การวิเคราะห์และมาตรการป้องกันการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อเหล็กไร้รอยต่อ 40CrMnMo

เครื่องมือขุดเจาะน้ำมันใต้ดินทำงานในบ่อที่มีความลึกหลายพันเมตร ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสภาวะความเครียดที่ซับซ้อน โดยปกติแล้ว เครื่องมือขุดเจาะต้องทนทานต่อทั้งแรงดึง แรงบิด แรงเสียดทาน และแรงกระแทกที่รุนแรง ในขณะเดียวกัน เครื่องมือเหล่านี้ยังต้องทนต่ออุณหภูมิสูง ความดันสูง และการกัดกร่อนจากสิ่งแวดล้อมอีกด้วย

สิ่งนี้ต้องการคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมโดยรวมของเครื่องมือทำเหมืองใต้ดิน ซึ่งไม่เพียงแต่ต้องมีความแข็งแรงสูงเท่านั้น แต่ยังต้องมีความทนทานต่อแรงกระแทกที่ดีเยี่ยม และในขณะเดียวกันก็ต้องทนต่อการกัดกร่อนจากน้ำทะเลและโคลนด้วย เนื่องจากข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของสภาพการทำงานใต้ดิน วัสดุที่เลือกใช้สำหรับอุปกรณ์ใต้ดินมักจะเป็นเหล็กโครงสร้างอัลลอยที่มีองค์ประกอบที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น Cr และ Mo จากนั้นจึงผ่านกระบวนการอบชุบและอบคืนตัวที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจว่าตรงตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและความทนทานต่อแรงกระแทก บทความนี้มุ่งเน้นไปที่กระบวนการแปรรูปท่อใต้ดิน เมื่อชิ้นงานท่อแกนหนึ่งที่ทำจากเหล็ก 40CrMnMo ถูกชุบแข็งและอบคืนตัว พบว่าเกิดการแตกร้าวอย่างรุนแรงหลายครั้งในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง ส่งผลให้ชิ้นงานต้องถูกทิ้งและก่อให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจ ดังนั้น จึงได้วิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวจากการชุบแข็งจากแง่มุมขององค์ประกอบทางเคมี โครงสร้าง กระบวนการอบชุบ และลักษณะการแตกร้าวของวัสดุท่อแกน และได้เสนอแนวทางการปรับปรุงและมาตรการป้องกัน

1. รายละเอียดของชิ้นงานที่เสียหาย: วัตถุดิบเป็นเหล็กกล้า 40CMnMo แบบขึ้นรูปตัน มีเส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 มม. ยาว 1 ม. กระบวนการผลิต: การกลึงหยาบ → การเจาะและการคว้าน (จนได้ความหนาของผนังประมาณ 20 มม.) → การชุบแข็ง → การอบคืนตัว → การตกแต่งผิว ชิ้นงานท่อตามแนวแกนมีลักษณะเป็นท่อยาวประมาณ 1 ม. มีเส้นผ่านศูนย์กลาง φ200 มม. และความหนาของผนัง 20 มม.

กระบวนการอบชุบความร้อน: ขั้นแรกให้ค่อยๆ ให้ความร้อนจนถึง 500°C ในเตาอบแบบกล่อง จากนั้นนำไปใส่ในเตาอบแบบแช่เกลือเพื่อให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิการชุบแข็งที่ 860-880°C ระยะเวลาในการให้ความร้อนในเตาอบแบบแช่เกลือประมาณ 30 นาที แล้วจึงชุบแข็งที่อุณหภูมิประมาณ 40-60°C ชุบแข็งในน้ำมันประมาณ 10 นาที หลังจากนำออกมาแล้ว ให้ทำการอบคืนตัวในเตาอบแบบกล่องและคงอุณหภูมิไว้ที่ 600°C เป็นเวลา 10 ชั่วโมงในขณะที่ปล่อยให้เย็นตัวลงในเตาอบ

ลักษณะของรอยแตก: รอยแตกเกิดขึ้นตามแนวแกนของท่อกลาง มองเห็นได้จากขอบ และแตกในทิศทางความหนาของผนังในแนวรัศมี

