Yeraltı petrol arama ekipmanları, binlerce metre derinlikteki kuyularda, zorlu ortamlarda ve karmaşık gerilme koşullarında çalışır. Normalde, bu ekipmanlar sadece çekme ve burulma gerilmesine değil, aynı zamanda güçlü sürtünme ve darbelere de dayanmak zorundadır. Aynı zamanda, yüksek sıcaklıklara, yüksek basınca ve çevresel korozyona da dayanıklı olmaları gerekir.
Bu durum, yeraltı madencilik aletlerinin malzeme özelliklerinin mükemmel kapsamlı mekanik özelliklere sahip olmasını gerektirir; bu özellikler sadece yüksek mukavemeti değil, aynı zamanda mükemmel darbe dayanıklılığını da sağlamalı ve aynı zamanda deniz suyu ve çamur korozyonuna karşı dirençli olmalıdır. Kuyu içi çalışma koşullarının performans gereksinimleri göz önüne alındığında, kuyu içi aletlerin malzeme seçimi genellikle Cr ve Mo gibi korozyona dayanıklı elementler içeren alaşımlı yapısal çelikten yapılır ve daha sonra uygun ısıl işlem ve temperleme süreçleri ile mukavemet ve darbe dayanıklılığı gereksinimlerini karşılaması sağlanır. Bu makale, kuyu içi boru dizisi işleme sürecine odaklanmaktadır. 40CrMnMo çeliğinden yapılmış eksenel boru iş parçalarından birinin su verme ve temperleme işleminde, su verme işlemi sırasında birçok kez ciddi çatlaklar meydana gelmiş, bu da iş parçasının hurdaya çıkarılmasına ve belirli ekonomik kayıplara neden olmuştur. Bu amaçla, su verme çatlaklarının nedenleri, eksenel boru malzemesinin kimyasal bileşimi, yapısı, ısıl işlem süreci ve çatlak morfolojisi yönlerinden analiz edilmiş ve iyileştirme ve önleyici tedbirler önerilmiştir.
1. Başarısız iş parçasının tanımı: Ham madde, çapı φ200 mm x 1 m olan 40CMnMo çelik katı dövme malzemedir. İşlem akışı: kaba tornalama → delme ve delik açma (yaklaşık 20 mm duvar kalınlığına kadar) → su verme → temperleme → son işlem. Eksenel boru iş parçasının ana hatları, yaklaşık 1 m uzunluğunda, φ200 mm çapında ve 20 mm duvar kalınlığında bir borudur.
Isıl işlem süreci: Öncelikle kutu fırında yavaşça 500°C'ye ısıtılır, ardından tuz banyosu fırınına alınarak 860-880°C'lik soğutma sıcaklığına kadar ısıtılır. Tuz banyosu fırınında ısıtma süresi yaklaşık 30 dakikadır ve daha sonra yaklaşık 40-60°C'de soğutulur. Yaklaşık 10 dakika yağda soğutulur. Çıkarıldıktan sonra, kutu fırında tavlama işlemi yapılır ve fırın içinde soğurken 10 saat boyunca 600°C'de tutulur.
Çatlak durumu: Çatlak, merkezi borunun ekseni boyunca gelişmiş, kenardan görülebiliyor ve radyal duvar kalınlığı yönünde çatlamış durumda.
2. Tespit ve analiz
2.1 Kimyasal bileşim tespiti: Sertleştirilmiş çatlaklı eksenel boru iş parçasından, bileşim analizi için kısmi tel kesme yöntemiyle numune alındı. Kimyasal bileşimi, GB/T3077–1999 “Alaşımlı Yapısal Çeliğin Kimyasal Bileşimi ve Mekanik Özellikleri” standardına uygundur.
2.2 Metalografik tespit ve analiz uzmanları: Su verilmiş ve temperlenmiş eksenel borunun iki numunesi uzunlamasına alınarak, ateş işlemine tabi tutuldu (850°C'de 15 saat süreyle yalıtıldı ve fırında soğutuldu), ardından zımpara kağıdı ile parlatıldı ve parlatma makinesinde parlatıldı, %4 nitrik asit ve alkol kullanılarak metalografik yapısı gözlemlendi. Numune 2 doğrudan zımpara kağıdı ile zımparalandı, ardından parlatıldı ve korozyona uğratıldı ve metalografik yapısı gözlemlendi. Tespit edilen metalografik yapı, GBT 13299-1991 “Çeliğin Mikro Yapısının Değerlendirilmesi Yöntemi” ile karşılaştırıldığında, numune 1'deki bantlı yapının 3 ila 4. derece olduğu, beyaz kısmın ötektik ferrit ve gri-siyah kısmın sedefli gövde olduğu, perlit yapısının yaklaşık %60 oranında daha yüksek olduğu bulundu. Numune 2'nin metalografik yapısı temperlenmiş troostit ve az miktarda temperlenmiş troostittir.
