Реферат: Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С

Министерство Образования и Науки Украины

 

Национальная Металлургическая Академия Украины

Кафедра термической обработки металлов

Реферат

на тему:

˝Термическая  обработка и термомеханическая обработка обсадныхтруб из стали 36Г2С ˝

Подготовила                         ст.гр. МТ-97-2                      Черных Е.С.

Проверил                             преподаватель                       Прядко Е.И.

г.Днепропетровск

2001г.

Содержание:

                                                     Стр.

Введение………………………………………………………………..31.Назначение обсадных  труб...………………………………..……...4

2.Сортамент и техническиетребования, предъявляемые к

обсаднымтрубам………………………………………………………5

3.Материал обсадныхтруб……..……………………………….…….6

4.Технологическая схемапроизводства обсадных труб…………….7

5.Термическая обработкаобсадных труб из стали 36Г2С…………..8

5.1.Нормализациятруб………………………………………………...8

5.2.Закалка и отпусктруб……………………………………………..12

5.3.Термическая обработкаконцов труб……………………………..16

6.Термомеханическая обработкаобсадных труб……………………16

7.Контроль качества трубпосле термической и

термомеханической обработки……………………………………….18

Литература……………………………………………………………..19

Введение

В отличие от других видов металлопродукции для труб характерныразвитая поверхность (наибольшее отношение площади поверхности к массе),наличие внутренней полости, значительный сортамент по геометрическим размерам,способам производства и назначению.

По способу производства трубы подразделяют на литые,бесшовные и сварные. Основной объём производства составляют бесшовные исварные. По назначению трубы подразделяют: на трубы для нефте- и газодобывающейпромышленности, теплоэнергетики, магистральных газо- и нефтепроводов, трубы дляпроизводства подшипников, химической промышленности, строительства и т.д.

Условия эксплуатации труб различного назначенияпозволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к материалу для ихпроизводства. Так, для труб нефтяного сортамента условия эксплуатации весьмаразнообразны: интервал рабочих температур от –60 до 150-200ºC,знакопеременные нагрузки (бурильные и насосно-компрессорные трубы), коррозияпод напряжением в среде сероводорода. В этой связи трубы для добычи нефти игаза должны обладать высокой прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостномуи хрупкому разрушению. Для северных районов требуется высокая хладостойкостьметалла труб.[1]

1.Назначение обсадных  труб

При бурении нефтяных скважин стальные трубы используютдля передачи вращения породоразрушающему инструменту, для крепления стенок скважинв процессе бурения и эксплуатации, для транспортировки нефтепродуктов наповерхность и других целей. Стоимость труб в общей стоимости буровогооборудования составляет около 60%.

По своему назначению трубы нефтяного сортаментаразделяют на бурильные, утяжелённые бурильные, рабочие (или ведущие) бурильные,обсадные и насосно-компрессорные трубы.

При бурении и эксплуатации скважин из труб этих видовсоставляют бурильные, обсадные и насосные колонны, в которых отдельные трубысоединяют между собой с помощью специальных резьбовых соединений.

Передачу вращения породоразрушающему инструменту (вслучае роторного способа), транспортировку жидкости или газа для очистки забояскважины от разрушенной породы осуществляют с помощью бурильной колонны.

Для предохранения скважин от обрушения в скважинуопускают колонну обсадных труб. Обычно обсадная колонна состоит из следующихэлементов (рис.1):

                                                 Направление (а) служит для крепления устьяскважини направления потока промывочной           жидкости. Направление опускается на глуби-     ны порядка 4-6 м.

                                                       Кондуктор (б) служит для перекрытия верх

                                                           нихслабых слоёв пород, для изоляции сква-

жин от возможного притока грунтовых вод и

                                                   обеспечения вертикального направления

                                                         стволу скважины. Кондуктор обычно опуска                                              

                                                          ется на глубину 40-60 м, а в глубоких сква-

             жинах – до 600 м.

         Промежуточные колонны (в) опускают в за-

                                                           висимости от общей глубины скважины на

                                                 2000-3000 м, они в основном служат для ра

                                                    зобщенияпластов.

                                                Эксплуатационная колонна (г) служит для

                                                   изоляции продуктивного горизонта от дру-

                                                    гихи обеспечивает доступ к нему. Иногда

                                                   её используют для извлечения нефти и газа

                                                   на поверхность.

Обсадные трубы испытывают три вида нагрузок –растяжение, наружное (сминающее) и внутреннее давление. Растягивающие нагрузкивызываются собственным весом колонны обсадных труб. Обычно напряжения вобсадных трубах соответствуют разности наружного и внутреннего давлений. Но в некоторыхслучаях трубы могут оказаться под действием только наружного или тольковнутреннего давления. В этом случае трубы находятся в наиболее тяжёлых условияхработы.