2. การตรวจจับและการวิเคราะห์

2.1 การตรวจวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี: ชิ้นงานท่อแกนที่มีรอยแตกและผ่านการชุบแข็งแล้ว ถูกตัดเป็นชิ้นตัวอย่างโดยการตัดด้วยลวดบางส่วน เพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน GB/T3077–1999 “องค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้างอัลลอย”

2.2 ผู้เชี่ยวชาญด้านการตรวจสอบและวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา: นำตัวอย่างท่อเหล็กชุบแข็งและอบคืนตัวตามแนวยาวจำนวน 2 ตัวอย่าง มาอบด้วยความร้อน (อบที่อุณหภูมิ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมง แล้วปล่อยให้เย็นในเตาอบ) จากนั้นขัดด้วยกระดาษทรายและขัดเงาบนเครื่องขัดเงา โดยใช้กรดไนตริก 4% และแอลกอฮอล์ แล้วสังเกตโครงสร้างทางโลหะวิทยา ตัวอย่างที่ 2 ขัดด้วยกระดาษทรายโดยตรง จากนั้นขัดเงาและกัดกร่อน แล้วสังเกตโครงสร้างทางโลหะวิทยา เมื่อเปรียบเทียบโครงสร้างทางโลหะวิทยาที่ตรวจพบกับมาตรฐาน GBT 13299-1991 “วิธีการประเมินโครงสร้างจุลภาคของเหล็ก” พบว่าโครงสร้างแบบแถบในตัวอย่างที่ 1 เป็นเกรด 3 ถึง 4 โดยส่วนที่เป็นสีขาวคือเฟอร์ไรต์ยูเทคทอยด์ และส่วนที่เป็นสีเทา-ดำคือเพิร์ลไลต์ โครงสร้างเพิร์ลไลต์คิดเป็นประมาณ 60% ซึ่งสูงกว่า โครงสร้างทางโลหะวิทยาของตัวอย่างที่ 2 คือทรอสไทต์อบคืนตัว และมีทรอสไทต์อบคืนตัวในปริมาณเล็กน้อย

3. การวิเคราะห์สาเหตุและวิธีแก้ไขการแตกร้าว

3.1 รูปทรงของรอยแตกและกระบวนการอบชุบความร้อน: สังเกตรูปทรงของรอยแตกในท่อแกน พบว่าเป็นรอยแตกตามยาว เกิดขึ้นตามแนวแกนและรอยแตกค่อนข้างลึก เห็นได้ชัดว่ารอยแตกยังลามไปตามแนวรัศมีที่ขอบของท่อแกนด้วย สรุปได้ว่าความเค้นที่ทำให้เกิดรอยแตกในท่อแกนคือความเค้นดึงสัมผัสที่ผิว ซึ่งเกิดจากความเค้นโครงสร้างในภายหลัง ในขณะเดียวกัน เนื่องจากวัสดุของท่อแกนเป็นเหล็กโครงสร้างผสมคาร์บอนปานกลาง ความเค้นโครงสร้างจึงมีอิทธิพลเหนือกว่าในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบมาร์เทนไซต์และความยืดหยุ่นลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะนี้ ความเค้นโครงสร้างเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ความเค้นดึงที่เกิดขึ้นบนผิวชิ้นงานจากความเค้นภายในของการชุบแข็งเกินความแข็งแรงของเหล็กในระหว่างการเย็นตัว ส่งผลให้เกิดรอยแตก ซึ่งมักเกิดขึ้นในส่วนที่ชุบแข็งอย่างสมบูรณ์ การเกิดรอยแตกดังกล่าวส่วนใหญ่เกิดจากความเค้นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เกิดจากกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม เนื่องจากอุณหภูมิการให้ความร้อนเพื่อชุบแข็งของท่อแกนอยู่ที่ 860~880℃ ซึ่งค่อนข้างสูง จึงต้องนำไปแช่ในน้ำมันชุบแข็งที่อุณหภูมิ 40~60℃ อย่างรวดเร็ว เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะมาร์เทนไซต์ (MS) อุณหภูมิการให้ความร้อนเพื่อชุบแข็งจะสูง ทำให้เกิดความเค้นทางความร้อนสูง และเมื่อเย็นตัวลงต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะมาร์เทนไซต์ (MS) อุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งจะค่อนข้างต่ำ และเวลาในการชุบแข็ง 10 นาทีนั้นค่อนข้างนาน ในระหว่างกระบวนการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว จะเกิดมาร์เทนไซต์มากขึ้น ปริมาตรจำเพาะที่แตกต่างกันของโครงสร้างที่แตกต่างกันจะทำให้เกิดความเค้นในเนื้อเยื่อมากขึ้น ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งของการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกน

