Подземные нефтедобывающие инструменты работают в скважинах глубиной в тысячи метров, в суровых условиях и при сложных нагрузках. Как правило, горнодобывающее оборудование должно выдерживать не только растягивающие и крутящие изгибающие напряжения, но и сильное трение и удары. Одновременно с этим инструменты должны выдерживать высокие температуры, высокое давление и коррозию окружающей среды.
Это требует от материалов инструментов для подземной добычи полезных ископаемых превосходных комплексных механических свойств, которые должны обеспечивать не только высокую прочность, но и отличную ударную вязкость, а также устойчивость к коррозии морской водой и грязью. Учитывая требования к эксплуатационным характеристикам в условиях работы в скважине, в качестве материала для инструментов обычно выбирают легированную конструкционную сталь, содержащую коррозионностойкие элементы, такие как Cr и Mo, а затем подвергают соответствующей термообработке и отпуску для обеспечения соответствия требованиям к прочности и ударной вязкости. В данной статье рассматривается процесс обработки трубных колонн в скважине. При закалке и отпуске одной из осевых трубных заготовок из стали 40CrMnMo в процессе закалки многократно возникало сильное растрескивание, что приводило к утилизации заготовки и определенным экономическим потерям. В связи с этим были проанализированы причины образования трещин при закалке с точки зрения химического состава, структуры, процесса термообработки и морфологии трещин в материале осевой трубы, а также предложены меры по улучшению и предотвращению этого явления.
1. Описание бракованной заготовки: Заготовка представляет собой цельнокованый материал из стали 40CMnMo диаметром φ200 мм и толщиной стенки 1 м. Технологический процесс: черновая токарная обработка → сверление и расточка (до толщины стенки около 20 мм) → закалка → отпуск → чистовая обработка. Контур осевой трубчатой заготовки представляет собой трубу длиной около 1 м, диаметром φ200 мм и толщиной стенки 20 мм.
Процесс термообработки: сначала медленно нагревают до 500°C в коробчатой печи, затем помещают в соляную ванну для нагрева до температуры закалки 860–880°C. Время нагрева в соляной ванне составляет около 30 минут, после чего проводят закалку при температуре около 40–60°C. Закалку проводят в масле около 10 минут. После извлечения проводят отпуск в коробчатой печи и выдерживают при 600°C в течение 10 часов, одновременно охлаждая изделие в печи.
Ситуация с трещиной: Трещина развивается вдоль оси центральной трубы, видна с края и распространяется в направлении радиальной толщины стенки.
2. Обнаружение и анализ
2.1 Определение химического состава: Образец закаленной треснувшей осевой трубчатой заготовки был отобран методом частичной проволочной резки для анализа состава. Ее химический состав соответствует стандарту GB/T3077–1999 «Химический состав и механические свойства легированной конструкционной стали».
2.2. Специалисты по металлографическому обнаружению и анализу: берут два образца закаленной и отпущенной осевой трубы в продольном направлении, подвергают огневой обработке (выдерживают при 850°C в течение 15 часов и охлаждают в печи), затем полируют наждачной бумагой и полируют на полировальной машине с использованием 4% азотной кислоты и спирта, и изучают металлографическую структуру. Образец 2 непосредственно шлифуют наждачной бумагой, затем полируют и подвергают коррозии, после чего изучают его металлографическую структуру. Сравнивая обнаруженную металлографическую структуру с ГБТ 13299-1991 «Метод оценки микроструктуры стали», установлено, что полосчатая структура в образце 1 соответствует 3-4 степени, из которых белый цвет представляет собой эвтектоидный феррит, а серо-черный – перламутровый. Перлитная структура составляет около 60%, что выше нормы. Металлографическая структура образца 2 представляет собой отпущенный троостит и небольшое количество отпущенного троостита.
3. Анализ причин образования трещин и способов их устранения.
3.1 Форма трещины и процесс термообработки: Рассмотрите форму трещины в осевой трубе. Это продольная трещина. Она возникает вдоль осевого направления и является глубокой. Заметно, что трещина распространилась и в радиальном направлении по краю осевой трубы. Сделан вывод, что напряжением, вызывающим растрескивание осевой трубы, является поверхностное касательное растягивающее напряжение, вызванное последующим структурным напряжением. В то же время, поскольку материалом осевой трубы является среднеуглеродистая легированная конструкционная сталь, структурное напряжение также преобладает в процессе закалки. Происходит мартенситное превращение, и пластичность резко снижается. В это время структурное напряжение резко возрастает, так что растягивающее напряжение, образующееся на поверхности заготовки внутренним напряжением закалки, превышает прочность стали во время охлаждения, вызывая растрескивание, которое часто происходит в полностью закаленной части. Возникновение таких трещин в основном обусловлено большим структурным напряжением, вызванным неправильным процессом закалки. Поскольку температура закалочного нагрева осевой трубы составляет 860–880℃, что относительно высоко, её быстро помещают в закалочное масло с температурой 40–60℃. Когда температура превышает температуру перехода Ms, температура закалочного нагрева высока. Термическое напряжение велико, и при охлаждении ниже температуры перехода Ms температура закалочного масла относительно низкая, а время закалки составляет 10 минут, что является относительно длительным процессом. В процессе быстрого охлаждения образуется больше мартенсита. Различные удельные объемы различных структур, в свою очередь, создают большее напряжение в тканях, что является одной из причин растрескивания осевой трубы при закалке.