Для транспортировки нефтепродуктов на поверхностьиспользуют колонны, составленные из насосно-компрессорных труб.[2]

2.Сортаменти технические требования, предъявляемые

к обсадным трубам

Изготовление труб длянефтяной и газовой промышленности производится по специальным стандартам илитехническим условиями, в которых строго регламентированы: размеры труб подиаметру и толщине стенки, длина труб, размеры соединений, категория прочностиматериала, а также точность изготовления труб и резьб, виды и методы испытаний.

В СНГ обсадные трубыизготавливают по ГОСТ-632-57 только бесшовными диаметром 114-426 мм с толщинойстенки 6-14 мм. Длина резьбы на трубах увеличивается с 79,5 до 98,5 мм по мерероста диаметра независимо от толщины стенки. Проект стандарта на обсадныетрубы, взамен ГОСТ 632- 57, включает размеры труб по диаметрам (как принятые впрактике СНГ, так и за рубежом) с толщиной стенки 6-14 мм. Аналогично APIstd5Aв проекте предусмотрено изготовление труб с длинной и нормальной (короткой)резьбой. Причём длина резьбы такая же, как и в зарубежных стандартах. Для трубдиаметром 127; 139,7; 177,8-298 мм с толщиной стенки 6-8 мм предусмотренаукороченная нормальная резьба.

В СНГ разработанпроект специального государственного стандарта на сварные обсадные трубыдиаметром 426-530 мм с толщиной стенки 8-12 мм. Для крепления неглубокихскважин более экономично применение сварных тонкостенных труб вместо бесшовных.Поэтому необходима организация производства таких труб диаметрами 114-426 мм столщиной стенки 4-6 мм для скважин неответственного назначения.

Стандарты на трубы нефтяного сортамента не определяютприменяемый материал, а задают только минимальные значения показателеймеханических свойств (σb, σs, δ, ψ, ak).

                                                                                      Таблица 1

Механические свойства материала обсадныхтруб Категория прочности Предел прочности, Мн/м²(кг/мм²) Предел текучести, Мн/м²(кг/мм²) Удлинение, % А 411,9 (42) 245,2 (25) 25 С 539,4 (55) 313,8 (32) 18 Д 637,4 (65) 372,6 (38) 16 К 686,5 (70) 490,3 (50) 12 Е 635,5 (75) 539,4 (55) 12 Л 931,6 (95) 637,4 (65) 12 М 980,6 (100) 735,5 (75) 12

Обсадные трубы в обязательном порядке подвергаютгидравлическим испытаниям для проверки прочности тела трубы и герметичностирезьбового соединения. Стандартом API предусмотрено испытание внутреннимгидравлическим давлением обсадных труб диаметром до 245мм, вызывающим в телетрубы напряжения, равные 80% от предела текучести материала, а труб большогодиаметра – 60%. Для высокопрочных труб, идущих на глубокие скважины,рекомендуют доводить напряжения в теле трубы до 95% от предела текучестиматериала [3].

3.Материал обсадных труб

Техническими условиями натрубы нефтяного сортамента химический состав сталей, за исключением серы ифосфора, не оговаривается и марка стали выбирается изготовителем потехнико-экономическим соображениям и регламентируется в технологическойдокументации. Максимальное содержание элементов определяется применяемымисходным сырьём и способом выплавки стали и находится в пределах 0,030-0,065% длясеры и 0,035-0,110% для фосфора.

                                                                                                     Таблица 2

Химический состав сталей для обсадных труб,применяемых в СНГКатегория прочности (марка стали) Химический состав, % С Mn Si Cr Ni Mo W

S

макс

Р

макс

А 0,18-0,25 0,3-0,6 0,15-0,23 - - - - 0,045 0,045 С 0,3-0,37 0,65-0,9 0,2-0,35 - - - - 0,045 0,045 Д 0,43-0,53 0,7-0,9 0,15-0,3 - - - - 0,045 0,045 К 0,32-0,43 1,5-1,6 0,4-0,7 - - - - 0,045 0,045 Е 0,33-0,43 0,75-1,05 0,17-0,37 0,4-0,7 0,4-0,7 0,3-0,4 - 0,045 0,045 0,43-0,48 1,15-1,4 0,25-0,35 0,4-0,7 0,3-0,7 0,05-0,15 - 0,045 0,045 0,35-0,42 0,7-0,9 0,15-0,3 - - - - 0,045 0,045 Л 0,32-0,38 1,4-1,8 0,4-0,7 - - - 0,25-0,4 0,045 0,045 0,3-0,43 1,25-1,6 0,4-0,7 - - - - 0,045 0,045 М 0,32-0,43 1,5-1,8 0,4-0,7 - - - - 0,045 0,045

Дляполучения труб более высоких категорий прочности возможны два пути [4]:

1)применениелегированных сталей с последующей сравнительно простой термической обработкой(нормализация или нормализация и отпуск);

2)применениепростых углеродистых или низколегированных сталей с последующей закалкой иотпуском.

