A coluna de perfuração de petróleo é uma ferramenta de perfuração em campos petrolíferos e o principal componente da coluna de perfuração. Ela desempenha a função de conectar a coluna de perfuração, transportar lama e transmitir torque durante a perfuração. Durante o trabalho, a coluna de perfuração é submetida a cargas complexas, como compressão, tração, torção e flexão, além de fortes vibrações e impactos. Atualmente, as colunas de perfuração de petróleo são fabricadas com juntas e corpos soldados por fricção, e a zona de solda é temperada e revenida localmente após a soldagem. Estudos demonstraram que a fratura frágil sob baixa tensão na zona de solda da coluna de perfuração é o fenômeno mais comum, tornando essa zona o ponto frágil de toda a coluna. Portanto, o controle das propriedades mecânicas da zona de solda é fundamental para garantir a qualidade da coluna de perfuração, sendo a tenacidade ao impacto o principal indicador para avaliar essas propriedades.
Primeiro, a razão para a análise de resistência a impactos de baixa intensidade.
Com exceção da resistência ao impacto não conforme, as demais propriedades mecânicas das amostras de solda da tubulação de perfuração atendem aos requisitos da norma API SPEC 5DP:2009. A microestrutura em ambos os lados da solda é composta por troostita revenida com uma pequena quantidade de ferrita, sem martensita não revenida ou estrutura grosseira de superaquecimento. Há muitas inclusões não metálicas de Classe A na área da solda, com granulometria fina atingindo o nível 1,5. O teor de fósforo e enxofre no corpo da tubulação é baixo, assim como o nível de inclusões não metálicas. No entanto, o teor de enxofre no material da junta da tubulação de perfuração excede o padrão, com uma fração mássica de 0,016%, e a granulometria grosseira das inclusões não metálicas de Classe A atinge o nível 2,0, com um teor relativamente alto. Através da análise macroscópica e microscópica da fratura do corpo de prova de impacto da solda, constatou-se a presença de muitas inclusões não metálicas mistas de FeS e MnS na fratura. Devido ao alto teor de inclusões não metálicas de Classe A na fratura do corpo de prova de impacto, a continuidade da organização na zona de solda é destruída. A plasticidade e a elasticidade das inclusões não metálicas são muito diferentes das do aço. As inclusões não metálicas não podem ser deformadas plasticamente de forma síncrona com o aço, gerando, assim, uma concentração de tensão cada vez maior ao redor delas, formando uma superfície de ligação frágil. Quando submetidas à força de impacto, as trincas aparecem primeiro nessa superfície de ligação frágil e, eventualmente, se propagam na superfície de ligação da solda, causando a ruptura do corpo de prova. Portanto, o alto teor de inclusões não metálicas na zona de solda do corpo de prova reduz significativamente a tenacidade ao impacto. O enxofre presente no material da junta da tubulação de perfuração é gerado durante o processo de fundição. A maior parte do enxofre se agrupa nos contornos de grão das dendritas, formando sulfetos. Os sulfetos no processo de laminação a quente são facilmente deformáveis, frequentemente estendendo-se na forma de fusos delgados e distribuindo-se em uma organização em faixas, causando anisotropia no aço. Durante a soldagem por fricção, a junta da tubulação de perfuração e o corpo da tubulação são soldados sob alta temperatura e alta pressão. Com o fluxo plástico do metal na superfície da solda, a direção de distribuição original do sulfeto muda de paralela ao eixo da junta da tubulação de perfuração para paralela à direção da solda, ou seja, perpendicular à direção do eixo, de modo que o sulfeto se distribui ao longo da solda.
Devido ao alto teor de inclusões não metálicas de Classe A na área da solda da amostra, a continuidade da estrutura é comprometida, resultando em uma tenacidade ao impacto que não atende aos requisitos da norma API SPEC 5DP:2009, embora a resistência à tração atinja 880 MPa. Estudos relacionados mostram que, quando a amostra é submetida a tensão de tração, esta é perpendicular à superfície da junta soldada e distribuída uniformemente por toda a sua extensão. Portanto, a taxa de propagação de trincas causada por inclusões não metálicas é relativamente lenta. Por outro lado, quando a amostra é submetida a uma força de impacto, a superfície da junta soldada fica sujeita a tensões de cisalhamento não uniformes, e a taxa de propagação de trincas formadas por inclusões não metálicas é relativamente rápida. Consequentemente, os defeitos de ligação fracos formados por inclusões não metálicas têm pouco efeito sobre a resistência à tração da amostra soldada, mas exercem grande influência sobre sua tenacidade ao impacto.
Em segundo lugar, conclusões e sugestões.
(1) A resistência ao impacto da zona de solda do tubo de perfuração é baixa e não atende aos requisitos da API SPEC5DP:2009. Isso ocorre porque o teor de inclusões não metálicas de Classe A na zona de solda é alto, o que destrói a continuidade da estrutura. Quando submetida à força de impacto, as trincas aparecem primeiro na superfície de ligação frágil do defeito, e as trincas se propagam rapidamente e eventualmente causam a ruptura da amostra.
(2) O elevado teor de enxofre do material da junta do tubo de perfuração e o elevado nível e teor de inclusões não metálicas de Classe A são as principais razões para o grande número de defeitos de inclusão não metálica de Classe A na zona de solda.
(3) Os defeitos de ligação fraca formados por inclusões não metálicas na zona de solda têm pouco efeito na resistência à tração, mas têm um grande impacto na tenacidade ao impacto da amostra de solda.
(4) Recomenda-se aumentar a inspeção de inclusões não metálicas quando a junta do tubo de perfuração entra na fábrica para garantir que a pureza do material da junta do tubo de perfuração atenda aos requisitos, garantindo assim que o desempenho da zona de solda de soldagem por fricção do tubo de perfuração atenda aos requisitos padrão.
Data da publicação: 15 de outubro de 2024