3.2 ความสม่ำเสมอของโครงสร้างวัตถุดิบ: จากการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาของตัวอย่างที่ 1 หลังจากการอบอ่อน (การอบที่อุณหภูมิ 850°C เป็นเวลา 15 ชั่วโมง และการทำให้เย็นลงในเตาอบ) พบว่าท่อแกนที่มีรอยแตกยังคงมีแถบที่เห็นได้ชัดเจนหลังจากการอบอ่อน การมีอยู่ของการแยกตัวของเนื้อเยื่อแบบแถบแสดงให้เห็นว่าวัสดุทองแดงเองมีการแยกตัวของเนื้อเยื่อแบบแถบอย่างรุนแรงและมีโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอ การมีอยู่ของโครงสร้างแบบแถบจะเพิ่มแนวโน้มของการแตกร้าวจากการชุบแข็งของชิ้นงาน เอกสารที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างแบบแถบในเหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำและปานกลางหมายถึงโครงสร้างแบบแถบที่เกิดขึ้นตามทิศทางการรีดหรือทิศทางการตีขึ้นรูปของเหล็ก แถบที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์แบบโปรยูเทคทอยด์เป็นหลักและแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลักจะเรียงซ้อนกัน โครงสร้างแบบหล่อเป็นโครงสร้างที่มีข้อบกพร่องที่มักปรากฏในเหล็ก เนื่องจากเหล็กหลอมเหลวจะตกผลึกแบบเลือกเฉพาะในระหว่างกระบวนการตกผลึกของแท่งโลหะ ทำให้เกิดโครงสร้างเดนไดรต์ที่มีส่วนประกอบทางเคมีกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ เดนไดรต์ขนาดใหญ่ในแท่งโลหะจึงยืดออกไปตามทิศทางการเสียรูปในระหว่างการรีดหรือการตีขึ้นรูป และค่อยๆ สอดคล้องกับทิศทางการเสียรูปมากขึ้น จึงเกิดเป็นแถบ (แถบย่อย) ของคาร์บอนและธาตุผสม และแถบย่อยที่เรียงสลับกันไป ภายใต้สภาวะการเย็นตัวอย่างช้าๆ แถบย่อยของคาร์บอนและธาตุผสม (ออสเทนไนต์ที่เย็นตัวเกินไปมีความเสถียรต่ำกว่า) จะตกตะกอนเฟอร์ไรต์แบบโปรยูเทคทอยด์ และปล่อยคาร์บอนส่วนเกินไปยังบริเวณที่อุดมด้วยธาตุผสมทั้งสองด้าน ในที่สุดจะเกิดเป็นบริเวณที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์เป็นหลัก: บริเวณที่อุดมด้วยคาร์บอนและธาตุผสม ซึ่งออสเทนไนต์ที่เย็นตัวเกินไปมีความเสถียรมากกว่า หลังจากนั้นจะเกิดเป็นแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์เป็นหลัก ทำให้เกิดโครงสร้างคล้ายแถบซึ่งแถบที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์เป็นหลักและแถบที่ประกอบด้วยเพิร์ลไลต์สลับกันไป โครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันของแถบที่อยู่ติดกันในโครงสร้างแบบแถบของท่อแกน รวมถึงความแตกต่างในรูปร่างและระดับของโครงสร้างแบบแถบ ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวและความแตกต่างของปริมาตรจำเพาะก่อนและหลังการเปลี่ยนแปลงเฟสเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการอบชุบและชุบแข็งของท่อแกน ส่งผลให้ความเค้นเชิงโครงสร้างขนาดใหญ่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวจากการชุบแข็งของท่อแกนในที่สุด หากกระบวนการชุบแข็งไม่เหมาะสม แนวโน้มของโครงสร้างแบบแถบที่จะทำให้เกิดการบิดเบี้ยวและการแตกร้าวจากการชุบแข็งก็จะเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการแตกร้าวจากการชุบแข็งได้ง่ายขึ้น

