Подземные инструменты для добычи нефти работают в скважинах глубиной в тысячи метров, в суровых условиях и при сложных нагрузках. Обычно горнодобывающее оборудование должно выдерживать не только растяжение и изгиб, но и сильное трение и удары. Кроме того, оно должно выдерживать высокие температуры, давление и коррозию.
Это требует от материалов подземного горнодобывающего инструмента превосходных комплексных механических свойств, которые должны обеспечивать не только высокую прочность, но и отличную ударную вязкость, а также стойкость к коррозии, вызываемой морской водой и буровым раствором. Учитывая эксплуатационные требования к условиям работы в скважинах, материал для скважинного инструмента обычно выбирают из легированной конструкционной стали, содержащей коррозионно-стойкие элементы, такие как Cr и Mo, а затем подвергают соответствующей термической обработке и отпуску для обеспечения соответствия требованиям прочности и ударной вязкости. В данной статье рассматривается процесс обработки колонны скважинных труб. При закалке и отпуске одной из заготовок осевой трубы из стали 40CrMnMo в процессе закалки многократно образовывались сильные трещины, что приводило к браку заготовки и определенным экономическим потерям. С этой целью были проанализированы причины образования закалочных трещин с учетом химического состава, структуры, процесса термической обработки и морфологии трещин материала осевой трубы, а также предложены усовершенствования и профилактические меры.
1. Описание дефектной заготовки: Исходным материалом является цельная поковка из стали 40CMnMo диаметром φ200 мм x 1 м. Технологический процесс: черновая токарная обработка → сверление и расточка (до толщины стенки около 20 мм) → закалка → отпуск → чистовая обработка. Контур заготовки осевой трубы представляет собой трубу длиной около 1 м, диаметром φ200 мм и толщиной стенки 20 мм.
Процесс термической обработки: сначала медленно нагреть в муфельной печи до 500°C, затем поместить в соляную ванну для закалки до температуры 860–880°C. Время нагрева в муфельной печи составляет около 30 минут, затем закалка при температуре 40–60°C. Закалка в масле занимает около 10 минут. После извлечения из печи отпустить в муфельной печи и выдержать при температуре 600°C в течение 10 часов, охлаждая в печи.
Ситуация с трещиной: Трещина развивается вдоль оси центральной трубы, видна с края и раскололась в радиальном направлении толщины стенки.
2. Обнаружение и анализ
2.1 Определение химического состава: Образец закаленной осевой трубы с трещиной был отобран методом частичной резки проволокой для анализа состава. Его химический состав соответствует стандарту GB/T3077–1999 «Химический состав и механические свойства легированной конструкционной стали».
2.2 Эксперты в металлографическом обнаружении и анализе: Возьмите два образца закаленной и отпущенной осевой трубы в продольном направлении, огневая обработка (изоляция при 850 ° C в течение 15 часов и охлаждение в печи), затем отполируйте наждачной бумагой и полируйте на полировальном станке, используя 4 % азотную кислоту и спирт, и наблюдайте металлографическую структуру. Образец 2 был непосредственно отшлифован наждачной бумагой, а затем отполирован и подвергнут коррозии, и наблюдали его металлографическую структуру. Сравнивая обнаруженную металлографическую структуру с GBT 13299-1991 «Метод оценки микроструктуры стали», было обнаружено, что полосчатая структура в образце 1 была класса 3 до 4, из которых белый был эвтектоидным ферритом, а серо-черный был перламутровым. В теле перлитная структура составляет около 60 %, что выше. Металлографическая структура образца 2 представляет собой отпущенный троостит и небольшое количество отпущенного троостита.
3. Анализ причин возникновения трещин и пути их решения
3.1 Форма трещины и процесс термообработки: Обратите внимание на форму трещины в осевой трубе. Это продольная трещина. Она возникает вдоль осевого направления и имеет глубокую трещину. Очевидно, что трещина растрескалась вдоль радиального направления на краю осевой трубы. Сделан вывод, что напряжение, вызывающее растрескивание осевой трубы, является поверхностным тангенциальным растягивающим напряжением, которое вызвано последующим структурным напряжением. В то же время, поскольку материал осевой трубы представляет собой среднеуглеродистую конструкционную сталь, структурное напряжение также доминирует в процессе закалки. Происходит мартенситное превращение, и пластичность резко снижается. В это время структурное напряжение резко возрастает, так что растягивающее напряжение, образованное на поверхности заготовки закалочным внутренним напряжением, превышает прочность стали при охлаждении, вызывая растрескивание, которое часто происходит в полностью закаленной части. Возникновение таких трещин в основном связано с большим структурным напряжением, вызванным неправильным процессом закалки. Поскольку температура закалки осевой трубы составляет 860–880 °C, что является относительно высокой температурой, её быстро погружают в закалочное масло с температурой 40–60 °C. При температуре выше температуры перехода Ms температура закалки высокая. Термическое напряжение велико, а при охлаждении ниже температуры перехода MS температура закалочного масла относительно низкая, а время закалки, составляющее 10 минут, относительно велико. В процессе быстрого охлаждения образуется больше мартенсита. Различный удельный объём различных структур, в свою очередь, создаёт большее напряжение в структуре, что является одной из причин закалочного растрескивания осевой трубы.
