Un tube de forage pétrolier est un outil de forage et le composant principal de la garniture de forage. Il assure la liaison avec la garniture, le transport de la boue et la transmission du couple lors du forage. Soumis à des charges complexes telles que la compression, la traction, la torsion et la flexion, il subit également de fortes vibrations et des chocs. Actuellement, les tubes de forage sont constitués de joints et de corps soudés par friction, la zone de soudure étant trempée et revenue localement après soudage. Des études ont montré que la rupture fragile sous faible contrainte dans la zone de soudure est le phénomène le plus fréquent, faisant de cette zone le point faible de l'ensemble du tube. Par conséquent, la maîtrise des propriétés mécaniques de la zone de soudure est essentielle pour garantir la qualité du tube de forage, et la résilience est l'indicateur clé pour évaluer ces propriétés.
Premièrement, la raison de l'analyse de la ténacité à faible impact
Hormis la résilience non qualifiée, les autres propriétés mécaniques des échantillons de soudure de tiges de forage satisfont aux exigences de la norme API SPEC 5DP:2009. La microstructure des deux côtés de la soudure est composée de troostite revenue et d'une faible quantité de ferrite. On n'y observe ni martensite non revenue ni structure grossière de surchauffe. La zone de soudure présente de nombreuses inclusions non métalliques de classe A, dont la taille atteint le niveau 1,5 pour les inclusions fines. La teneur en phosphore et en soufre du corps de la tige est faible, de même que le niveau d'inclusions non métalliques. En revanche, la teneur en soufre du matériau du joint de la tige de forage dépasse la norme, avec une fraction massique de 0,016 %. La taille des inclusions non métalliques de classe A atteint le niveau 2,0 et leur concentration est relativement élevée. L'analyse macroscopique et microscopique de la fracture de l'éprouvette de résilience a permis de constater la présence de nombreuses inclusions non métalliques mixtes de FeS et de MnS au niveau de la fracture. En raison de la forte concentration d'inclusions non métalliques de classe A à la rupture de l'éprouvette soumise à un essai de choc, la continuité de l'organisation dans la zone de soudure est rompue. La plasticité et l'élasticité des inclusions non métalliques diffèrent considérablement de celles de l'acier. Les inclusions non métalliques ne peuvent se déformer plastiquement de manière synchrone avec l'acier, ce qui engendre une concentration de contraintes croissante autour d'elles et crée une surface de liaison fragile. Sous l'effet d'une force d'impact, des fissures apparaissent d'abord à cet endroit, puis se propagent sur la surface de soudure, provoquant la rupture de l'éprouvette. Par conséquent, la forte concentration d'inclusions non métalliques dans la zone de soudure de l'éprouvette réduit fortement sa résilience. Le soufre présent dans le matériau des joints de tiges de forage est généré lors du processus de fusion. La majeure partie de ce soufre s'agrège aux joints de grains dendritiques pour former des sulfures. Lors du laminage à chaud, ces sulfures se déforment facilement, s'allongeant souvent sous forme de fines tiges et se distribuant en bandes, ce qui induit une anisotropie de l'acier. Lors du soudage par friction, le joint du tube de forage et le corps du tube sont soudés sous haute température et haute pression. Du fait de la déformation plastique du métal à la surface de la soudure, la direction de distribution initiale des sulfures passe de parallèle à l'axe du joint à parallèle à la direction de la soudure, c'est-à-dire perpendiculaire à cet axe. Les sulfures se répartissent ainsi le long de la soudure.
En raison de la forte concentration d'inclusions non métalliques de classe A dans la zone de soudure de l'échantillon, la continuité de la structure est rompue, ce qui explique que la résilience ne réponde pas aux exigences de la norme API SPEC 5DP:2009, malgré une résistance à la traction de 880 MPa. Des études connexes montrent que, sous contrainte de traction, la contrainte est perpendiculaire à la surface de la soudure et uniformément répartie sur celle-ci. Par conséquent, la vitesse de propagation des fissures dues aux inclusions non métalliques est relativement lente. En revanche, sous l'effet d'un impact, la surface de la soudure subit des contraintes de cisaillement non uniformes, et la vitesse de propagation des fissures formées par ces mêmes inclusions est relativement rapide. Ainsi, les défauts de faible liaison causés par les inclusions non métalliques ont peu d'influence sur la résistance à la traction de l'échantillon, mais un impact important sur sa résilience.
Deuxièmement, conclusions et suggestions
(1) La résilience de la zone de soudure du tube de forage est faible et ne satisfait pas aux exigences de la norme API SPEC5DP:2009. Ceci est dû à la forte teneur en inclusions non métalliques de classe A dans cette zone, qui compromet la continuité de la structure. Sous l'effet d'un impact, des fissures apparaissent d'abord à la surface de liaison défectueuse, puis se propagent rapidement jusqu'à provoquer la rupture de l'échantillon.
(2) La teneur élevée en soufre du matériau du joint de tige de forage et le niveau et la teneur élevés d'inclusions non métalliques de classe A sont les principales raisons du grand nombre de défauts d'inclusions non métalliques de classe A dans la zone de soudure.
(3) Les défauts de liaison faibles formés par des inclusions non métalliques dans la zone de soudure ont peu d'effet sur la résistance à la traction mais ont un grand impact sur la ténacité à l'impact de l'échantillon de soudure.
(4) Il est recommandé d'augmenter l'inspection des inclusions non métalliques lorsque le joint de tige de forage entre en usine afin de garantir que la pureté du matériau du joint de tige de forage répond aux exigences, assurant ainsi que les performances de la zone de soudure par friction de la tige de forage répondent aux exigences standard.
Date de publication : 15 octobre 2024