3.3 แนวทางแก้ไขและผลกระทบ: จากการวิเคราะห์สาเหตุของการแตกร้าวของท่อแกนระหว่างกระบวนการชุบแข็งข้างต้น เราได้ปรับปรุงกระบวนการอบชุบและการชุบแข็ง โดยลดอุณหภูมิการชุบแข็งลงประมาณ 10°C และเพิ่มอุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งเป็นประมาณ 90°C ในขณะเดียวกันก็ลดระยะเวลาที่ท่อแกนอยู่ในน้ำมันชุบแข็งลงด้วย ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าท่อแกนไม่แตกร้าวระหว่างการชุบแข็ง จะเห็นได้ว่าสาเหตุหลักของการแตกร้าวระหว่างการชุบแข็งของท่อแกนคือกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างแบบแถบในวัตถุดิบจะเพิ่มแนวโน้มการแตกร้าวระหว่างการชุบแข็งของท่อแกน แต่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแตกร้าวระหว่างการชุบแข็ง ได้ทำการทดสอบการปิดผนึกของท่อแกน และพบว่าสามารถรักษาแรงดันให้คงที่ได้นาน 10 นาที ที่แรงดัน 3500 psi (เทียบเท่า 24 MPa) ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการปิดผนึกของเครื่องมือที่ใช้ในหลุมเจาะอย่างครบถ้วน

4. บทสรุป

สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกนคือกระบวนการชุบแข็งที่ไม่เหมาะสม และโครงสร้างคล้ายแถบในวัตถุดิบจะเพิ่มแนวโน้มการแตกร้าวจากการชุบแข็งของท่อแกน แต่ไม่ใช่สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากการชุบแข็ง หลังจากปรับปรุงกระบวนการอบชุบความร้อนแล้ว ท่อแกนไม่แตกร้าวระหว่างการชุบแข็งอีกต่อไป และเมื่อทำการทดสอบการปิดผนึกของท่อแกน ความดันสามารถคงที่ได้นาน 10 นาทีที่ 3500 psi (เทียบเท่า 24 MPa) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดการปิดผนึกของเครื่องมือใต้ดินอย่างสมบูรณ์ เพื่อป้องกันไม่ให้ท่อแกนแตกร้าวระหว่างกระบวนการชุบแข็ง หมายเหตุ:

1) ควบคุมวัตถุดิบให้ดี ต้องมีโครงสร้างแถบในวัตถุดิบไม่เกิน 3 และข้อบกพร่องต่างๆ ในวัตถุดิบ เช่น ความหลวม การแยกตัว การเจือปนที่ไม่ใช่โลหะ ฯลฯ ต้องเป็นไปตามมาตรฐาน รวมถึงองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคต้องสม่ำเสมอ

2) ลดความเค้นจากการตัดเฉือน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอัตราการป้อนวัสดุอยู่ในระดับที่เหมาะสมเพื่อลดความเค้นตกค้างจากการตัดเฉือน หรือทำการอบคืนตัวหรือปรับสภาพก่อนการชุบแข็งเพื่อขจัดความเค้นจากการตัดเฉือน

3) เลือกกระบวนการชุบแข็งที่เหมาะสมเพื่อลดความเค้นทางโครงสร้างและความเค้นจากความร้อน ลดอุณหภูมิความร้อนในการชุบแข็งลงอย่างเหมาะสม และเพิ่มอุณหภูมิน้ำมันชุบแข็งให้สูงขึ้นประมาณ 90°C ในขณะเดียวกัน ก็ควรลดระยะเวลาที่ท่อแกนอยู่ในน้ำมันชุบแข็งลงด้วย