4.Технологическая схема производства обсадных труб

Технология производстватруб нефтяного сортамента определяется видом труб, категорией прочности иприменяемым для их изготовления материалом. По категории прочности трубынефтяного сортамента можно разделить на три группы:

     обычной прочности с пределом текучести до 490,3 Мн/м² (50 кг/мм²),

    высокой прочности с пределом текучести 539,3-735,5 Мн/м² (55-75кг/мм²),

     особо высокойпрочности – более 735,5 Мн/м²(75 кг/мм²).

Рисунок 2.- Технологическая схемапроизводства обсадных труб

  Обсадные трубы обычной прочности с минимальнымпределом текучести до 490,3 Мн/м² (50 кг/мм²) изготавливают последующей технологической схеме (рис.2). Горячая прокатка 1, обрезка концов иснятие фасок 2, нарезка резьбы 9, навёртка муфт 10, гидроиспытание 11 ипокраска 12. Термическая обработка этих труб (нормализация) производится тольков случае получения неудовлетворительных механических свойств. Опыт эксплуатациитруб категории прочности К (минимальный предел текучести   490,3 Мн/м² (50кг/мм²) )показывает, что трубы этой категории необходимо подвергатьнормализации, так как эти трубы имеют неравномерные механические свойства подлине вследствие местной подкалки при прокатке.

Обсадныетрубы высокой прочности в зависимости от применяемого материала могутизготавливаться по двум технологическим схемам. Для легированных сталей технологическаясхема следующая: после прокатки 1 и обрезки концов 2 трубы подвергаютнормализации в печи 3 и отпуску в печи 5. Иногда для труб категории прочности Еприменяют нормализацию с прокатного нагрева. После термической обработки трубыкалибруют по наружному диаметру 6. Однако в этом случае операцию калибровкиопускают вследствие отсутствия калибровочных станов в потоке печей и послетермообработки трубы направляют прямо на правильные станы 7. После правкиконтролируют состояние наружной поверхности труб 8, нарезают резьбу 9 инавинчивают муфты 10. Трубы с муфтой проверяют на прочность и герметичностьрезьбового соединения путём гидравлических испытаний на прессах 11. Послегидроиспытаний трубы окрашивают, маркируют и направляют на склад готовой продукции.

Технологическая схемаизготовления высокопрочных труб из углеродистых и низколегированных сталейотличается от описанной выше только термической обработкой. После обрезкиконцов на станках 2 трубы нагревают до температур закалки в печи 3, охлаждают вспециальных устройствах 4 и затем подвергают отпуску в печи 5. При применениизакалки и отпуска вследствие искажения точности поперечного сечения иувеличения кривизны операции калибровки и правки обязательны. Для сниженияпрочности материала труб при калибровке и правке эти операции должнывыполняться при температурах 200-500ºC. После правки труб выполняютоперации, обозначенные на рис.2 позициями 8-12.[2]

5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С

Термическаяобработка – важнейшая составная часть технологии производства различных видовстальных труб.

Основные цели термической обработки труб следующие:

обеспечение различных эксплуатационных свойств (трубыдля добычи нефти и газа, трубы для котлов теплоэнергетических установок и др.);

подготовка структуры и свойств для дальнейшейобработки в различных областях машиностроения (трубы для подшипников);

восстановление пластичности металла для возможностидальнейшего деформирования в процессе передела (трубы промежуточных размеров);

создание диффузионной связи между различными слоями вбиметаллических, многослойных и свертных паяных трубах;

выравнивание структуры и свойств металла сварных илитых труб переменной геометрии по длине (например, бурильных труб свысаженными концами).[5]

5.1.Нормализация труб

При производстве трубнефтяного сортамента нормализацию как термическую операцию применяют в техслучаях, когда требуемые механические свойства металла труб (предел текучестидо 539,4 Мн/м² (55 кг/мм²) можно получить из стали простой, дешёвоймарки типа 36Г2С).

