Бурильная труба — это буровой инструмент для нефтедобычи и основной компонент бурильной колонны. Она выполняет функцию соединения бурильной колонны, транспортировки бурового раствора и передачи крутящего момента во время бурения. В процессе работы она подвергается сложным нагрузкам, таким как сжатие, растяжение, кручение и изгиб, а также сильной вибрации и ударам. В настоящее время бурильные трубы изготавливаются из сварных соединений и корпусов труб, сваренных методом фрикционной сварки, при этом зона сварного шва локально закаливается и отпускается после сварки. Исследования показали, что наиболее распространенным явлением является хрупкое разрушение при низких напряжениях в зоне сварного шва бурильной трубы, и эта зона становится слабым местом всей бурильной трубы. Поэтому контроль механических свойств зоны сварного шва является ключом к обеспечению качества бурильной трубы, а ударная вязкость — ключевым показателем для оценки механических свойств зоны сварного шва бурильной трубы.
Во-первых, причина проведения анализа ударной вязкости при низкой ударной вязкости.
За исключением неудовлетворительной ударной вязкости, остальные механические свойства образцов сварных швов бурильных труб соответствуют требованиям API SPEC 5DP:2009. Микроструктура с обеих сторон сварного шва представляет собой закаленный троостит + небольшое количество феррита, отсутствует незакаленный мартенсит и крупнозернистая перегретая структура, в зоне сварного шва присутствует множество неметаллических включений класса А, а мелкозернистая структура достигает уровня 1,5. Содержание фосфора и серы в материале корпуса трубы низкое, а уровень неметаллических включений также низкий, но содержание серы в материале сварного шва бурильной трубы превышает стандарт, составляя 0,016% по массе, а крупнозернистая система неметаллических включений класса А достигает уровня 2,0, и ее содержание относительно высокое. Макроскопический и микроскопический анализ разрушения образца сварного шва показывает наличие множества смешанных неметаллических включений FeS и MnS в месте разрушения. Из-за высокого содержания неметаллических включений класса А в месте разрушения ударного образца нарушается целостность структуры в зоне сварного шва. Пластичность и упругость неметаллических включений сильно отличаются от таковых у стали. Неметаллические включения не могут подвергаться пластической деформации одновременно со сталью, поэтому вокруг них возникает все большая концентрация напряжений, образуя слабую поверхность соединения. При воздействии ударной силы сначала на слабой поверхности соединения появляются трещины, которые в конечном итоге распространяются на поверхность сварного шва, вызывая разрушение образца. Следовательно, высокое содержание неметаллических включений в зоне сварного шва образца значительно снижает ударную вязкость. Сера в материале соединения бурильной трубы образуется в процессе плавки. Большая часть серы собирается в группы на границах зерен дендритов, образуя сульфиды. В процессе горячей прокатки сульфиды легко деформируются, часто образуя тонкие стержни и распределяясь в полосчатой структуре, что приводит к анизотропии стали. При сварке трением соединение бурильной трубы и корпус трубы свариваются при высокой температуре и высоком давлении. В результате пластического течения металла на поверхности сварного шва первоначальное направление распределения сульфидов изменяется с параллельного оси соединения бурильной трубы на параллельное направлению сварного шва, то есть перпендикулярное направлению оси, поэтому сульфиды распределяются вдоль сварного шва.
Из-за высокого содержания неметаллических включений класса А в зоне сварного шва образца нарушается целостность структуры, в результате чего ударная вязкость не соответствует требованиям API SPEC 5DP:2009, но при этом предел прочности на растяжение достигает 880 МПа. Соответствующие исследования показывают, что при воздействии на образец растягивающего напряжения, это напряжение перпендикулярно поверхности сварного шва и равномерно распределяется по всей поверхности. Следовательно, скорость распространения трещин, вызванных неметаллическими включениями, относительно низкая, но при воздействии на образец ударной силы, когда поверхность сварного шва подвергается неравномерному сдвиговому напряжению, скорость распространения трещин, образованных неметаллическими включениями, относительно высокая. Поэтому слабые дефекты сцепления, образованные неметаллическими включениями, мало влияют на предел прочности на растяжение образца, но оказывают значительное влияние на ударную вязкость образца.
Во-вторых, выводы и предложения.
(1) Ударная вязкость зоны сварного шва бурильной трубы низкая и не соответствует требованиям API SPEC5DP:2009. Это связано с высоким содержанием неметаллических включений класса А в зоне сварного шва, что нарушает целостность структуры. При воздействии ударной силы сначала появляются трещины на слабой поверхности соединения дефекта, которые быстро расширяются и в конечном итоге приводят к разрушению образца.
(2) Высокое содержание серы в материале соединения бурильной трубы и высокий уровень и содержание неметаллических включений класса А являются основными причинами большого количества дефектов в виде неметаллических включений класса А в зоне сварного шва.
(3) Слабые дефекты сцепления, образующиеся из-за неметаллических включений в зоне сварки, мало влияют на прочность на растяжение, но оказывают большое влияние на ударную вязкость образца сварного шва.
(4) Рекомендуется усилить контроль на наличие неметаллических включений при поступлении бурильной трубы на завод, чтобы гарантировать соответствие чистоты материала бурильной трубы требованиям, тем самым обеспечивая соответствие характеристик зоны сварки трением бурильной трубы стандартным требованиям.
Дата публикации: 15 октября 2024 г.