3. Çatlakların nedenlerinin ve çözümlerinin analizi
3.1 Çatlak şekli ve ısıl işlem süreci: Eksenel borudaki çatlağın şeklini inceleyin. Boyuna bir çatlaktır. Eksenel doğrultu boyunca oluşur ve çatlak derindir. Eksenel borunun kenarında radyal doğrultu boyunca çatlak oluştuğu da açıktır. Eksenel borunun çatlamasına neden olan gerilmenin, daha sonraki yapısal gerilmeden kaynaklanan yüzey teğetsel çekme gerilmesi olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda, eksenel borunun malzemesi orta karbon alaşımlı yapısal çelik olduğundan, su verme işlemi sırasında yapısal gerilme de baskındır. Martensitik dönüşüm meydana gelir ve plastiklik keskin bir şekilde azalır. Bu sırada, yapısal gerilme keskin bir şekilde artar, böylece su verme iç gerilmesiyle iş parçasının yüzeyinde oluşan çekme gerilmesi, soğutma sırasında çeliğin dayanımını aşarak çatlamaya neden olur; bu durum genellikle tamamen su verilmiş kısımlarda görülür. Bu tür çatlakların oluşmasının temel nedeni, uygunsuz su verme işleminden kaynaklanan büyük yapısal gerilmedir. Eksen borusunun sertleştirme ısıtma sıcaklığı 860~880℃ gibi nispeten yüksek olduğundan, 40~60℃'lik sertleştirme yağına hızla daldırılır. Sıcaklık Ms geçiş sıcaklığının üzerinde olduğunda, sertleştirme ısıtma sıcaklığı yüksektir. Termal gerilim büyüktür ve MS dönüşüm sıcaklığının altına soğutulduğunda, sertleştirme yağı sıcaklığı nispeten düşüktür ve 10 dakikalık sertleştirme süresi nispeten uzundur. Hızlı soğutma işlemi sırasında daha fazla martensit oluşur. Farklı yapıların farklı özgül hacimleri, sırasıyla daha büyük doku gerilimine neden olur ve bu da eksen borusunun sertleştirme çatlamasının nedenlerinden biridir.
3.2 Hammadde yapısının homojenliği: Tavlama işleminden sonra (850°C'de 15 saat yalıtım ve fırında soğutma) kesilen numune 1'in metalografik analizi sonucunda, çatlaklı eksenel borunun tavlama işleminden sonra bile belirgin bantlar içerdiği tespit edilmiştir. Bant benzeri doku ayrışmasının varlığı, bakır malzemenin kendisinin ciddi bant benzeri doku ayrışmasına ve düzensiz bir yapıya sahip olduğunu göstermektedir. Bant benzeri yapının varlığı, iş parçasının sertleştirme çatlaması eğilimini artıracaktır. İlgili literatür, düşük ve orta karbonlu alaşımlı çeliklerdeki bant benzeri yapının, çeliğin haddeleme veya dövme yönü boyunca oluşan bant benzeri yapıyı ifade ettiğini belirtmektedir. Esas olarak ötektik öncesi ferritten oluşan bantlar ve esas olarak perlitten oluşan bantlar birbirinin üzerine yığılmıştır. Döküm yapısı, çelikte sıklıkla görülen kusurlu bir yapıdır. Erimiş çelik, külçe kristalleşme sürecinde seçici olarak kristalleşerek düzensiz dağılmış kimyasal bileşenlere sahip dendritik bir yapı oluşturduğundan, külçedeki iri dendritler haddeleme veya dövme sırasında deformasyon yönü boyunca uzar ve kademeli olarak deformasyon yönüyle tutarlı hale gelir, böylece karbon ve alaşım elementlerinden oluşan tükenmiş bantlar (şeritler) ve birbirleriyle dönüşümlü olarak istiflenmiş tükenmiş bantlar oluşur. Yavaş soğutma koşullarında, karbon ve alaşım elementlerinden oluşan tükenmiş bantlar (aşırı soğutulmuş östenit daha düşük kararlılığa sahiptir) ötektik öncesi ferrit çökeltir ve fazla karbonu her iki taraftaki zenginleştirilmiş bölgelere boşaltır, sonunda ferritin hakim