Análisis de las causas del agrietamiento durante el enfriamiento de tubos de acero sin costura 40CrMnMo y medidas preventivas

Las herramientas subterráneas de extracción de petróleo trabajan en pozos a miles de metros de profundidad, con entornos hostiles y condiciones complejas de estrés. En circunstancias normales, las herramientas de extracción no solo deben soportar la tensión de tracción y la tensión de flexión torsional, sino que también deben soportar una fuerte fricción e impacto. Al mismo tiempo, las herramientas también deben soportar altas temperaturas, alta presión y corrosión ambiental.

Esto requiere que las propiedades del material de las herramientas de minería subterránea tengan excelentes propiedades mecánicas integrales, no solo para garantizar una alta resistencia, sino también para garantizar una excelente resistencia al impacto y, al mismo tiempo, para resistir la corrosión del agua de mar y el barro. Dados los requisitos de rendimiento de las condiciones de trabajo subterráneas, la selección del material de las herramientas subterráneas suele ser una aleación de acero estructural que contiene elementos resistentes a la corrosión como Cr y Mo, y luego se utilizan los procesos apropiados de templado y templado del tratamiento térmico para garantizar que cumpla con los requisitos de resistencia y resistencia al impacto. Este artículo se centra en el enfriamiento y el templado de una de las piezas de trabajo de tubo axial hechas de acero 40CrMnMo durante el procesamiento de cadenas de tubos subterráneos. El agrietamiento severo ocurrió muchas veces durante el proceso de enfriamiento, lo que resultó en el desguace de la pieza de trabajo y ciertas pérdidas económicas. Con este fin, se analizaron las causas de las grietas de enfriamiento desde los aspectos de la composición química, la organización, el proceso de tratamiento térmico y la morfología de la grieta del material del tubo del eje, y se propusieron medidas de mejora y prevención.

1. Descripción de la pieza de trabajo fallida
La materia prima es material de forja sólido de acero 40CMnMo con un tamaño de φ200 mmx1 m. Flujo de proceso: torneado en bruto → perforación y taladrado (a un espesor de pared de aproximadamente 20mm) → enfriamiento → templado → torneado fino. Las dimensiones externas de la pieza de trabajo del tubo del eje: son un tubo con una longitud de aproximadamente 1m, un diámetro de φ 200mm y un espesor de pared de 20mm.
Proceso de tratamiento térmico: primero calentarlo lentamente a 500 ℃ en un horno de caja, luego ponerlo en un horno de baño de sal y calentarlo a una temperatura de enfriamiento de 860 ~ 880 ℃. El tiempo de calentamiento en el horno de baño de sal es de aproximadamente 30 minutos, y luego lo apaga en un aceite de enfriamiento a aproximadamente 40-60 ℃ durante aproximadamente 10 minutos. Después de sacarlo, templarlo en un horno de caja, mantenerlo a 600 ℃ durante 10h y enfriarlo con el horno.
Agrietamiento: la grieta se desarrolla a lo largo del eje del tubo central, que es visible desde el borde y se ha agrietado en la dirección del espesor de la pared radial.

2. Análisis de causas y soluciones de craqueo
2,1 Forma de grieta y proceso de tratamiento térmico
Observando la forma de la grieta en el tubo axial, es una grieta longitudinal. Ocurre a lo largo de la dirección axial y la grieta es profunda. Incluso se puede ver en el borde del tubo axial que la grieta se ha agrietado en la dirección radial. Se concluye que la tensión que causa el agrietamiento del tubo axial es la tensión de tracción tangencial superficial, que es causada por la tensión organizativa posterior. Al mismo tiempo, dado que el material del tubo axial es acero estructural de aleación de carbono medio, el estrés organizativo también es el factor dominante durante el proceso de enfriamiento. Cuando se produce la transformación martensítica, la plasticidad disminuye bruscamente, y en este momento la tensión organizativa aumenta bruscamente, de modo que la tensión de tracción formada por la tensión interna de enfriamiento en la superficie de la pieza de trabajo excede la resistencia del acero durante el enfriamiento, causando grietas, que a menudo ocurre en todas las partes endurecidas. Este tipo de grieta se produce principalmente debido al gran estrés organizacional causado por procesos de enfriamiento inadecuados. Dado que la temperatura de calentamiento del tubo del eje es de 860 ~ 880 ℃, la temperatura es relativamente alta, y luego se coloca rápidamente en el aceite de enfriamiento de 40 ~ 60 ℃. Cuando está por encima de la temperatura de transformación Ms, la temperatura de calentamiento de enfriamiento es alta. El estrés térmico es grande. Cuando se enfría por debajo de la temperatura de transformación MS, la temperatura del aceite de enfriamiento es baja y el tiempo de enfriamiento de 10 minutos es relativamente largo. Se produce más martensita en el proceso de enfriamiento rápido. Debido a los diferentes volúmenes específicos de diferentes organizaciones, se genera un mayor estrés organizacional, que es una de las razones del agrietamiento por enfriamiento del tubo del eje.

