Yeraltı petrol madenciliği aletleri, binlerce metre derinlikteki kuyularda, zorlu ortamlarda ve karmaşık stres koşullarında çalışır. Normalde, madencilik aletlerinin yalnızca çekme ve burulma-eğilme stresine değil, aynı zamanda güçlü sürtünme ve darbeye de dayanması gerekir. Aynı zamanda, aletler yüksek sıcaklıklara, yüksek basınca ve çevresel korozyona da dayanmalıdır.
Bu, yeraltı madencilik aletlerinin malzeme özelliklerinin mükemmel kapsamlı mekanik özelliklere sahip olmasını gerektirir; bu özellikler yalnızca yüksek mukavemet sağlamakla kalmayıp aynı zamanda mükemmel darbe tokluğu da sağlamalı ve aynı zamanda deniz suyu ve çamurun neden olduğu korozyona karşı dayanıklı 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 yapı çeliğidir ve ardından uygun ısıl işlem ve temperleme işlemlerinden geçirilerek mukavemet ve darbe tokluğu gereksinimlerini karşıladığından emin olunur. Bu makale, kuyu içi boru dizisi işleme sürecine odaklanmaktadır. 40CrMnMo çeliğinden yapılmış eksenel boru iş parçalarından biri su verilip temperlendiğinde, su verme işlemi sırasında birçok kez ciddi çatlaklar meydana gelmiş, bu da iş parçasının hurdaya ayrılmasına ve belirli ekonomik kayıplara yol açmıştır. Bu amaçla, su verme çatlaklarının nedenleri, eksenel boru malzemesinin kimyasal bileşimi, yapısı, ısıl işlem süreci ve çatlak morfolojisi açılarından analiz edilmiş ve iyileştirmeler ve önleyici tedbirler önerilmiştir.
1. Arızalı iş parçasının tanımı: Hammadde, φ200 mmx1 m çapında, 40CMnMo katı dövme çeliktir. İşlem akışı: kaba tornalama→delme ve delme (yaklaşık 20 mm et kalınlığına kadar)→söndürme→tavlama→son işlem. Eksenel boru iş parçasının dış hatları, yaklaşık 1 m uzunluğunda, φ200 mm çapında ve 20 mm et kalınlığında bir borudur.
Isıl işlem süreci: Önce kutu fırında yavaşça 500°C'ye ısıtın, ardından 860-880°C'lik söndürme sıcaklığına ulaşmak için tuz banyosu fırınına koyun. Tuz banyosu fırınındaki ısıtma süresi yaklaşık 30 dakikadır ve ardından yaklaşık 40-60°C'de söndürülür. Yaklaşık 10 dakika yağda söndürün. Çıkardıktan sonra kutu fırında temperleyin ve fırında soğurken 10 saat boyunca 600°C'de tutun.
Çatlak durumu: Çatlak, merkezi borunun ekseni boyunca gelişmektedir, kenardan görülebilmektedir ve radyal duvar kalınlığı yönünde çatlamıştır.
2. Tespit ve analiz
2.1 Kimyasal bileşim tespiti: Söndürülmüş çatlak eksenel boru iş parçası, bileşim analizi için kısmi tel kesme yöntemiyle örneklenmiştir. Kimyasal bileşimi, GB/T3077–1999 “Alaşımlı Yapısal Çeliklerin Kimyasal Bileşimi ve Mekanik Özellikleri” ile uyumludur.
2.2 Metalografik tespit ve analiz uzmanları: Söndürülmüş ve temperlenmiş eksenel borudan uzunlamasına iki numune alın, ateşe dayanıklı hale getirin (850 °C'de 15 saat yalıtın ve fırında soğutun), ardından zımpara kağıdı ile parlatın ve %4 nitrik asit ve alkol kullanarak bir parlatma makinesinde parlatın ve metalografik yapıyı inceleyin. Numune 2 doğrudan zımpara kağıdı ile zımparalandı ve daha sonra parlatılıp korozyona uğratıldı ve metalografik yapısı incelendi. Tespit edilen metalografik yapı GBT 13299-1991 “Çelik Mikro Yapısının Değerlendirilmesi Yöntemi” ile karşılaştırıldığında, numune 1'deki bantlı yapının 3 ila 4 dereceli olduğu, bunun beyazının ötektoid ferrit ve gri-siyahının sedefli olduğu bulundu. Perlit yapısı gövdenin yaklaşık %60'ını oluşturur ve bu daha yüksektir. Numune 2'nin metalografik yapısı temperlenmiş troostit ve az miktarda temperlenmiş troostittir.
