Các dụng cụ khai thác dầu khí dưới lòng đất hoạt động trong các giếng sâu hàng nghìn mét, trong môi trường khắc nghiệt và điều kiện ứng suất phức tạp. Thông thường, các dụng cụ khai thác không chỉ phải chịu được ứng suất kéo và ứng suất xoắn uốn, mà còn phải chịu được ma sát và va đập mạnh. Đồng thời, các dụng cụ này cũng phải chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao và sự ăn mòn do môi trường.
Điều này đòi hỏi các dụng cụ khai thác mỏ dưới lòng đất phải có các đặc tính cơ học tổng thể tuyệt vời, không chỉ phải đảm bảo độ bền cao mà còn phải đảm bảo độ dẻo dai va đập tuyệt vời, đồng thời phải chống ăn mòn bởi nước biển và bùn. Với các yêu cầu về hiệu suất của điều kiện làm việc dưới lòng đất, việc lựa chọn vật liệu cho các dụng cụ dưới lòng đất thường là thép kết cấu hợp kim chứa các nguyên tố chống ăn mòn như Cr và Mo, sau đó thông qua các quy trình xử lý nhiệt và ram thích hợp để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai va đập. Bài viết này tập trung vào quá trình gia công chuỗi ống dưới lòng đất. Khi một trong những chi tiết ống trục làm bằng thép 40CrMnMo được tôi và ram, hiện tượng nứt nghiêm trọng xảy ra nhiều lần trong quá trình tôi, dẫn đến việc phải loại bỏ chi tiết và gây ra tổn thất kinh tế nhất định. Vì vậy, các nguyên nhân gây ra vết nứt do tôi đã được phân tích từ các khía cạnh về thành phần hóa học, cấu trúc, quy trình xử lý nhiệt và hình thái vết nứt của vật liệu ống trục, và các biện pháp cải tiến và phòng ngừa đã được đề xuất.
1. Mô tả chi tiết bị lỗi: Nguyên liệu thô là thép đặc 40CMnMo có đường kính φ200 mm x 1 m. Quy trình gia công: tiện thô → khoan và doa (đến độ dày thành khoảng 20 mm) → tôi → ram → gia công tinh. Chi tiết ống trục có chiều dài khoảng 1 m, đường kính φ200 mm và độ dày thành 20 mm.
Quy trình xử lý nhiệt: Đầu tiên, nung nóng từ từ đến 500°C trong lò hộp, sau đó cho vào lò bể muối để nung nóng đến nhiệt độ tôi 860-880°C. Thời gian nung trong lò bể muối khoảng 30 phút, sau đó tôi ở nhiệt độ khoảng 40-60°C. Tôi trong dầu khoảng 10 phút. Sau khi lấy ra, tôi trong lò hộp và giữ ở 600°C trong 10 giờ đồng thời làm nguội trong lò.
Tình trạng nứt: Vết nứt phát triển dọc theo trục của ống trung tâm, có thể nhìn thấy từ mép và đã nứt theo hướng độ dày thành ống xuyên tâm.
2. Phát hiện và phân tích
2.1 Xác định thành phần hóa học: Mẫu ống trục bị nứt sau khi tôi được lấy bằng phương pháp cắt dây một phần để phân tích thành phần. Thành phần hóa học của nó phù hợp với tiêu chuẩn GB/T3077–1999 “Thành phần hóa học và tính chất cơ học của thép kết cấu hợp kim”.
2.2 Chuyên gia về phát hiện và phân tích cấu trúc kim loại: Lấy hai mẫu ống trục đã tôi và ram theo chiều dọc, xử lý bằng lửa (giữ nhiệt ở 850°C trong 15 giờ và làm nguội trong lò), sau đó đánh bóng bằng giấy nhám và đánh bóng trên máy đánh bóng, sử dụng axit nitric 4% và cồn, và quan sát cấu trúc kim loại. Mẫu 2 được mài trực tiếp bằng giấy nhám rồi đánh bóng và ăn mòn, và cấu trúc kim loại của nó được quan sát. So sánh cấu trúc kim loại được phát hiện với tiêu chuẩn GBT 13299-1991 “Phương pháp đánh giá cấu trúc vi mô của thép”, người ta thấy rằng cấu trúc dạng dải trong mẫu 1 là cấp 3 đến 4, trong đó màu trắng là ferit eutectoid và màu xám đen là perlit, cấu trúc perlit chiếm khoảng 60%, cao hơn. Cấu trúc kim loại của mẫu 2 là troostit ram và một lượng nhỏ troostit ram.
