การวิเคราะห์และมาตรการป้องกันการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อเหล็กไร้รอยต่อ 40CrMnMo

เครื่องมือขุดเจาะน้ำมันใต้ดินทำงานในบ่อน้ำมันลึกหลายพันเมตร ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสภาวะความเค้นที่ซับซ้อน โดยปกติแล้ว เครื่องมือขุดเจาะน้ำมันต้องทนทานไม่เพียงแต่แรงดึง แรงดัด และแรงเสียดทานและแรงกระแทกเท่านั้น แต่ยังทนทานต่ออุณหภูมิสูง แรงดันสูง และการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อมอีกด้วย

จำเป็นต้องมีคุณสมบัติของวัสดุของเครื่องมือขุดใต้ดินที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ครอบคลุมเป็นเลิศ ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องรับประกันความแข็งแรงสูงเท่านั้น แต่ยังต้องรับประกันความเหนียวทนต่อแรงกระแทกได้อย่างยอดเยี่ยม ขณะเดียวกันก็ต้องทนทานต่อการกัดกร่อนจากน้ำทะเลและโคลน เมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดด้านสมรรถนะของสภาพการทำงานในหลุมเจาะ การเลือกวัสดุสำหรับเครื่องมือขุดใต้ดินมักจะใช้เหล็กกล้าโครงสร้างผสมที่มีองค์ประกอบที่ทนทานต่อการกัดกร่อน เช่น โครเมียมและโมลิบดีนัม จากนั้นจึงผ่านกระบวนการอบชุบและอบคืนตัวที่เหมาะสม เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุดังกล่าวตรงตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและความเหนียวทนต่อแรงกระแทก บทความนี้มุ่งเน้นไปที่กระบวนการแปรรูปท่อร้อยสายในหลุมเจาะ เมื่อชิ้นงานท่อแนวแกนชิ้นหนึ่งที่ทำจากเหล็ก 40CrMnMo ถูกชุบแข็งและอบคืนตัว จะเกิดรอยแตกร้าวอย่างรุนแรงหลายครั้งในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง ส่งผลให้ชิ้นงานถูกทิ้งและก่อให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจ ด้วยเหตุนี้ สาเหตุของรอยแตกร้าวจากการชุบแข็งจึงถูกวิเคราะห์จากองค์ประกอบทางเคมี โครงสร้าง กระบวนการอบชุบ และสัณฐานวิทยาของรอยแตกร้าวของวัสดุท่อแนวแกน และนำเสนอแนวทางการปรับปรุงและมาตรการป้องกัน

1. รายละเอียดของชิ้นงานที่เสียหาย: วัตถุดิบคือเหล็กกล้า 40CMnMo ตัน ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 มม. x 1 ม. ขั้นตอนการแปรรูป: การกลึงหยาบ→การเจาะและคว้าน (จนมีความหนาของผนังประมาณ 20 มม.)→การชุบแข็ง→การอบคืนตัว→การตกแต่ง โครงร่างของชิ้นงานท่อแกนคือท่อที่มีความยาวประมาณ 1 ม. เส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 มม. และความหนาของผนัง 20 มม.

กระบวนการอบชุบด้วยความร้อน: ขั้นแรกให้ค่อยๆ อุ่นเหล็กในเตาเผาแบบกล่องที่อุณหภูมิ 500°C จากนั้นนำไปอบในเตาเผาแบบเกลือที่อุณหภูมิ 860-880°C ใช้เวลาประมาณ 30 นาทีในการอบในเตาเผาแบบเกลือ และอบให้เย็นตัวที่อุณหภูมิประมาณ 40-60°C อบในน้ำมันประมาณ 10 นาที หลังจากนำเหล็กออกจากเตาแล้ว ให้อบในเตาเผาแบบกล่องและคงอุณหภูมิไว้ที่ 600°C เป็นเวลา 10 ชั่วโมง ขณะที่ปล่อยให้เย็นตัวในเตาเผา

