지하 석유 채굴 장비는 수천 미터 깊이의 유정에서 혹독한 환경과 복잡한 응력 조건에서 작동합니다. 일반적으로 채굴 장비는 인장 응력과 비틀림 굽힘 응력뿐만 아니라 강한 마찰과 충격도 견뎌야 합니다. 동시에 고온, 고압 및 환경 부식에도 견딜 수 있어야 합니다.
이를 위해서는 지하 채굴 도구의 재료 특성이 우수한 종합적인 기계적 특성을 가져야 하며, 이는 높은 강도를 보장할 뿐만 아니라 우수한 충격 인성을 보장하고 동시에 해수 및 진흙에 의한 부식에 대한 저항성을 가져야 합니다.다운홀 작업 조건의 성능 요구 사항을 고려할 때, 다운홀 도구의 재료 선택은 일반적으로 Cr 및 Mo와 같은 내식성 원소를 포함하는 합금 구조강이며, 적절한 열처리 및 템퍼링 공정을 거쳐 강도 및 충격 인성 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.이 글에서는 다운홀 파이프 스트링 가공 공정에 중점을 둡니다.40CrMnMo 강으로 만든 축 파이프 가공물 중 하나를 담금질 및 템퍼링했을 때 담금질 공정 중에 심각한 균열이 여러 번 발생하여 가공물이 폐기되고 특정 경제적 손실을 초래했습니다.이를 위해 축 튜브 재료의 화학 성분, 구조, 열처리 공정 및 균열 형태 측면에서 담금질 균열의 원인을 분석하고 개선 및 예방 조치를 제안했습니다.
1. 불량 가공물 설명: 원재료는 직경 φ200mm x 1m의 40CMnMo강 솔리드 단조재입니다. 공정 흐름: 황삭→드릴링 및 보링(벽 두께 약 20mm)→담금질→템퍼링→정삭. 축방향 튜브 가공물의 외형은 길이 약 1m, 직경 φ200mm, 벽 두께 20mm의 파이프입니다.
열처리 공정: 먼저 상자로에서 500°C까지 천천히 가열한 후, 염욕로에 넣어 860~880°C의 담금질 온도까지 가열합니다. 염욕로에서의 가열 시간은 약 30분이며, 이후 약 40~60°C에서 담금질합니다. 오일에서 약 10분간 담금질합니다. 꺼낸 후, 상자로에서 뜨임 처리하고, 로에서 냉각하면서 600°C에서 10시간 동안 유지합니다.
균열 상황: 균열은 중앙 튜브의 축을 따라 발생하고 가장자리에서 볼 수 있으며, 반경 방향 벽 두께 방향으로 균열이 생겼습니다.
2. 탐지 및 분석
2.1 화학 성분 검출: 담금질 및 균열이 발생한 축방향 튜브 가공물을 부분 와이어 절단하여 성분 분석을 위해 샘플링했습니다. 해당 화학 성분은 GB/T3077–1999 "합금 구조용 강의 화학 성분 및 기계적 특성"을 준수합니다.
2.2 금속조직 검출 및 분석 전문가: 담금질 및 템퍼링된 축방향 튜브의 두 샘플을 세로로 채취하여 화염 처리(850°C에서 15시간 동안 단열 처리 후 용광로에서 냉각)한 후 사포로 연마하고 4% 질산과 알코올을 사용하여 연마기에서 연마한 후 금속조직을 관찰합니다. 샘플 2는 사포로 직접 연삭한 후 연마 및 부식 처리하여 금속조직을 관찰했습니다. 검출된 금속조직을 GBT 13299-1991 "강의 미세조직 평가 방법"과 비교한 결과, 샘플 1의 띠 조직은 3~4등급으로, 흰색은 공석 페라이트, 회흑색은 진주광택을 띠는 것으로 나타났습니다. 샘플 1의 경우, 펄라이트 조직이 약 60%로 더 높습니다. 샘플 2의 금속조직은 템퍼링된 트루스토타이트와 소량의 템퍼링된 트루스토타이트입니다.
3. 균열 발생 원인 분석 및 해결 방안
3.1 균열 형상 및 열처리 공정: 축관의 균열 형상을 관찰합니다. 균열은 종방향 균열이며, 축방향으로 발생하고 균열이 깊습니다. 균열이 축관 가장자리에서 반경방향으로 균열이 발생한 것도 분명합니다. 축관 균열을 유발하는 응력은 표면 접선 인장 응력이며, 이는 이후 구조적 응력에 의해 발생합니다. 또한, 축관의 재질이 중탄소 합금 구조강이기 때문에 담금질 과정에서 구조적 응력이 지배적입니다. 마르텐사이트 변태가 발생하고 소성이 급격히 감소합니다. 이때 구조적 응력이 급격히 증가하여 담금질 내부 응력에 의해 공작물 표면에 형성된 인장 응력이 냉각 중 강의 강도를 초과하여 균열을 유발하며, 이는 종종 완전히 담금질된 부분에서 발생합니다. 이러한 균열의 발생은 주로 부적절한 담금질 공정으로 인해 발생한 큰 구조적 응력 때문입니다. 축관의 담금질 가열 온도가 860~880℃로 비교적 높기 때문에 40~60℃의 담금질 오일에 빠르게 투입합니다. 온도가 Ms 변태점 이상일 때는 담금질 가열 온도가 높아 열응력이 크고, MS 변태점 이하로 냉각할 때는 담금질 오일 온도가 상대적으로 낮고 10분의 담금질 시간이 비교적 길어집니다. 급속 냉각 과정에서 마르텐사이트가 더 많이 생성됩니다. 서로 다른 조직의 비체적 차이로 인해 더 큰 조직 응력이 발생하며, 이는 축관의 담금질 균열의 원인 중 하나입니다.
