Các công cụ khai thác dầu khí ngầm hoạt động trong các giếng sâu hàng ngàn mét, trong môi trường khắc nghiệt và điều kiện ứng suất phức tạp. Thông thường, các công cụ khai thác không chỉ phải chịu được ứng suất kéo, ứng suất uốn xoắn mà còn phải chịu được ma sát và va đập mạnh. Đồng thời, các công cụ này cũng phải chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao và sự ăn mòn của môi trường.
Điều này đòi hỏi các đặc tính vật liệu của dụng cụ khai thác ngầm phải có các đặc tính cơ học toàn diện tuyệt vời, không chỉ đảm bảo độ bền cao mà còn phải đảm bảo độ bền va đập tuyệt vời, đồng thời có khả năng chống ăn mòn bởi nước biển và bùn. Do yêu cầu về hiệu suất của điều kiện làm việc dưới lòng đất, vật liệu được lựa chọn cho dụng cụ dưới lòng đất thường là thép kết cấu hợp kim có 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 bền va đập. Bài viết này tập trung vào quy trình gia công chuỗi ống dưới lòng đất. Khi một trong các phôi ống trục làm bằng thép 40CrMnMo được tôi và ram, các vết nứt nghiêm trọng đã xảy ra nhiều lần trong quá trình tôi, dẫn đến việc phôi bị loại bỏ và gây ra một số tổn thất kinh tế nhất định. Để đạt được mục đích này, nguyên nhân gây ra các 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, đồng thời đề xuất các cải tiến và biện pháp phòng ngừa.
1. Mô tả phôi bị lỗi: Nguyên liệu thô là thép rèn đặc 40CMnMo, đường kính φ200 mm x 1 m. Quy trình: tiện thô → khoan và doa (đến độ dày thành khoảng 20 mm) → tôi → ram → hoàn thiện. Hình dạng phôi ống trục là một ống dài khoảng 1 m, đường kính φ200 mm và độ dày thành 20 mm.
Quy trình xử lý nhiệt: Đầu tiên, nung chậm đến 500°C trong lò hộp, sau đó cho vào lò muối để nung đến nhiệt độ tôi 860~880°C. Thời gian nung trong lò 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 nứt theo hướng độ dày thành xuyên tâm.
2. Phát hiện và phân tích
2.1 Phát hiện thành phần hóa học: Phôi ống trục nứt đã tôi được lấy mẫu bằng cách cắt dây một phần để phân tích thành phần. Thành phần hóa học của nó tuân thủ GB/T3077–1999 “Thành phần hóa học và tính chất cơ học của thép kết cấu hợp kim”.
2.2 Các chuyên gia về phát hiện và phân tích kim loại học: Lấy hai mẫu ống trục đã tôi và ram theo chiều dọc, xử lý bằng lửa (cách 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 học. Mẫu 2 được mài trực tiếp bằng giấy nhám và sau đó được đánh bóng và ăn mòn, và cấu trúc kim loại học của nó đã được quan sát. So sánh cấu trúc kim loại học được phát hiện với GBT 13299-1991 “Phương pháp đánh giá cấu trúc vi mô của thép”, người ta thấy rằng cấu trúc dải trong mẫu 1 là loại 3 đến 4, trong đó màu trắng là ferit eutectoid và màu xám đen là xà cừ. cơ thể, cấu trúc perlit chiếm khoảng 60%, cao hơn. Cấu trúc kim loại học của mẫu 2 là troostite đã ram và một lượng nhỏ troostite đã ram.
3. Phân tích nguyên nhân nứt và giải pháp
3.1 Hình dạng vết nứt và quy trình xử lý nhiệt: Quan sát hình dạng vết nứt trên ống trục. Đây là vết nứt dọc. Nó xuất hiện dọc theo hướng trục và vết nứt sâu. Thậm chí có thể thấy rõ vết nứt đã nứt theo hướng xuyên tâm ở mép ống trục. Có thể kết luận rằng ứng suất gây ra vết nứt trên ống trục là ứng suất kéo tiếp tuyến bề mặt, do ứng suất kết cấu sau này gây ra. 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 martensitic xảy ra và độ dẻo giảm mạnh. Lúc này, ứng suất kết cấu tăng mạnh, do đó 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 nguội, gây ra vết nứt, thường xảy ra ở phần đã tôi hoàn toàn. Sự xuất hiện của các vết nứt như vậy chủ yếu là do ứng suất kết cấu lớn do quá trình tôi không đúng cách gây ra. Do nhiệt độ gia nhiệt tôi của ống trục là 860~880℃, tương đối cao, nên ống được đưa nhanh vào dầu tôi ở nhiệt độ 40~60℃. Khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển tiếp MS, nhiệt độ gia nhiệt tôi cao. Ứng suất nhiệt lớn, và khi làm nguội xuống dưới nhiệt độ chuyển tiếp MS, nhiệt độ dầu tôi tương đối thấp, thời gian tôi 10 phút tương đối dài. Trong quá trình làm nguội nhanh, martensite được tạo ra nhiều hơn. Thể tích riêng khác nhau của các cấu trúc khác nhau lại tạo ra ứng suất mô lớn hơn, đây là một trong những nguyên nhân gây nứt tôi của ống trục.