olduğu bir bölge oluşturur: aşırı soğutulmuş östenitin daha kararlı olduğu karbon ve alaşım elementi açısından zenginleştirilmiş bir bölge. Bundan sonra, esas olarak perlitten oluşan bir bant oluşur, böylece esas olarak ferrit bantlarının ve perlitten oluşan bantların birbirleriyle dönüşümlü olarak yer aldığı bant benzeri bir yapı oluşur. Eksenel borunun bantlı yapısındaki bitişik bantların farklı mikro yapıları, ayrıca bantlı yapının morfolojisi ve kalitesindeki farklılıklar, eksenel borunun ısıl işlem ve su verme sürecinde genleşme katsayısının ve faz değişiminden önce ve sonraki özgül hacim farkının artmasına neden olur; bu da büyük organizasyonel gerilime ve sonuç olarak eksenel borunun su verme deformasyonunun artmasına yol açar. Su verme işlemi uygunsuz yapılırsa, bant yapısının su verme deformasyonuna ve çatlamasına neden olma eğilimi artar ve su verme çatlamasına neden olma olasılığı daha da yükselir.
3.3 Çözümler ve etkiler: Eksenel borunun sertleştirme işlemi sırasında çatlamasının nedenlerinin yukarıdaki analizinden yola çıkarak, öncelikle ısıl işlem ve sertleştirme işlemini iyileştirdik; sertleştirme sıcaklığını yaklaşık 10°C düşürdük ve sertleştirme yağı sıcaklığını yaklaşık 90°C'ye çıkardık. Aynı zamanda, eksenel borunun sertleştirme yağında kalma süresini de kısalttık. Sonuçlar, eksenel borunun sertleştirme sırasında çatlamadığını gösterdi. Eksenel borunun sertleştirme çatlamasının ana nedeninin uygunsuz bir sertleştirme işlemi olduğu ve ham maddedeki bant benzeri yapının eksenel borunun sertleştirme çatlama eğilimini artıracağı, ancak sertleştirme çatlamasının ana nedeni olmadığı görülmektedir. Eksenel boru üzerinde bir sızdırmazlık testi yapıldı ve borunun 3500 psi (24 MPa'ya eşdeğer) basınçta 10 dakika boyunca sabit bir basıncı koruyabildiği görüldü; bu da kuyu içi aletlerin sızdırmazlık gereksinimlerini tamamen karşılamaktadır.
4. Sonuç
Eksenel borunun sertleştirme çatlamasının ana nedeni uygunsuz sertleştirme işlemidir ve ham maddedeki bant benzeri yapı, eksenel borunun sertleştirme çatlama eğilimini artırır, ancak sertleştirme çatlamasının ana nedeni değildir. Isıl işlem süreci iyileştirildikten sonra, eksenel boru artık sertleştirme sırasında çatlamaz ve eksenel boru üzerinde sızdırmazlık testi yapıldığında, basınç 10 dakika boyunca 3500 psi'de (24 MPa'ya eşdeğer) sabitlenebilir, bu da kuyu içi aletlerin sızdırmazlık gereksinimlerini tamamen karşılar. Sertleştirme işlemi sırasında eksenel borunun çatlamasını önlemek için, Not:
1) Hammaddelerin kontrolü iyi sağlanmalıdır. Hammaddelerdeki bant yapısının ≤3 olması, gevşeklik, ayrışma, metalik olmayan kalıntılar vb. gibi çeşitli kusurların standart gereklilikleri karşılaması ve kimyasal bileşim ile mikro yapının homojen olması gerekmektedir.
2) İşleme gerilimini azaltın. İşleme artık gerilimini azaltmak için makul bir ilerleme hızı sağlayın veya işleme gerilimini ortadan kaldırmak için su vermeden önce temperleme veya normalleştirme işlemi uygulayın.
3) Yapısal gerilimi ve termal gerilimi azaltmak için makul bir soğutma işlemi seçin. Soğutma ısıtma sıcaklığını uygun şekilde düşürün ve soğutma yağı sıcaklığını yaklaşık 90°C'ye yükseltin. Aynı zamanda, eksen borusunun soğutma yağındaki kalış süresini de kısaltın.
Yayın tarihi: 28 Mayıs 2024