3.2 원료 조직의 균일성: 어닐링(850°C에서 15시간 절연 및 노에서 냉각) 후 채취한 시료 1에 대한 금속조직 분석을 통해, 균열이 있는 축류관은 어닐링 후에도 여전히 뚜렷한 띠 모양을 가지고 있음을 확인했습니다. 띠 모양 조직 편석의 존재는 구리 재료 자체가 심각한 띠 모양 조직 편석과 불균일한 구조를 가지고 있음을 나타냅니다. 띠 모양 조직의 존재는 공작물의 담금질 균열 경향을 증가시킵니다. 관련 문헌에서는 저탄소 및 중탄소 합금강의 띠 모양 조직이 강의 압연 방향 또는 단조 방향을 따라 형성된 띠 모양 조직을 의미한다고 지적합니다. 주로 초석 페라이트로 구성된 띠와 주로 펄라이트로 구성된 띠가 서로 겹쳐져 있습니다. 주조 조직은 강에서 흔히 나타나는 결함 조직입니다. 용강은 잉곳 결정화 과정에서 선택적으로 결정화되어 화학 성분이 불균일하게 분포된 수지상 구조를 형성하기 때문에 잉곳의 거친 수지상은 압연 또는 단조 중에 변형 방향을 따라 길어지고 점차 변형 방향과 일치하게 됩니다.따라서 탄소와 합금 원소의 고갈된 띠(스트립)와 서로 번갈아 쌓인 고갈된 띠를 형성합니다.서냉 조건에서 탄소와 합금 원소의 고갈된 띠(과냉각된 오스테나이트는 안정성이 낮음)는 초석 페라이트를 석출시키고, 과잉 탄소를 양쪽의 농축 영역으로 배출하여 결국 페라이트가 우세한 영역, 즉 과냉각된 오스테나이트가 더 안정적인 탄소와 합금 원소 농축 영역을 형성합니다.그 후 주로 펄라이트로 구성된 띠가 형성되어 주로 페라이트인 띠와 펄라이트로 구성된 띠가 번갈아 배치된 띠 모양의 구조를 형성합니다. 축관의 띠형 구조에서 인접한 띠들의 미세구조 차이, 그리고 띠형 구조의 형태 및 등급의 차이는 축관의 열처리 및 담금질 과정에서 팽창계수와 상변화 전후의 비체적 차이를 증가시켜, 결국 축관의 담금질 변형을 증가시킵니다. 담금질 공정이 부적절하면 띠형 구조가 담금질 변형 및 균열을 유발하는 경향이 증가하여 담금질 균열이 발생하기 쉬워집니다.
3.3 해결책 및 효과: 위의 담금질 공정 중 축관 균열 원인 분석을 통해, 먼저 열처리 및 담금질 공정을 개선하여 담금질 온도를 약 10°C 낮추고 담금질 오일 온도를 약 90°C로 높였습니다. 동시에 담금질 오일에 축관이 머무르는 시간도 단축되었습니다. 그 결과, 담금질 과정에서 축관 균열이 발생하지 않았습니다. 축관 담금질 균열의 주요 원인은 부적절한 담금질 공정이며, 원료의 띠 모양 구조가 축관 담금질 균열 경향을 증가시키지만 담금질 균열의 주요 원인은 아니라는 것을 알 수 있습니다. 축관에 대한 밀봉 시험을 실시한 결과, 3500psi(24MPa에 해당)의 압력에서 10분 동안 안정적인 압력을 유지할 수 있었으며, 이는 시추공 도구의 밀봉 요구 사항을 완전히 충족합니다.
4 결론
축관의 담금질 균열의 주요 원인은 부적절한 담금질 공정이며, 원료의 띠 모양 구조가 축관의 담금질 균열 경향을 증가시키지만, 담금질 균열의 주요 원인은 아닙니다. 열처리 공정 개선 후, 축관은 담금질 중 균열이 더 이상 발생하지 않았으며, 축관에 대한 밀봉 시험을 수행했을 때 압력이 3500psi(24MPa에 해당)에서 10분 동안 안정화될 수 있었습니다. 이는 시추공 공구의 밀봉 요건을 완전히 충족했습니다. 담금질 공정 중 축관 균열을 방지하기 위해 다음 사항을 참고하십시오.
1) 원료의 철저한 관리를 유지해야 합니다. 원료의 띠 구조는 ≤3이어야 하며, 느슨함, 편석, 비금속 개재물 등 원료의 각종 결함은 표준 요건을 충족해야 하며, 화학 조성 및 미세 구조가 균일해야 합니다.
2) 가공 응력을 줄이십시오. 가공 잔류 응력을 줄이기 위해 적정량의 이송량을 확보하거나, 담금질 전에 템퍼링 또는 노멀라이징을 수행하여 가공 응력을 제거하십시오.
3) 구조적 응력과 열응력을 줄이기 위해 적절한 담금질 공정을 선택하십시오. 담금질 가열 온도를 적절히 낮추고 담금질 오일 온도를 약 90°C로 높이십시오. 동시에 축 튜브가 담금질 오일에 머무르는 시간도 단축됩니다.
게시 시간: 2024년 5월 28일