3.2 Tính đồng nhất của cấu trúc nguyên liệu: Qua phân tích kim loại học của mẫu bị chặn 1 sau khi ủ (cách nhiệt ở 850°C trong 15 giờ và làm nguội trong lò), người ta thấy rằng ống trục có vết nứt vẫn có các dải rõ ràng sau khi ủ. Sự tồn tại của sự phân chia mô dạng dải cho thấy bản thân vật liệu đồng có sự phân chia 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 nguội 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 thỏi để tạo thành cấu trúc dendrite với các thành phần hóa học phân bố không đều, nên các dendrite thô trong thỏi được kéo dài theo hướng biến dạng trong quá trình cán hoặc rèn và dần dần trở nên nhất quán với hướng biến dạng, do đó tạo thành các dải (dải) cacbon và các nguyên tố hợp kim cạn kiệt và các dải cạn kiệt xếp xen kẽ với nhau. Trong điều kiện làm nguội chậm, các dải cacbon và các nguyên tố hợp kim cạn kiệt (austenit quá nguội có độ ổn định thấp hơn) kết tủa ferit tiền eutectoid và thải cacbon dư thừa vào các vùng làm giàu ở cả hai bên, cuối cùng tạo thành một vùng do ferit chi phối: vùng làm giàu cacbon và nguyên tố hợp kim, có austenit quá nguội ổn định hơn. Sau đó, một dải chủ yếu bao gồm perlit được hình thành, do đó tạo thành cấu trúc giống dải trong đó các dải chủ yếu là ferit và các dải bao gồm perlit xen kẽ với nhau. 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, khiến hệ số giãn nở và chênh lệch thể tích riêng trước và sau khi thay đổi pha tăng lên trong quá trình xử lý nhiệt và làm nguội ống trục, dẫn đến ứng suất tổ chức lớn cuối cùng sẽ làm tăng biến dạng làm nguội của ống trục. Nếu quá trình làm nguội không đúng cách, xu hướng gây biến dạng làm nguội và nứt của cấu trúc dải sẽ tăng lên, khiến việc gây nứt làm nguội dễ dàng hơn.
3.3 Giải pháp và hiệu quả: Qua phân tích nguyên nhân gây nứt ống trục trong quá trình tôi ở trên, trước tiên chúng tôi cải thiện quá trình xử lý nhiệt và tôi, giảm nhiệt độ tôi khoảng 10°C và tăng nhiệt độ dầu tôi lên khoảng 90°C. Đồng thời, thời gian ống trục trong dầu tôi cũng được rút ngắn. Kết quả cho thấy ống trục không bị nứt trong quá trình tôi. Có thể thấy rằng nguyên nhân chính gây nứt ống trục là quá trình tôi không đúng cách và cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô sẽ làm tăng xu hướng nứt ống trục, nhưng nó không phải là nguyên nhân chính gây nứt ống tôi. Một thử nghiệm bịt 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 bịt kín của các dụng cụ giếng khoan.
4 Kết luận
Nguyên nhân chính gây nứt do tôi của ống trục là do quy trình tôi không đúng cách, và cấu trúc dạng dải trong nguyên liệu thô làm tăng xu hướng nứt do tôi của ống trục, nhưng không phải là nguyên nhân chính gây nứt do tôi. Sau khi cải tiến quy trình xử lý nhiệt, ống trục không còn nứt trong quá trình tôi nữa, và khi tiến hành thử nghiệm làm kín trên ống trục, áp suất có thể ổn định trong 10 phút ở mức 3500 psi (tương đương 24MPa), hoàn toàn đáp ứng yêu cầu làm kín của dụng cụ khoan giếng. Để ngăn ngừa ống trục bị nứt trong quá trình tôi, vui lòng 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 lỏng lẻo, tách lớp, tạp chất phi kim loại, v.v. phải đạt yêu cầu tiêu chuẩn, thành phần hóa học và cấu trúc vi mô phải đồng đều.
2) Giảm ứng suất gia công. Đảm bảo lượng cấp liệu hợp lý để giảm ứng suất dư gia công, hoặc thực hiện ram hoặc chuẩn hóa trước khi tôi để loại bỏ ứng suất gia công.
3) Chọn quy trình tôi hợp lý để giảm ứng suất kết cấu và ứng suất nhiệt. Hạ thấp nhiệt độ gia nhiệt tôi một cách thích hợp và tăng nhiệt độ dầu tôi lên khoảng 90°C. Đồng thời, rút ngắn thời gian lưu của ống trục trong dầu tôi.
Thời gian đăng: 28-05-2024