สถานการณ์รอยแตกร้าว: รอยแตกร้าวเกิดขึ้นตามแกนของท่อตรงกลาง มองเห็นได้จากขอบ และมีรอยแตกร้าวในทิศทางความหนาของผนังแนวรัศมี

2. การตรวจจับและการวิเคราะห์

2.1 การตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมี: ชิ้นงานท่อแนวแกนที่แตกและดับแล้วถูกสุ่มตัวอย่างโดยการตัดลวดบางส่วนเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบ องค์ประกอบทางเคมีของชิ้นงานสอดคล้องกับ GB/T3077–1999 “องค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าโครงสร้างโลหะผสม”

2.2 ผู้เชี่ยวชาญด้านการตรวจจับและวิเคราะห์โลหะวิทยา: นำตัวอย่างสองชิ้นของท่อแนวแกนที่ผ่านการชุบแข็งและอบคืนตัวแล้วมาวางตามแนวยาว ผ่านการอบด้วยไฟ (หุ้มฉนวนที่อุณหภูมิ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมง และปล่อยให้เย็นในเตาเผา) จากนั้นขัดด้วยกระดาษทรายและขัดเงาด้วยเครื่องขัดเงาโดยใช้กรดไนตริก 4% และแอลกอฮอล์ และสังเกตโครงสร้างโลหะวิทยา ตัวอย่างที่ 2 ถูกบดด้วยกระดาษทรายโดยตรง จากนั้นขัดและกัดกร่อน และสังเกตโครงสร้างโลหะวิทยา เมื่อเปรียบเทียบโครงสร้างโลหะวิทยาที่ตรวจพบกับ GBT 13299-1991 “วิธีการประเมินโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก” พบว่าโครงสร้างแบบแถบในตัวอย่างที่ 1 มีเกรด 3 ถึง 4 ซึ่งสีขาวคือเฟอร์ไรต์ยูเทคตอยด์ และสีเทาดำคือสีมุก พบว่าโครงสร้างแบบเพิร์ลไลต์มีสัดส่วนประมาณ 60% ซึ่งสูงกว่า โครงสร้างโลหะวิทยาของตัวอย่างที่ 2 คือ ทรอสต์ไทต์ที่ผ่านการอบคืนตัวและทรอสต์ไทต์ที่ผ่านการอบคืนตัวเล็กน้อย

3. การวิเคราะห์สาเหตุและวิธีแก้ไขการแตกร้าว

3.1 รูปทรงของรอยแตกร้าวและกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน: สังเกตรูปทรงของรอยแตกร้าวในท่อแนวแกน รอยแตกร้าวนี้เป็นรอยแตกร้าวตามยาว เกิดขึ้นตามแนวแกนและลึก แม้แต่รอยแตกร้าวยังแตกร้าวตามแนวรัศมีที่ขอบท่อแนวแกน สรุปได้ว่าแรงดึงที่ทำให้เกิดรอยแตกร้าวในท่อแนวแกนคือแรงดึงสัมผัสพื้นผิว ซึ่งเกิดจากแรงดึงโครงสร้างที่เกิดขึ้นในภายหลัง ในขณะเดียวกัน เนื่องจากวัสดุของท่อแนวแกนเป็นเหล็กกล้าโครงสร้างผสมคาร์บอนปานกลาง แรงดึงโครงสร้างจึงมีอิทธิพลอย่างมากในกระบวนการชุบแข็ง เกิดการเปลี่ยนสภาพแบบมาร์เทนไซต์และค่าความเป็นพลาสติกลดลงอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลานี้ แรงดึงโครงสร้างจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้แรงดึงที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของชิ้นงานจากแรงดึงภายในในการชุบแข็งมีค่ามากกว่าความแข็งแรงของเหล็กในระหว่างการหล่อเย็น ทำให้เกิดรอยแตกร้าว ซึ่งมักเกิดขึ้นในชิ้นส่วนที่ชุบแข็งอย่างสมบูรณ์ การเกิดรอยแตกร้าวดังกล่าวส่วนใหญ่เกิดจากแรงดึงโครงสร้างจำนวนมากที่เกิดจากกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม เนื่องจากอุณหภูมิในการชุบแข็งของท่อแกนอยู่ที่ 860-880 องศาเซลเซียส ซึ่งค่อนข้างสูง จึงถูกเติมลงในน้ำมันชุบแข็งที่อุณหภูมิ 40-60 องศาเซลเซียสอย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิทรานซิชัน Ms อุณหภูมิในการชุบแข็งจะสูง ความเครียดทางความร้อนมีมาก และเมื่อเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิทรานซิชัน MS อุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งจะค่อนข้างต่ำ และเวลาในการชุบแข็ง 10 นาทีค่อนข้างนาน ในระหว่างกระบวนการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว จะเกิดมาร์เทนไซต์มากขึ้น ปริมาตรจำเพาะที่แตกต่างกันของโครงสร้างต่างๆ ทำให้เกิดความเครียดของเนื้อเยื่อมากขึ้น ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกน

