As ferramentas de mineração subterrânea de petróleo operam em poços a milhares de metros de profundidade, em ambientes hostis e sob condições complexas de tensão. Normalmente, essas ferramentas precisam suportar não apenas tensão de tração e torção, mas também forte atrito e impacto. Ao mesmo tempo, devem resistir a altas temperaturas, alta pressão e corrosão ambiental.
Isso exige que as propriedades dos materiais das ferramentas de mineração subterrânea apresentem excelentes propriedades mecânicas abrangentes, que devem garantir não apenas alta resistência, mas também excelente tenacidade ao impacto e, ao mesmo tempo, resistência à corrosão por água do mar e lama. Considerando os requisitos de desempenho das condições de trabalho em poços profundos, a seleção de materiais para ferramentas de fundo de poço geralmente recai sobre aço estrutural ligado contendo elementos resistentes à corrosão, como Cr e Mo, e, em seguida, por meio de processos adequados de tratamento térmico e revenimento para garantir que atenda aos requisitos de resistência e tenacidade ao impacto. Este artigo concentra-se no processo de processamento de colunas de tubos de fundo de poço. Quando uma das peças de trabalho do tubo axial, feita de aço 40CrMnMo, foi temperada e revenida, ocorreram trincas severas diversas vezes durante o processo de têmpera, resultando no descarte da peça e causando perdas econômicas. Para tanto, as causas das trincas de têmpera foram analisadas sob os aspectos da composição química, estrutura, processo de tratamento térmico e morfologia das trincas do material do tubo axial, e melhorias e medidas preventivas foram propostas.
1. Descrição da peça defeituosa: A matéria-prima é um aço 40CMnMo forjado em bloco sólido com diâmetro de φ200 mm x 1 m. Fluxo do processo: torneamento de desbaste → furação e mandrilamento (até uma espessura de parede de aproximadamente 20 mm) → têmpera → revenido → acabamento. O formato do tubo axial é um tubo com cerca de 1 m de comprimento, φ200 mm de diâmetro e 20 mm de espessura de parede.
Processo de tratamento térmico: primeiro, aqueça lentamente a peça a 500 °C em um forno de caixa. Em seguida, coloque-a em um forno de banho de sal para aquecê-la até a temperatura de têmpera de 860 a 880 °C. O tempo de aquecimento no forno de banho de sal é de aproximadamente 30 minutos, seguido de têmpera a cerca de 40-60 °C. Mergulhe a peça em óleo por cerca de 10 minutos. Após retirá-la do banho de sal, revena-a em um forno de caixa e mantenha-a a 600 °C por 10 horas, enquanto esfria dentro do forno.
Situação da fissura: A fissura se desenvolve ao longo do eixo do tubo central, é visível na borda e se propagou na direção radial da espessura da parede.
2. Detecção e análise
2.1 Detecção da composição química: A amostra do tubo axial trincado e temperado foi analisada por corte parcial com fio para análise de composição. Sua composição química está em conformidade com a norma GB/T3077–1999 “Composição Química e Propriedades Mecânicas do Aço Estrutural Liga”.
2.2 Especialistas em detecção e análise metalográfica: Duas amostras do tubo axial temperado e revenido foram coletadas longitudinalmente, submetidas a tratamento térmico (isoladas a 850 °C por 15 horas e resfriadas no forno), polidas com lixa e em uma politriz, utilizando uma solução de ácido nítrico a 4% e álcool, e sua estrutura metalográfica foi observada. A amostra 2 foi lixada diretamente, polida e submetida a corrosão, e sua estrutura metalográfica foi observada. Comparando a estrutura metalográfica detectada com o método GBT 13299-1991 “Método para Avaliação da Microestrutura do Aço”, constatou-se que a estrutura bandada na amostra 1 era de grau 3 a 4, sendo a ferrita eutetóide branca e a perlita cinza-escura. A estrutura perlítica representava cerca de 60% do corpo, um valor elevado. A estrutura metalográfica da amostra 2 era composta por troostita revenida e uma pequena quantidade de troostita revenida.
3. Análise das causas e soluções para fissuras
3.1 Forma da trinca e processo de tratamento térmico: Observe a forma da trinca no tubo axial. Trata-se de uma trinca longitudinal, que ocorre na direção axial e é profunda. É evidente que a trinca se propagou radialmente na borda do tubo axial. Conclui-se que a tensão causadora da trinca no tubo axial é a tensão de tração tangencial superficial, resultante da tensão estrutural posterior. Ao mesmo tempo, como o material do tubo axial é um aço estrutural de liga de médio carbono, a tensão estrutural também predomina durante o processo de têmpera. Ocorre transformação martensítica e a plasticidade diminui drasticamente. Nesse momento, a tensão estrutural aumenta acentuadamente, de modo que a tensão de tração formada na superfície da peça pela tensão interna de têmpera excede a resistência do aço durante o resfriamento, causando a trinca, que ocorre frequentemente na parte totalmente temperada. A ocorrência dessas trincas deve-se principalmente à grande tensão estrutural causada por um processo de têmpera inadequado. Como a temperatura de têmpera do tubo axial é de 860~880℃, relativamente alta, ele é rapidamente imerso em óleo de têmpera a 40~60℃. Quando a temperatura está acima da temperatura de transição Ms, a temperatura de têmpera é alta, gerando grande tensão térmica. Já no resfriamento abaixo da temperatura de transformação Ms, a temperatura do óleo de têmpera é relativamente baixa e o tempo de têmpera de 10 minutos é relativamente longo. Durante o resfriamento rápido, ocorre maior produção de martensita. Os diferentes volumes específicos das diferentes estruturas, por sua vez, geram maior tensão tecidual, o que é uma das causas de trincas por têmpera no tubo axial.