3. Çatlakların nedenleri ve çözümlerinin analizi
3.1 Çatlak Şekli ve Isıl İşlem Süreci: Eksenel borudaki çatlağın şekline dikkat edin. Bu, uzunlamasına bir çatlaktır. Eksenel yönde oluşur ve çatlak derindir. Çatlağın, eksenel borunun kenarında radyal yönde çatladığı bile açıktır. Eksenel borunun çatlamasına neden olan gerilimin, daha sonraki yapısal gerilimden kaynaklanan yüzey teğetsel çekme gerilimi olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda, eksenel borunun malzemesi orta karbonlu alaşımlı yapı çeliği olduğundan, söndürme işlemi sırasında yapısal gerilim de baskın hale gelir. Martenzitik dönüşüm meydana gelir ve plastisite keskin bir şekilde azalır. Bu sırada yapısal gerilim keskin bir şekilde artar, böylece söndürme iç geriliminin iş parçasının yüzeyinde oluşturduğu çekme gerilimi, soğuma sırasında çeliğin dayanımını aşarak, genellikle tamamen söndürülmüş parçada oluşan çatlamaya neden olur. Bu tür çatlakların oluşumu, esas olarak uygunsuz söndürme işleminin neden olduğu büyük yapısal gerilimden kaynaklanır. Eksen borusunun söndürme ısıtma sıcaklığı nispeten yüksek olan 860-880℃ olduğundan, boru hızla 40-60℃'lik söndürme yağına konur. Sıcaklık Ms geçiş sıcaklığının üzerinde olduğunda, söndürme ısıtma sıcaklığı yükselir. Isıl gerilim yüksektir ve MS dönüşüm sıcaklığının altına soğutulduğunda söndürme yağı sıcaklığı nispeten düşük, 10 dakikalık söndürme süresi ise nispeten uzundur. Hızlı soğutma işlemi sırasında daha fazla martensit oluşur. Farklı yapıların farklı özgül hacimleri, daha fazla doku gerilimine neden olur ve bu da eksen borusunda söndürme çatlamasının nedenlerinden biridir.
3.2 Hammadde yapısının homojenliği: Tavlama işleminden (850°C'de 15 saat yalıtım ve fırında soğutma) sonra kesilen numune 1'in metalografik analizi yoluyla, çatlaklı eksenel borunun tavlamadan sonra hala belirgin bantlara sahip olduğu bulundu. Bant benzeri doku segregasyonunun varlığı, bakır malzemenin kendisinin ciddi bant benzeri doku segregasyonuna ve düzensiz bir yapıya sahip olduğunu gösterir. Bant benzeri bir yapının varlığı, iş parçasının söndürme çatlağı eğilimini artıracaktır. İlgili literatür, düşük ve orta karbonlu alaşımlı çelikteki bant benzeri yapının, çeliğin haddeleme veya dövme yönü boyunca oluşan bant benzeri yapıyı ifade ettiğini belirtmektedir. Çoğunlukla pro-ötektoid ferritten oluşan bantlar ve çoğunlukla perlitten oluşan bantlar birbirinin üzerine istiflenmiştir. Döküm yapısı, çelikte sıklıkla görülen kusurlu bir yapıdır. Erimiş çelik, külçe kristalleşme süreci sırasında seçici olarak kristalleşerek eşit olmayan dağılmış kimyasal bileşenlere sahip bir dendrit yapısı oluşturduğundan, külçedeki kaba dendritler haddeleme veya dövme sırasında deformasyon yönü boyunca uzar ve kademeli olarak deformasyon yönüyle tutarlı hale gelir. Böylece karbon ve alaşım elementlerinin tükenmiş bantları (şeritleri) ve birbirleriyle dönüşümlü olarak istiflenmiş tükenmiş bantlar oluşur. Yavaş soğuma koşulları altında, karbon ve alaşım elementlerinin tükenmiş bantları (aşırı soğutulmuş ostenit daha düşük kararlılığa sahiptir) ötektoid öncesi ferriti çökeltir ve fazla karbonu her iki taraftaki zenginleştirilmiş bölgelere boşaltarak sonunda ferritin hakim olduğu bir bölge oluşturur: karbon ve alaşım elementleriyle zenginleştirilmiş bir bölge, bunun aşırı soğutulmuş osteniti daha kararlıdır. Bundan sonra, esas olarak perlitten oluşan bir bant oluşur ve böylece esas olarak ferrit bantları ve perlit bantlarının birbirleriyle dönüşümlü olarak yer aldığı bant benzeri bir yapı oluşur. Eksenel borunun bantlı yapısındaki bitişik bantların farklı mikro yapıları ve bantlı yapının morfolojisi ve derecesindeki farklılıklar, eksenel borunun ısıl işlem ve söndürme işlemi sırasında genleşme katsayısının ve faz değişiminden önce ve sonra özgül hacim farkının artmasına neden olur. Bu da, büyük organizasyonel stresin, eksenel borunun söndürme deformasyonunu artırmasına yol açar. Söndürme işlemi uygunsuz yapılırsa, bant yapısının söndürme deformasyonuna ve çatlamaya neden olma eğilimi artacak ve bu da söndürme çatlağının oluşmasını kolaylaştıracaktır.
