Ein Ölbohrrohr ist ein Bohrwerkzeug in der Erdölförderung und die Hauptkomponente des Bohrstrangs. Es verbindet den Bohrstrang, transportiert Bohrschlamm und überträgt das Drehmoment während des Bohrvorgangs. Dabei ist es komplexen Belastungen wie Druck, Zug, Torsion und Biegung sowie starken Vibrationen und Stößen ausgesetzt. Ölbohrrohre bestehen derzeit aus durch Reibschweißen verbundenen Rohrverbindungen und Rohrkörpern. Die Schweißnaht wird anschließend lokal vergütet. Untersuchungen haben gezeigt, dass Sprödbrüche unter geringer Spannung in der Schweißnaht das häufigste Phänomen sind und die Schweißnaht zur Schwachstelle des gesamten Bohrrohrs wird. Daher ist die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht entscheidend für die Qualitätssicherung des Bohrrohrs. Die Kerbschlagzähigkeit ist dabei der wichtigste Indikator für die Beurteilung der mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht.
Erstens, der Grund für die Analyse der Zähigkeit bei geringer Belastung.
Mit Ausnahme der nicht normgerechten Kerbschlagzähigkeit erfüllen die übrigen mechanischen Eigenschaften der Schweißproben des Bohrrohrs die Anforderungen der API SPEC 5DP:2009. Das Mikrogefüge beidseits der Schweißnaht besteht aus angelassenem Troostit mit geringen Ferritanteilen. Unangelassener Martensit und grobes Überhitzungsgefüge sind nicht vorhanden. Im Schweißbereich finden sich zahlreiche nichtmetallische Einschlüsse der Klasse A, deren Feinkornanteil 1,5 erreicht. Der Phosphor- und Schwefelgehalt des Rohrkörpermaterials ist niedrig, ebenso der Anteil nichtmetallischer Einschlüsse. Der Schwefelgehalt des Bohrrohrverbindungsmaterials überschreitet jedoch mit 0,016 Massenprozent den Grenzwert, und der Anteil grobmetallischer Einschlüsse der Klasse A erreicht 2,0, was auf einen relativ hohen Wert hindeutet. Die makroskopische und mikroskopische Analyse des Bruchs der Schweißnahtprobe ergab zahlreiche gemischte nichtmetallische Einschlüsse aus FeS und MnS im Bruchbereich. Aufgrund des hohen Anteils nichtmetallischer Einschlüsse der Klasse A im Bruchbereich der Schlagprobe wird die Kontinuität des Gefüges in der Schweißzone zerstört. Die Plastizität und Elastizität nichtmetallischer Einschlüsse unterscheiden sich stark von denen des Stahls. Nichtmetallische Einschlüsse können sich nicht synchron mit dem Stahl plastisch verformen, wodurch sich zunehmend Spannungskonzentrationen um die nichtmetallischen Einschlüsse herum bilden und eine schwache Bindungsfläche entsteht. Bei Einwirkung einer Schlagkraft entstehen zunächst Risse an dieser schwachen Bindungsfläche, die sich schließlich auf die Schweißverbindungsfläche ausbreiten und zum Bruch der Probe führen. Daher reduziert der hohe Anteil nichtmetallischer Einschlüsse in der Schweißzone der Probe die Schlagzähigkeit erheblich. Das Schwefelelement im Bohrrohrverbindungsmaterial entsteht während des Schmelzprozesses. Der größte Teil des Schwefels sammelt sich an den Dendritenkorngrenzen und bildet Sulfide. Die Sulfide im Warmwalzprozess sind leicht verformbar und bilden oft schlanke, spindelförmige Stränge, die sich bandförmig verteilen und so die Anisotropie des Stahls verursachen. Beim Reibschweißen werden die Bohrrohrverbindung und der Rohrkörper unter hoher Temperatur und hohem Druck verschweißt. Durch die plastische Verformung des Metalls an der Schweißnahtoberfläche ändert sich die ursprüngliche Verteilungsrichtung der Sulfide von parallel zur Achse der Bohrrohrverbindung zu parallel zur Schweißnahtrichtung, also senkrecht dazu. Dadurch verteilen sich die Sulfide entlang der Schweißnaht.
Aufgrund des hohen Anteils nichtmetallischer Einschlüsse der Klasse A im Schweißbereich der Schweißprobe wird die Gefügekontinuität gestört. Dies führt dazu, dass die Kerbschlagzähigkeit die Anforderungen der API SPEC 5DP:2009 nicht erfüllt, die Zugfestigkeit jedoch 880 MPa erreicht. Untersuchungen zeigen, dass die Zugspannung bei Belastung der Probe senkrecht zur Schweißnahtoberfläche verläuft und sich gleichmäßig über diese verteilt. Daher ist die Rissausbreitung durch nichtmetallische Einschlüsse relativ langsam. Bei Belastung durch eine Stoßkraft hingegen erfährt die Schweißnahtoberfläche ungleichmäßige Scherspannungen, wodurch sich die durch nichtmetallische Einschlüsse verursachte Rissausbreitung beschleunigt. Die durch nichtmetallische Einschlüsse hervorgerufenen Bindungsfehler haben somit nur geringen Einfluss auf die Zugfestigkeit der Schweißprobe, jedoch einen erheblichen Einfluss auf deren Kerbschlagzähigkeit.
Zweitens, Schlussfolgerungen und Vorschläge
(1) Die Kerbschlagzähigkeit der Schweißnahtzone des Bohrrohrs ist gering und entspricht nicht den Anforderungen der API SPEC5DP:2009. Dies liegt an dem hohen Anteil nichtmetallischer Einschlüsse der Klasse A in der Schweißnahtzone, wodurch die Kontinuität des Gefüges beeinträchtigt wird. Bei Einwirkung einer Schlagkraft entstehen zunächst Risse an der schwachen Verbindungsfläche des Defekts. Diese Risse breiten sich rasch aus und führen schließlich zum Bruch der Probe.
(2) Der hohe Schwefelgehalt des Bohrrohrverbindungsmaterials und der hohe Anteil nichtmetallischer Einschlüsse der Klasse A sind die Hauptgründe für die große Anzahl nichtmetallischer Einschlussfehler der Klasse A in der Schweißzone.
(3) Die durch nichtmetallische Einschlüsse in der Schweißzone verursachten schwachen Bindungsfehler haben nur geringen Einfluss auf die Zugfestigkeit, aber einen großen Einfluss auf die Kerbschlagzähigkeit der Schweißprobe.
(4) Es wird empfohlen, die Prüfung auf nichtmetallische Einschlüsse zu intensivieren, wenn die Bohrrohrverbindung ins Werk gelangt, um sicherzustellen, dass die Reinheit des Materials der Bohrrohrverbindung den Anforderungen entspricht und somit auch, dass die Leistung der Reibschweißzone des Bohrrohrs den Standardanforderungen genügt.
Veröffentlichungsdatum: 15. Oktober 2024