3.2 Однородность структуры исходного материала: Металлографический анализ образца 1 после отжига (изоляция при 850°C в течение 15 часов и охлаждение в печи) показал, что в осевой трубе с трещинами после отжига все еще наблюдаются отчетливые полосы. Наличие полосчатой сегрегации указывает на то, что сам медный материал имеет серьезную полосчатую сегрегацию и неравномерную структуру. Наличие полосчатой структуры увеличивает склонность к закалочному растрескиванию заготовки. В соответствующей литературе указывается, что полосчатая структура в низко- и среднеуглеродистых легированных сталях относится к полосчатой структуре, образующейся вдоль направления прокатки или ковки стали. Полосы, состоящие в основном из проэвтектоидного феррита, и полосы, состоящие в основном из перлита, накладываются друг на друга. Литая структура является дефектной структурой, часто встречающейся в стали. Поскольку расплавленная сталь избирательно кристаллизуется в процессе кристаллизации слитка, образуя дендритную структуру с неравномерно распределенными химическими компонентами, крупные дендриты в слитке вытягиваются вдоль направления деформации во время прокатки или ковки и постепенно становятся однородными по направлению деформации, образуя таким образом обедненные полосы (полосы) углерода и легирующих элементов, а также обедненные полосы, чередующиеся друг с другом. В условиях медленного охлаждения обедненные полосы углерода и легирующих элементов (переохлажденный аустенит имеет меньшую стабильность) осаждают проэвтектоидный феррит и высвобождают избыток углерода в обогащенные зоны по обеим сторонам, в конечном итоге образуя зону, в которой преобладает феррит: обогащенную углеродом и легирующими элементами зону, переохлажденный аустенит которой более стабилен. После этого образуется полоса, состоящая в основном из перлита, образуя таким образом полосообразную структуру, в которой полосы, состоящие в основном из феррита, и полосы, состоящие из перлита, чередуются друг с другом. Различная микроструктура соседних полос в полосчатой структуре осевой трубы, а также различия в морфологии и степени зернистости полосчатой структуры приводят к увеличению коэффициента расширения и разницы удельного объема до и после фазового перехода в процессе термообработки и закалки осевой трубы, что вызывает значительное организационное напряжение и, в конечном итоге, приводит к усилению закалочной деформации осевой трубы. При неправильном процессе закалки возрастает склонность полосчатой структуры к закалочной деформации и растрескиванию, что облегчает возникновение закалочных трещин.
3.3 Решения и результаты: На основе проведенного выше анализа причин растрескивания осевой трубы в процессе закалки мы, во-первых, усовершенствовали процесс термообработки и закалки, снизив температуру закалки примерно на 10 °C и повысив температуру закалочного масла примерно до 90 °C. Одновременно сократилось и время нахождения осевой трубы в закалочном масле. Результаты показали, что осевая труба не растрескивалась в процессе закалки. Видно, что основной причиной растрескивания осевой трубы в процессе закалки является неправильный процесс закалки, а полосчатая структура в исходном материале увеличивает склонность к растрескиванию осевой трубы в процессе закалки, но не является основной причиной этого явления. Было проведено испытание на герметичность осевой трубы, и она смогла поддерживать стабильное давление в течение 10 минут при давлении 3500 psi (эквивалентно 24 МПа), что полностью соответствует требованиям к герметизации скважинного оборудования.
4. Заключение
Основной причиной растрескивания осевой трубы при закалке является неправильный процесс закалки, а полосообразная структура в исходном материале увеличивает склонность осевой трубы к растрескиванию при закалке, но не является основной причиной этого явления. После усовершенствования процесса термообработки осевая труба перестала растрескиваться при закалке, и при проведении испытания на герметичность давление стабилизировалось в течение 10 минут на уровне 3500 psi (эквивалентно 24 МПа), что полностью соответствует требованиям к герметизации скважинного оборудования. Для предотвращения растрескивания осевой трубы в процессе закалки следует учитывать следующее:
1) Необходимо обеспечить надлежащий контроль качества сырья. Требуется, чтобы полосчатая структура сырья составляла ≤3, чтобы различные дефекты сырья, такие как рыхлость, сегрегация, неметаллические включения и т. д., соответствовали стандартным требованиям, а химический состав и микроструктура были однородными.
2) Снизьте напряжение, возникающее при механической обработке. Обеспечьте разумную подачу для снижения остаточного напряжения, возникающего при механической обработке, или выполните отпуск или нормализацию перед закалкой, чтобы устранить это напряжение.
3) Выберите оптимальный процесс закалки для снижения структурных и термических напряжений. Соответственно снизьте температуру нагрева при закалке и повысьте температуру закалочного масла примерно до 90 °C. Одновременно сократите время пребывания осевой трубки в закалочном масле.
Дата публикации: 28 мая 2024 г.