3.2 ความสม่ำเสมอของโครงสร้างวัตถุดิบ: จากการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาของตัวอย่างที่สกัดได้ 1 หลังจากการอบอ่อน (ฉนวนที่อุณหภูมิ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมง และการทำให้เย็นลงในเตาเผา) พบว่าท่อแกนที่มีรอยแตกยังคงมีแถบที่เห็นได้ชัดหลังจากการอบอ่อน การแยกตัวของเนื้อเยื่อคล้ายแถบบ่งชี้ว่าวัสดุทองแดงเองมีการแยกตัวของเนื้อเยื่อคล้ายแถบอย่างรุนแรงและโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอ การมีโครงสร้างคล้ายแถบจะเพิ่มแนวโน้มของการเกิดรอยแตกจากการชุบแข็งของชิ้นงาน งานวิจัยที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างคล้ายแถบในเหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำและคาร์บอนปานกลางหมายถึงโครงสร้างคล้ายแถบที่เกิดขึ้นตามทิศทางการรีดหรือทิศทางการตีขึ้นรูปของเหล็ก แถบที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์โพรยูเทคตอยด์เป็นหลัก และแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลักจะเรียงซ้อนกัน โครงสร้างหล่อเป็นโครงสร้างที่บกพร่องซึ่งมักพบในเหล็กกล้า เนื่องจากเหล็กกล้าหลอมเหลวจะตกผลึกอย่างเลือกเฟ้นในระหว่างกระบวนการตกผลึกของแท่งโลหะ ก่อให้เกิดโครงสร้างเดนไดรต์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ เดนไดรต์หยาบในแท่งโลหะจึงถูกยืดออกตามทิศทางการเสียรูปในระหว่างการรีดหรือการตีขึ้นรูป และค่อยๆ สอดคล้องกับทิศทางการเสียรูป ทำให้เกิดแถบคาร์บอนและธาตุผสมที่พร่องลง และแถบคาร์บอนและธาตุผสมที่พร่องลงเรียงซ้อนกันสลับกัน ภายใต้สภาวะเย็นตัวช้า แถบคาร์บอนและธาตุผสมที่พร่องลง (ออสเทไนต์ที่เย็นตัวเกินไปจะมีความเสถียรต่ำกว่า) จะตกตะกอนเฟอร์ไรต์โพรยูเทคตอยด์ และปล่อยคาร์บอนส่วนเกินไปยังโซนเสริมสมรรถนะทั้งสองด้าน จนในที่สุดก็เกิดโซนที่มีเฟอร์ไรต์เป็นส่วนใหญ่ นั่นคือโซนเสริมสมรรถนะคาร์บอนและธาตุผสม ซึ่งออสเทไนต์ที่เย็นตัวลงมากเกินไปจะมีความเสถียรมากกว่า หลังจากนั้น แถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลักจะก่อตัวขึ้น ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายแถบที่แถบเฟอร์ไรต์และแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลักสลับกัน โครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันของแถบที่อยู่ติดกันในโครงสร้างแถบของท่อแกน รวมถึงความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาและเกรดของโครงสร้างแถบ ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวและความแตกต่างของปริมาตรจำเพาะก่อนและหลังการเปลี่ยนเฟสเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนและการชุบแข็งของท่อแกน ส่งผลให้เกิดแรงเค้นโครงสร้างขนาดใหญ่ในที่สุดซึ่งจะเพิ่มการบิดเบี้ยวจากการชุบแข็งของท่อแกน หากกระบวนการชุบแข็งไม่ถูกต้อง โครงสร้างแถบมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวและการแตกร้าวจากการชุบแข็งมากขึ้น ทำให้ง่ายต่อการเกิดการแตกร้าวจากการชุบแข็ง