3.2 Однородность структуры исходного материала: В результате металлографического анализа отобранного образца 1 после отжига (изоляция при 850 ° C в течение 15 часов и охлаждение в печи) было обнаружено, что осевая трубка с трещинами все еще имела очевидные полосы после отжига. Наличие полосообразной сегрегации ткани указывает на то, что сам медный материал имеет серьезную полосообразную сегрегацию ткани и неровную структуру. Наличие полосообразной структуры увеличит тенденцию к закалочному растрескиванию заготовки. Соответствующая литература указывает на то, что полосообразная структура в низко- и среднеуглеродистой легированной стали относится к полосообразной структуре, образованной вдоль направления прокатки или направления ковки стали. Полосы, состоящие в основном из доэвтектоидного феррита, и полосы, состоящие в основном из перлита, накладываются друг на друга. Литая структура является дефектной структурой, которая часто встречается в стали. Поскольку расплавленная сталь избирательно кристаллизуется в процессе кристаллизации слитка, образуя дендритную структуру с неравномерно распределенными химическими компонентами, грубые дендриты в слитке вытягиваются вдоль направления деформации во время прокатки или ковки и постепенно становятся согласованными с направлением деформации. , образуя таким образом обедненные полосы (полосы) углерода и легирующих элементов и обедненные полосы, уложенные попеременно друг с другом. В условиях медленного охлаждения обедненные полосы углерода и легирующих элементов (переохлажденный аустенит имеет более низкую стабильность) выделяют доэвтектоидный феррит и высвобождают избыточный углерод в обогащенные зоны с обеих сторон, в конечном итоге образуя зону, преобладающую ферритом: зону, обогащенную углеродом и легирующими элементами, переохлажденный аустенит которой более стабилен После этого образуется полоса, состоящая в основном из перлита, таким образом образуя полосообразную структуру, в которой полосы, в основном состоящие из феррита, и полосы, состоящие из перлита, чередуются. Различная микроструктура соседних полос в полосчатой структуре осевой трубы, а также различия в морфологии и классе полосчатой структуры приводят к увеличению коэффициента расширения и разницы в удельном объёме до и после фазового перехода в процессе термической обработки и закалки осевой трубы, что приводит к: Значительное структурное напряжение в конечном итоге приводит к увеличению закалочной деформации осевой трубы. При неправильном процессе закалки увеличивается склонность полосчатой структуры к закалочной деформации и растрескиванию, что облегчает возникновение закалочных трещин.
3.3 Решения и последствия: В результате вышеприведенного анализа причин растрескивания осевой трубы во время процесса закалки мы сначала улучшили процесс термообработки и закалки, снизив температуру закалки примерно на 10 °C и увеличив температуру закалочного масла примерно до 90 °C. Одновременно сократилось время нахождения осевой трубы в закалочном масле. Результаты показали, что осевая труба не трескалась во время закалки. Видно, что основной причиной закалочного растрескивания осевой трубы является неправильный процесс закалки, а полосчатая структура в исходном материале увеличит тенденцию к закалочному растрескиванию осевой трубы, но не является основной причиной закалочного растрескивания. Было проведено испытание на герметичность осевой трубки, которая смогла поддерживать стабильное давление в течение 10 минут при давлении 3500 фунтов на кв. дюйм (эквивалентно 24 МПа), что полностью соответствует требованиям по герметичности скважинных приборов.
4 Заключение
Основной причиной закалочных трещин в осевой трубе является неправильный процесс закалки. Полосчатая структура исходного материала увеличивает склонность осевой трубы к закалочным трещинам, но не является основной причиной их образования. После усовершенствования процесса термообработки осевая труба перестала трескаться во время закалки, а при испытании на герметичность давление в осевой трубе удалось стабилизировать в течение 10 минут при 3500 фунтах на квадратный дюйм (эквивалент 24 МПа), что полностью соответствует требованиям к герметичности скважинного оборудования. Для предотвращения растрескивания осевой трубы во время закалки, обратите внимание:
1) Осуществлять тщательный контроль сырья. Необходимо, чтобы полосчатость сырья была ≤3, различные дефекты сырья, такие как рыхлость, сегрегация, неметаллические включения и т.д., соответствовали требованиям стандарта, а химический состав и микроструктура должны быть однородными.
2) Уменьшите напряжение при обработке. Обеспечьте разумную подачу для снижения остаточного напряжения при обработке или выполните отпуск или нормализацию перед закалкой, чтобы устранить напряжение при обработке.
3) Выберите рациональный процесс закалки для снижения структурных и термических напряжений. Необходимо соответствующим образом снизить температуру нагрева при закалке и повысить температуру закалочного масла примерно до 90°C. Одновременно сокращается время пребывания осевой трубы в закалочном масле.
Время публикации: 28 мая 2024 г.