3. Phân tích nguyên nhân gây nứt và các giải pháp
3.1 Hình dạng vết nứt và quá trình xử lý nhiệt: Quan sát hình dạng vết nứt trong ống trục. Đó là vết nứt dọc. Vết nứt xuất hiện dọc theo hướng trục và khá sâu. Thậm chí còn thấy rõ vết nứt lan rộng theo hướng xuyên tâm ở mép ống trục. Từ đó kết luận rằng ứng suất gây ra hiện tượng nứt ống trục là ứng suất kéo tiếp tuyến bề mặt, gây ra bởi ứng suất kết cấu sau đó. Đồng thời, do vật liệu của ống trục là thép kết cấu hợp kim cacbon trung bình, nên ứng suất kết cấu cũng chiếm ưu thế trong quá trình tôi. Biến đổi mactenxit xảy ra và độ dẻo giảm mạnh. Lúc này, ứng suất kết cấu tăng mạnh, khiến ứng suất kéo hình thành trên bề mặt phôi do ứng suất bên trong khi tôi vượt quá độ bền của thép trong quá trình làm nguội, gây ra hiện tượng nứt, thường xảy ra ở phần được tôi hoàn toàn. Sự xuất hiện của các vết nứt như vậy chủ yếu là do ứng suất kết cấu lớn gây ra bởi quá trình tôi không đúng cách. Do nhiệt độ nung tôi của ống trục là 860~880℃, khá cao, nên nó được nhanh chóng đưa vào dầu tôi ở nhiệt độ 40~60℃. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha MS, nhiệt độ nung tôi cao, ứng suất nhiệt lớn. Ngược lại, khi làm nguội xuống dưới nhiệt độ chuyển pha MS, nhiệt độ dầu tôi tương đối thấp, và thời gian tôi 10 phút tương đối dài. Trong quá trình làm nguội nhanh, lượng mactenxit được tạo ra nhiều hơn. Thể tích riêng khác nhau của các cấu trúc khác nhau, từ đó tạo ra ứng suất mô lớn hơn, đây là một trong những nguyên nhân gây ra nứt tôi ở ống trục.
3.2 Tính đồng nhất của cấu trúc nguyên liệu thô: Thông qua phân tích cấu trúc kim loại của mẫu 1 sau khi ủ (giữ nhiệt ở 850°C trong 15 giờ và làm nguội trong lò), người ta thấy rằng ống trục có vết nứt vẫn còn các dải rõ ràng sau khi ủ. Sự tồn tại của sự phân bố mô dạng dải cho thấy bản thân vật liệu đồng có sự phân bố mô dạng dải nghiêm trọng và cấu trúc không đồng đều. Sự tồn tại của cấu trúc dạng dải sẽ làm tăng xu hướng nứt do tôi của phôi. Các tài liệu liên quan chỉ ra rằng cấu trúc dạng dải trong thép hợp kim cacbon thấp và trung bình đề cập đến cấu trúc dạng dải được hình thành dọc theo hướng cán hoặc hướng rèn của thép. Các dải chủ yếu bao gồm ferit tiền eutectoid và các dải chủ yếu bao gồm perlit được xếp chồng lên nhau. Cấu trúc đúc là một cấu trúc khuyết tật thường xuất hiện trong thép. Do thép nóng chảy kết tinh chọn lọc trong quá trình kết tinh phôi để tạo thành cấu trúc dạng nhánh cây với các thành phần hóa học phân bố không đồng đều, các nhánh cây thô trong phôi bị kéo dài dọc theo hướng biến dạng trong quá trình cán hoặc rèn và dần dần trở nên đồng nhất với hướng biến dạng, do đó tạo thành các dải (vạch) cacbon và các nguyên tố hợp kim bị suy giảm và các dải bị suy giảm xếp chồng lên nhau xen kẽ. Trong điều kiện làm nguội chậm, các dải cacbon và các nguyên tố hợp kim bị suy giảm (austenit quá nguội có độ ổn định thấp hơn) kết tủa ferit tiền eutectoid và thải lượng cacbon dư thừa vào các vùng giàu ở cả hai bên, cuối cùng tạo thành một vùng chủ yếu là ferit: một vùng giàu cacbon và các nguyên tố hợp