3.3 วิธีแก้ปัญหาและผลกระทบ: จากการวิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวของท่อแกนในระหว่างกระบวนการชุบแข็งข้างต้น เราได้ปรับปรุงกระบวนการอบชุบและกระบวนการชุบแข็ง โดยลดอุณหภูมิการชุบแข็งลงประมาณ 10°C และเพิ่มอุณหภูมิน้ำมันชุบแข็งเป็นประมาณ 90°C ขณะเดียวกัน ระยะเวลาที่ท่อแกนอยู่ในน้ำมันชุบแข็งก็สั้นลงเช่นกัน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าท่อแกนไม่แตกร้าวในระหว่างการชุบแข็ง จะเห็นได้ว่าสาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกนคือกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างคล้ายแถบในวัตถุดิบจะเพิ่มแนวโน้มการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกน แต่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็ง มีการทดสอบการปิดผนึกท่อแนวแกน และสามารถรักษาแรงดันที่เสถียรได้เป็นเวลา 10 นาทีที่แรงดัน 3,500 psi (เทียบเท่า 24 MPa) ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการปิดผนึกของเครื่องมือใต้หลุมเจาะอย่างครบถ้วน

4 บทสรุป

สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกนคือกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างคล้ายแถบในวัตถุดิบทำให้ท่อแกนมีแนวโน้มแตกร้าวจากการชุบแข็งมากขึ้น แต่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็ง หลังจากปรับปรุงกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน ท่อแกนไม่แตกร้าวอีกต่อไปในระหว่างการชุบแข็ง และเมื่อทำการทดสอบการปิดผนึกท่อแกน ความดันคงที่เป็นเวลา 10 นาทีที่แรงดัน 3500 psi (เทียบเท่า 24 MPa) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดการปิดผนึกของเครื่องมือในหลุมเจาะอย่างสมบูรณ์ เพื่อป้องกันไม่ให้ท่อแกนแตกร้าวในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง หมายเหตุ:

1) ควบคุมวัตถุดิบให้เหมาะสม ต้องมีโครงสร้างแถบวัตถุดิบ ≤3 ข้อบกพร่องต่างๆ ในวัตถุดิบ เช่น ความหลวม การแยกตัว การรวมตัวของอโลหะ ฯลฯ ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน และองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคต้องสม่ำเสมอ

2) ลดความเค้นจากการตัดเฉือน ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการป้อนในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อลดความเค้นตกค้างจากการตัดเฉือน หรือทำการอบคืนตัวหรือปรับสภาพก่อนการชุบแข็งเพื่อขจัดความเค้นจากการตัดเฉือน

3) เลือกกระบวนการชุบแข็งที่เหมาะสมเพื่อลดความเค้นโครงสร้างและความเค้นความร้อน ลดอุณหภูมิความร้อนในการชุบแข็งให้เหมาะสม และเพิ่มอุณหภูมิน้ำมันชุบแข็งให้อยู่ที่ประมาณ 90°C ขณะเดียวกัน ระยะเวลาที่ท่อแกนอยู่ในน้ำมันชุบแข็งก็สั้นลงเช่นกัน