Ống khoan dầu là một dụng cụ khoan dầu khí và là thành phần chính của chuỗi khoan dầu. Nó đóng vai trò kết nối chuỗi khoan, vận chuyển bùn và truyền mô-men xoắn trong quá trình khoan. Trong quá trình làm việc, nó phải chịu các tải trọng phức tạp như nén, kéo, xoắn và uốn, đồng thời chịu rung động và va đập mạnh. Hiện nay, ống khoan dầu được chế tạo bằng cách hàn ma sát giữa các khớp nối ống khoan và thân ống, và vùng hàn được tôi và ram cục bộ sau khi hàn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiện tượng gãy giòn ứng suất thấp ở vùng hàn của ống khoan là hiện tượng phổ biến nhất, và vùng hàn trở thành điểm yếu của toàn bộ ống khoan. Do đó, kiểm soát các tính chất cơ học của vùng hàn là chìa khóa để đảm bảo chất lượng của ống khoan, và độ bền va đập là chỉ số quan trọng để đánh giá các tính chất cơ học của vùng hàn ống khoan.
Đầu tiên, lý do của phân tích độ bền va đập thấp
Ngoại trừ độ bền va đập không đạt yêu cầu, các tính chất cơ học khác của mẫu mối hàn ống khoan đều đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn API SPEC 5DP:2009. Cấu trúc vi mô ở cả hai phía của mối hàn là troostite tôi luyện + một lượng nhỏ ferrite, không có martensite chưa tôi luyện và cấu trúc quá nhiệt thô, có nhiều tạp chất phi kim loại loại A trong vùng hàn, và hệ thống hạt mịn đạt mức 1.5. Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh trong vật liệu thân ống thấp, và mức độ tạp chất phi kim loại cũng thấp, nhưng hàm lượng lưu huỳnh trong vật liệu mối nối ống khoan vượt quá tiêu chuẩn, với tỷ lệ khối lượng là 0,016%, và hệ thống hạt thô của tạp chất phi kim loại loại A đạt mức 2.0 và hàm lượng tương đối cao. Thông qua phân tích vĩ mô và vi mô vết nứt của mẫu va đập mối hàn, có thể đánh giá rằng có nhiều tạp chất phi kim loại hỗn hợp FeS và MnS tại vết nứt. Do hàm lượng cao các tạp chất phi kim loại loại A tại vị trí gãy của mẫu thử va đập, tính liên tục của cấu trúc trong vùng hàn bị phá hủy. Độ dẻo và độ đàn hồi của các tạp chất phi kim loại rất khác so với thép. Các tạp chất phi kim loại không thể biến dạng dẻo đồng bộ với thép, do đó ngày càng nhiều sự tập trung ứng suất được tạo ra xung quanh các tạp chất phi kim loại, hình thành bề mặt liên kết yếu. Khi chịu lực va đập, các vết nứt xuất hiện đầu tiên tại bề mặt liên kết yếu, và cuối cùng, các vết nứt lan rộng trên bề mặt liên kết hàn, gây ra hiện tượng gãy mẫu. Vì vậy, hàm lượng cao các tạp chất phi kim loại trong vùng hàn của mẫu sẽ làm giảm đáng kể độ bền va đập. Nguyên tố lưu huỳnh trong vật liệu mối nối ống khoan được tạo ra trong quá trình nấu chảy. Hầu hết các nguyên tố lưu huỳnh tập trung thành từng nhóm tại ranh giới hạt dendrite để tạo thành sunfua. Các sunfua trong quá trình cán nóng dễ bị biến dạng, thường kéo dài dưới dạng các trục mảnh và phân bố theo cấu trúc dải, gây ra tính dị hướng của thép. Trong quá trình hàn ma sát, mối nối ống khoan và thân ống được hàn dưới nhiệt độ và áp suất cao. Do sự biến dạng dẻo của kim loại trên bề mặt mối hàn, hướng phân bố ban đầu của sunfua thay đổi từ song song với trục của mối nối ống khoan sang song song với hướng hàn, tức là vuông góc với hướng trục, do đó sunfua được phân bố dọc theo mối hàn.
Do hàm lượng tạp chất phi kim loại loại A cao trong vùng hàn của mẫu hàn, tính liên tục của cấu trúc bị phá hủy, dẫn đến độ bền va đập không đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn API SPEC 5DP:2009, nhưng độ bền kéo đạt 880MPa. Các nghiên cứu liên quan cho thấy rằng khi mẫu chịu ứng suất kéo, ứng suất kéo vuông góc với bề mặt mối hàn và được phân bố đều trên toàn bộ bề mặt mối hàn. Do đó, tốc độ lan truyền vết nứt do tạp chất phi kim loại gây ra tương đối chậm, nhưng khi mẫu chịu lực va đập, bề mặt mối hàn chịu ứng suất cắt không đều, và tốc độ lan truyền vết nứt do tạp chất phi kim loại hình thành tương đối nhanh. Vì vậy, các khuyết tật liên kết yếu do tạp chất phi kim loại hình thành ít ảnh hưởng đến độ bền kéo của mẫu hàn, nhưng lại ảnh hưởng lớn đến độ bền va đập của mẫu hàn.
Thứ hai, kết luận và đề xuất
(1) Độ bền va đập của vùng hàn ống khoan thấp và không đáp ứng yêu cầu của API SPEC5DP:2009. Điều này là do hàm lượng tạp chất phi kim loại loại A trong vùng hàn cao, làm phá hủy tính liên tục của cấu trúc. Khi chịu lực va đập, các vết nứt xuất hiện đầu tiên ở bề mặt liên kết yếu của khuyết tật, và các vết nứt lan rộng nhanh chóng và cuối cùng làm cho mẫu bị vỡ.
(2) Hàm lượng lưu huỳnh cao của vật liệu nối ống khoan và mức độ và hàm lượng tạp chất phi kim loại loại A cao là nguyên nhân chính gây ra số lượng lớn các khuyết tật tạp chất phi kim loại loại A trong vùng hàn.
(3) Các khuyết tật liên kết yếu do tạp chất phi kim loại trong vùng hàn có ít ảnh hưởng đến độ bền kéo nhưng lại có tác động lớn đến độ dai va đập của mẫu hàn.
(4) Nên tăng cường kiểm tra tạp chất phi kim loại khi khớp nối ống khoan vào nhà máy để đảm bảo độ tinh khiết của vật liệu khớp nối ống khoan đáp ứng yêu cầu, từ đó đảm bảo hiệu suất của vùng hàn ma sát ống khoan đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn.
Thời gian đăng: 15-10-2024