2,2 Uniformidad de la organización de la materia prima
Después de recocer la muestra cortada 1 (aislamiento de 850 ℃ para 15 h y enfriamiento del horno), el análisis metalográfico encontró que el tubo del eje con grietas todavía tenía una segregación organizativa con bandas obvia después del recocido, lo que indica que la segregación organizativa con bandas del material de cobre en sí es grave y la organización es desigual. La existencia de una organización con bandas aumentará la tendencia al agrietamiento por enfriamiento de la pieza de trabajo. La literatura relevante señala que la estructura con bandas en acero de aleación de bajo y medio carbono se refiere a la estructura fundida formada a lo largo de la dirección de laminación o forja del acero, que se compone principalmente de una banda de ferrita eutectoide y una banda de perlita apiladas entre sí. Es una estructura defectuosa que a menudo aparece en acero. Dado que el líquido de acero cristaliza selectivamente durante el proceso de cristalización del lingote para formar una estructura de dendrita con composición química desigual, las dendritas gruesas en el lingote se alargan a lo largo de la dirección de deformación durante el laminado o la forja, y se alinean gradualmente con la dirección de deformación, formando así una banda agotada de carbono y elemento de aleación (en realidad una tira) Y una banda agotada alternativamente apiladas entre sí. En condiciones de enfriamiento lento, la ferrita proeutectoide se precipita primero en la banda agotada de elementos de carbono y aleación (la estabilidad de la austenita superenfriada es baja), y el exceso de carbono se descarga en las bandas enriquecidas en ambos lados, y finalmente, se forma una banda dominada por ferrita: una banda enriquecida con elemento de carbono y aleación, Cuya austenita superenfriada tiene una alta estabilidad, y se forma una banda dominada por perlita a partir de entonces, formando así una estructura con bandas en la que una banda dominada por ferrita y una banda dominada por perlita se alternan entre sí. Las diferentes microestructuras de las bandas adyacentes en la estructura con bandas del tubo axial, así como las diferencias en la morfología y el nivel de la estructura con bandas, hacen que el coeficiente de expansión y la diferencia en el volumen específico antes y después del cambio de fase del tubo axial aumenten durante el proceso de enfriamiento del tratamiento térmico, Generando así un gran estrés organizativo y, en última instancia, aumentando la distorsión de enfriamiento del tubo axial. Si el proceso de enfriamiento es inadecuado, aumentará la tendencia de la estructura de bandas a causar distorsión de enfriamiento y agrietamiento, y es más probable que cause agrietamiento de enfriamiento.

2,3 Soluciones y efectos A través del análisis anterior de las causas del agrietamiento del tubo axial durante el enfriamiento, el proceso de enfriamiento del tratamiento térmico se mejoró primero, la temperatura de enfriamiento se redujo en aproximadamente 10 ° C y la temperatura del aceite de enfriamiento se incrementó a aproximadamente 90 ° C. Al mismo tiempo, se acortó el tiempo del tubo axial en el aceite de enfriamiento. Los resultados muestran que el tubo axial no se agrietó durante el templado. Se puede ver que la causa principal del agrietamiento por enfriamiento del tubo axial es un proceso de enfriamiento incorrecto, y la estructura de bandas en la materia prima aumentará la tendencia al agrietamiento por enfriamiento del tubo axial, pero no es la causa principal de enfriamiento. Se llevó a cabo la prueba de sellado del tubo axial, y la presión pudo estabilizarse durante 10 minutos a una presión de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), lo que cumple plenamente los requisitos de sellado de las herramientas de fondo de pozo.

2,4 Conclusión
La razón principal del agrietamiento por enfriamiento del tubo axial es el proceso de enfriamiento inapropiado, y la estructura de bandas en la materia prima aumenta el agrietamiento por enfriamiento del tubo axial, pero no es la causa principal del agrietamiento por enfriamiento. Después de mejorar el proceso de tratamiento térmico, el tubo axial ya no se templó ni se agrietó. Cuando se llevó a cabo la prueba de sellado del tubo axial, la presión pudo estabilizarse durante 10 minutos a una presión de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), lo que cumple plenamente los requisitos de sellado de las herramientas de fondo de pozo. Para evitar que el tubo axial se agriete durante el proceso de enfriamiento, es necesario prestar atención a lo siguiente:
1) Mantener un buen control de las materias primas. Se requiere que la estructura de bandas en las materias primas sea ≤ 3 niveles, y varios defectos en las materias primas, como holgura, segregación, inclusiones no metálicas, etc. cumplen con los requisitos estándar, y la composición química y la microestructura deben ser uniformes.
2) Reducir el estrés de mecanizado. Asegure una velocidad de avance razonable, reduzca el estrés residual de mecanizado o realice el templado o la normalización antes del enfriamiento para eliminar el estrés de mecanizado.
3) Elija un proceso de enfriamiento razonable para reducir el estrés organizacional y el estrés térmico. Reduzca apropiadamente la temperatura de calentamiento de enfriamiento y aumente la temperatura del aceite de enfriamiento a aproximadamente 90 °C. Al mismo tiempo, acorte el tiempo de residencia del tubo del eje en el aceite de enfriamiento.