Нормализацию труб следует производить после полного ихпотемнения после прокатки. В этом случае крупнозернистая и неоднороднаяструктура стали, полученная в результате высокого нагрева перед прокаткой,подвергается по существу перекристаллизации в процессе охлаждения ипоследующего нагрева под нормализацию.

Температура нормализации труб марки 36Г2С находится впределах 830-890ºC. Если после нормализации предел текучести или пределпрочности ниже обусловленных ГОСТом норм, то температуру повторной нормализацииследует повысить на 20-30ºC. Неудовлетворительные результаты испытаний поотносительному удлинению, относительному сужению или ударной вязкости можноисправить снижением температуры на 20-30ºC.

Заметное влияние на изменение механических свойствоказывает скорость охлаждения труб. Для труб из стали 36Г2С применениеускоренного охлаждения обдувкой воздухом повышает предел прочности высаженныхконцов на 4,5%, предел текучести на 5,4%, ударную вязкость на 13,7%, относительноеудлинение практически остаётся без изменения.

Точные режимы термической обработки устанавливают припомощи лабораторных и цеховых экспериментов с учётом термической характеристикипечи, условий охлаждения и специфичности свойств данной стали. Температуранормализации для стали данной марки должна быть достаточно высокой, чтобыобеспечить получение гомогенно-бейнитной структуры, являющейся основой дляполучения после отпуска высоких прочностных и пластических свойств.

Если температура нормализации является универсальнойдля стали данной марки, то температуру отпуска часто устанавливаютиндивидуально для отдельной плавки в зависимости от её химсостава.

Контроль температуры труб при нагреве и выдержке вметодических печах производят термопарой, вставляемой в трубу. Температура печиконтролируется по боковым и сводовым термопарам, а температура выдаваемых труб– с помощью оптического пирометра или других приборов. Боковые термопарыустанавливают так, чтобы их показания были выше температуры металла на20-30ºC.

На величину зерна и механические свойстванормализуемых труб, кроме температуры нагрева металла и скорости охлаждения,оказывает также влияние время нагрева и выдержки металла в печи. Для получениямелкозернистой структуры время выдержки не должно превышать определённовеличины.

Общая продолжительность нагрева в методических печах снаклонным подом для труб с толщиной стенки от 7 до 30 мм колеблется от 70 до140 мин, время выдержки от 10 до 25 мин. Меньшее время соответствует трубам меньшими стенкой и диаметром.

Нормализация с охлаждением на воздухе обсадных труб изстали 36Г2С не обеспечивает требований ГОСТа на обсадные трубы марки Е.

Рисунок 3.- Микроструктура стали 36Г2С после нормализации.×400

Микроструктура металла таких труб (рис.3) состоит изкрупных, строчечно-расположенных выделений феррита и сорбитообразного перлита.Такая структура свидетельствует о недостаточном охлаждении труб при нормализации.Пределы прочности и текучести имеют низкое значение. Более сильное охлаждение впроизводственных условиях струёй сжатого воздуха повышает предел прочности иотносительное удлинение, однако предел текучести при этом находится на границенорм.

Макроструктура этой стали после охлаждения струёйсжатого воздуха (рис.4) имеет более мелкое зерно, направленность структурныхсоставляющих отсутствует.

Рисунок 4.-Микроструктура стали 36Г2С после охлажденияструёй сжатого воздуха.×400

Возможно, что достаточно сильное охлаждение по всейдлине труб при условии их вращения позволит наладить получение обсадных труб изстали 36Г2С марки Е. Об этом свидетельствует мелкозернистая микроструктура стали(рис.5), полученная при интенсивном охлаждении патрубков струёй воздуха.Соответствующие этой структуре механические свойства надёжно гарантируютполучение обсадных труб марки Е.

Рисунок 5.- Микроструктура стали 36Г2С послеинтенсивного воздушного охлаждения с вращением трубы.×400

В таблице 3 приведены механические свойства обсадныхтруб после нормализации и отпуска при различных температурах.

                                                                                             Таблица 3

Механическиесвойства обсадных труб после нормализации и отпуска

Температура отпуска, ºC Механические свойства в продольном направлении

Предел прочности, Мн/м²

(кг/мм²)

Предел текучести, Мн/м²

(кг/мм²)

Относительное удлинение, % Сужение площади поперечного сечения, % Отношение предела текучести к пределу прочности, %

Ударная вязкость, Мдж/м²

(кгм/см²)

После нормализации 882,6(89,9) 601,1(61,3) 23,0 44,8 67,5 4,71(4,8) 500 878,6(89,6) 594,2(60,6) 24,0 48,8 67,5 5,69(5,8) 550 869,8(88,7) 581,4(59,3) 23,0 48,8 66,5 5,29(5,4) 600 824,6(84,1) 552,1(56,3) 22,0 48,0 67,0 5,98(6,1) 650 767,8(78,3) 513,8(52,4) 26,0 47,6 67,0 6,18(6,3) 680 739,3(75,4) 483,4(49,3) 27,0 52,2 65,5 6,67(6,3)

Микроструктураобсадных труб после нормализации состоит из смеси троостита с мелкопластинчатымперлитом и разорванной ферритной сетки. С повышением температуры отпуска вструктуре стали появляется сфероидизированный цементит.