3.2 Uniformidade da estrutura da matéria-prima: Através da análise metalográfica da amostra interceptada 1 após recozimento (isolação a 850 °C por 15 horas e resfriamento no forno), constatou-se que o tubo axial com trincas ainda apresentava bandas evidentes após o recozimento. A existência de segregação tecidual em forma de banda indica que o próprio material de cobre apresenta segregação tecidual significativa em forma de banda e estrutura irregular. A presença de uma estrutura em forma de banda aumenta a tendência de fissuração por têmpera da peça. A literatura pertinente aponta que a estrutura em forma de banda em aços-liga de baixo e médio carbono refere-se à estrutura em forma de banda formada ao longo da direção de laminação ou forjamento do aço. As bandas, compostas principalmente de ferrita proeutetóide, e as bandas, compostas principalmente de perlita, se sobrepõem. A estrutura de fundição é uma estrutura defeituosa que frequentemente aparece no aço. Como o aço fundido cristaliza seletivamente durante o processo de cristalização do lingote, formando uma estrutura dendrítica com componentes químicos distribuídos de forma não uniforme, as dendritas grosseiras no lingote alongam-se na direção da deformação durante a laminação ou forjamento, tornando-se gradualmente consistentes com essa direção. Isso forma faixas empobrecidas de carbono e elementos de liga, alternadamente empilhadas umas sobre as outras. Sob condições de resfriamento lento, as faixas empobrecidas de carbono e elementos de liga (a austenita super-resfriada apresenta menor estabilidade) precipitam ferrita proeutetóide e liberam o excesso de carbono nas zonas enriquecidas em ambos os lados, formando, eventualmente, uma zona dominada por ferrita: uma zona enriquecida em carbono e elementos de liga, cuja austenita super-resfriada é mais estável. Posteriormente, forma-se uma faixa composta principalmente de perlita, resultando em uma estrutura em faixas na qual faixas compostas principalmente de ferrita e faixas compostas de perlita se alternam. As diferentes microestruturas das bandas adjacentes na estrutura bandada do tubo axial, bem como as diferenças na morfologia e no grau da estrutura bandada, fazem com que o coeficiente de expansão e a diferença no volume específico antes e depois da mudança de fase aumentem durante o processo de tratamento térmico e têmpera do tubo axial, resultando em uma grande tensão organizacional que, eventualmente, aumentará a distorção de têmpera do tubo axial. Se o processo de têmpera for inadequado, a tendência da estrutura bandada de causar distorção e fissuração por têmpera aumentará, facilitando o surgimento de fissuras por têmpera.
3.3 Soluções e efeitos: Através da análise acima das causas de fissuras no tubo axial durante o processo de têmpera, aprimoramos o tratamento térmico e o processo de têmpera, reduzindo a temperatura de têmpera em cerca de 10 °C e aumentando a temperatura do óleo de têmpera para cerca de 90 °C. Ao mesmo tempo, o tempo de imersão do tubo axial no óleo de têmpera também foi reduzido. Os resultados mostraram que o tubo axial não apresentou fissuras durante a têmpera. Constatou-se que a principal causa de fissuras por têmpera no tubo axial é um processo de têmpera inadequado, e que a estrutura em forma de banda na matéria-prima aumenta a tendência de fissuras por têmpera no tubo axial, mas não é a causa principal. Um teste de vedação foi realizado no tubo axial, que se mostrou capaz de manter uma pressão estável por 10 minutos a uma pressão de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), atendendo plenamente aos requisitos de vedação de ferramentas de fundo de poço.
4 Conclusão
A principal causa de fissuras por têmpera no tubo axial é um processo de têmpera inadequado. A estrutura em faixas presente na matéria-prima aumenta a tendência de fissuração do tubo axial durante a têmpera, mas não é a causa principal. Após o aprimoramento do processo de tratamento térmico, o tubo axial deixou de apresentar fissuras durante a têmpera e, quando o teste de vedação foi realizado, a pressão pôde ser estabilizada por 10 minutos a 3500 psi (equivalente a 24 MPa), atendendo plenamente aos requisitos de vedação das ferramentas de fundo de poço. Para evitar fissuras no tubo axial durante o processo de têmpera, observe:
1) Manter um bom controle das matérias-primas. É necessário que a estrutura de bandas nas matérias-primas seja ≤3, que vários defeitos nas matérias-primas, como porosidade, segregação, inclusões não metálicas, etc., atendam aos requisitos padrão e que a composição química e a microestrutura sejam uniformes.
2) Reduzir a tensão de usinagem. Garanta uma taxa de avanço adequada para reduzir a tensão residual de usinagem ou realize revenimento ou normalização antes da têmpera para eliminar a tensão de usinagem.
3) Escolha um processo de têmpera adequado para reduzir a tensão estrutural e a tensão térmica. Diminua adequadamente a temperatura de aquecimento da têmpera e aumente a temperatura do óleo de têmpera para cerca de 90 °C. Ao mesmo tempo, reduza também o tempo de permanência do tubo do eixo no óleo de têmpera.
Data da publicação: 28 de maio de 2024