kim, trong đó austenit quá nguội ổn định hơn. Sau đó, một dải chủ yếu gồm perlit được hình thành, do đó tạo thành cấu trúc dạng dải trong đó các dải chủ yếu là ferit và các dải gồm perlit xen kẽ với nhau. Các cấu trúc vi mô khác nhau của các dải liền kề trong cấu trúc dải của ống trục, cũng như sự khác biệt về hình thái và cấp độ của cấu trúc dải, làm cho hệ số giãn nở và sự khác biệt về thể tích riêng trước và sau khi chuyển pha tăng lên trong quá trình xử lý nhiệt và tôi luyện ống trục, dẫn đến ứng suất tổ chức lớn cuối cùng sẽ làm tăng biến dạng tôi luyện của ống trục. Nếu quá trình tôi luyện không đúng cách, xu hướng biến dạng và nứt do tôi luyện của cấu trúc dải sẽ tăng lên, làm tăng nguy cơ gây ra nứt do tôi luyện.
3.3 Giải pháp và hiệu quả: Thông qua phân tích nguyên nhân gây nứt ống trục trong quá trình tôi luyện ở trên, trước tiên chúng tôi đã cải tiến quy trình xử lý nhiệt và tôi luyện, giảm nhiệt độ tôi luyện khoảng 10°C và tăng nhiệt độ dầu tôi luyện lên khoảng 90°C. Đồng thời, thời gian ống trục ngâm trong dầu tôi luyện cũng được rút ngắn. Kết quả cho thấy ống trục không bị nứt trong quá trình tôi luyện. Có thể thấy rằng nguyên nhân chính gây nứt tôi luyện ống trục là do quy trình tôi luyện không đúng cách, và cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô sẽ làm tăng xu hướng nứt tôi luyện ống trục, nhưng đó không phải là nguyên nhân chính gây nứt tôi luyện. Một thử nghiệm làm kín đã được tiến hành trên ống trục, và nó có thể duy trì áp suất ổn định trong 10 phút ở áp suất 3500 psi (tương đương 24 MPa), đáp ứng đầy đủ các yêu cầu làm kín của dụng cụ giếng khoan.
4. Kết luận
Nguyên nhân chính gây nứt do tôi luyện ống trục là do quy trình tôi luyện không đúng cách, và cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô làm tăng xu hướng nứt do tôi luyện của ống trục, nhưng đó không phải là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này. Sau khi cải thiện quy trình xử lý nhiệt, ống trục không còn bị nứt trong quá trình tôi luyện, và khi tiến hành thử nghiệm độ kín trên ống trục, áp suất có thể ổn định trong 10 phút ở mức 3500 psi (tương đương 24MPa), hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về độ kín của dụng cụ khoan giếng. Để ngăn ngừa hiện tượng nứt ống trục trong quá trình tôi luyện, Lưu ý:
1) Kiểm soát tốt nguyên liệu thô. Yêu cầu cấu trúc dải trong nguyên liệu thô phải ≤3, các khuyết tật khác nhau trong nguyên liệu thô như độ tơi xốp, sự phân tách, tạp chất phi kim loại, v.v. phải đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn, và thành phần hóa học cũng như cấu trúc vi mô phải đồng nhất.
2) Giảm ứng suất gia công. Đảm bảo lượng tiến dao hợp lý để giảm ứng suất dư gia công, hoặc thực hiện tôi luyện hoặc chuẩn hóa trước khi làm nguội để loại bỏ ứng suất gia công.
3) Chọn quy trình tôi luyện hợp lý để giảm ứng suất kết cấu và ứng suất nhiệt. Giảm nhiệt độ nung tôi luyện một cách thích hợp và tăng nhiệt độ dầu tôi luyện lên khoảng 90°C. Đồng thời, rút ngắn thời gian lưu của ống trục trong dầu tôi luyện.
Thời gian đăng bài: 28 tháng 5 năm 2024