3.3 Çözümler ve etkiler: Eksenel borunun söndürme işlemi sırasında çatlamasının nedenlerinin yukarıdaki analizini kullanarak, öncelikle ısıl işlem ve söndürme işlemini iyileştirdik, söndürme sıcaklığını yaklaşık 10°C düşürdük ve söndürme yağı sıcaklığını yaklaşık 90°C'ye çıkardık. Aynı zamanda, eksenel borunun söndürme yağında kalma süresi de kısaldı. Sonuçlar, eksenel borunun söndürme sırasında çatlamadığını gösterdi. Eksenel borunun söndürme çatlağının ana nedeninin yanlış söndürme işlemi olduğu ve hammaddedeki bant benzeri yapının eksenel borunun söndürme çatlaması eğilimini artıracağı, ancak söndürme çatlağının ana nedeni olmadığı görülebilir. Eksenel boruda sızdırmazlık testi yapılmış ve 3500 psi (24 MPa'ya eşdeğer) basınçta 10 dakika boyunca sabit bir basıncın korunabildiği görülmüş olup, bu değer kuyu içi aletlerin sızdırmazlık gereksinimlerini tam olarak karşılamaktadır.
4 Sonuç
Eksenel boruda söndürme çatlamasının temel nedeni, uygunsuz söndürme işlemidir ve hammaddedeki bant benzeri yapı, eksenel borunun söndürme çatlaması eğilimini artırır, ancak söndürme çatlamasının temel nedeni değildir. Isıl işlem sürecinin iyileştirilmesinden sonra, eksenel boru söndürme sırasında artık çatlamaz hale geldi ve eksenel boru üzerinde sızdırmazlık testi yapıldığında, basınç 3500 psi'de (24 MPa'ya eşdeğer) 10 dakika boyunca sabitlenebildi; bu da kuyu içi aletlerin sızdırmazlık gerekliliklerini tamamen karşıladı. Eksenel borunun söndürme işlemi sırasında çatlamasını önlemek için, Not:
1) Hammaddelerin iyi kontrolünü sağlayın. Hammaddelerdeki bant yapısının ≤3 olması, hammaddelerdeki gevşeklik, segregasyon, metal dışı kalıntılar vb. gibi çeşitli kusurların standart gerekliliklerini karşılaması ve kimyasal bileşim ile mikro yapının homojen olması gerekmektedir.
2) İşleme stresini azaltın. İşleme kalıntı stresini azaltmak için makul miktarda ilerleme sağlayın veya işleme stresini ortadan kaldırmak için söndürmeden önce tavlama veya normalleştirme yapın.
3) Yapısal ve termal gerilimi azaltmak için makul bir söndürme işlemi seçin. Söndürme ısıtma sıcaklığını uygun şekilde düşürün ve söndürme yağı sıcaklığını yaklaşık 90°C'ye çıkarın. Aynı zamanda, eksen borusunun söndürme yağında kalma süresi de kısalır.
Gönderim zamanı: 28 Mayıs 2024