관리를 철저히 해야 합니다. 원료의 밴드 구조는 3 이하이어야 하며, 이완, 편석, 비금속 개재물 등의 각종 결함이 기준에 부합해야 하고, 화학 조성 및 미세 구조가 균일해야 합니다.
2) 가공 응력을 줄입니다. 적절한 이송량을 유지하여 가공 잔류 응력을 줄이거나, 담금질 전에 템퍼링 또는 노멀라이징 처리를 하여 가공 응력을 제거합니다.
3) 구조적 응력과 열 응력을 줄이기 위해 적절한 담금질 공정을 선택해야 합니다. 담금질 가열 온도를 적절히 낮추고 담금질 오일 온도를 약 90°C까지 높여야 합니다. 동시에 축관이 담금질 오일에 머무르는 시간도 단축해야 합니다.
게시 시간: 2024년 5월 28일