Нагревповерхности трубы и прогрев её по сечению в современных печах скоростногонагрева протекает весьма интенсивно с высокой производительностью. Однако втаких печах весьма трудно, а подчас невозможно осуществить технологическуювыдержку, необходимую для протекания диффузионных процессов и фазовых превращенийв металле.

Поскольку скоростьдиффузионных процессов зависит не только от времени, но и от температуры,возникает возможность сократить во времени технологическую выдержку труб принагреве повышением температуры.

По данным исследования Б.П.Колесника [6], механическиесвойства стали марки 36Г2С после нормализации с применением скоростного нагрева(1,8-8 град/сек) получаются такими же, а в некоторых случаях и более высокими,чем после нормализации с нагрева с технологической выдержкой. При нормализациис выдержкой наиболее высокие механические свойства у исследованных сталейполучали при температуре 840-860ºC, тогда как после скоростнойнормализации оптимальная температура составила 900-960ºC. Сталь 36Г2Спосле скоростной нормализации была наиболее прочной.

Нормализация труб изстали 36Г2С при температуре нагрева 850ºC и выше с применением скоростногонагрева в секционных печах практически не изменяет предела текучести, уменьшаетна 9,8-29,4 Мн/м² (1,0-3,0 кг/мм²) временно сопротивление, несколькоувеличивает значения относительного удлинения и сужения, а также снимаетвнутреннее напряжение. Возможно, что более интенсивное охлаждение изменитуказанные показатели.[2]

5.2.Закалка и отпуск труб

 

Наивысшие показателипрочностных и пластических характеристик труб можно получить путём закалки споследующим отпуском.

Применение закалки с отпуском позволяет улучшитьсвойства труб из углеродистой или низколегированной стали до уровня или даженесколько выше свойств нормализованных труб из стали, легированной марганцем,молибденом, ванадием и др.

Внедрение в промышленности закалки с отпуском вместонормализации позволяет при производстве высокопрочных труб нефтяного сортаментасэкономить большое количество марганца, молибдена, вольфрама и других легирующихэлементов при одновременном улучшении свойств труб.

В промышленности имеют место следующие основныетехнологические приёмы улучшения стали: методический нагрев в проходных печах –закалка в ваннах – отпуск в методических печах, скоростной нагрев в секционныхпечах – закалка в спреере – отпуск в секционных или роликовых печах.Встречается также нагрев под закалку и отпуск в индукционных нагревательныхустройствах и другие сочетания указанных способов нагрева.

Методический нагрев, закалка в ваннах. Закалка труб в ваннах не получила большого примененияи вряд ли следует ожидать развития этого способа закалки в будущем.

Прочностные и пластические показатели при закалке трубв ванне, впрочем как и при других способах закалки, в сильной степени зависятот температуры закалки и, особенно, от температуры отпуска. Температуразакалочной среды также оказывает заметное, хотя и в меньшей степени, влияние напоказатели механических свойств.

Исследования (по Ф.В.Вдовину) прочностных ипластических свойств обсадных труб из стали 36Г2С, закалённых в ванне,показали, что предел прочности и предел текучести в сильной степени зависят оттемпературы отпуска.

С увеличением температуры отпуска для всех режимовнагрева и температур закалочной среды пределы прочности и текучести заметноснижаются, но не настолько, чтобы при самых высоких температурах отпуска неудовлетворять требованиям, предъявляемым к трубам марки Е. Величина относительногоудлинения при этом достигает наибольших значений при температуре отпуска650ºC.

При повышении температуры закалки предел прочностипосле отпуска понижается. Такая же картина наблюдается и по пределу текучести.

Наибольшие показатели относительного удлинения такжезависят от температуры закалки и отпуска и, например, для стали 36Г2С могутбыть получены при температуре закалки 850ºС, отпуска 650ºС.

С увеличением температуры закалочной среды пределтекучести стали после отпуска понижается, тогда как предел прочности почти неизменяется. Относительное удлинение достигает максимальных значений при закалкев воде, подогретой до температуры 40-60ºС.

Подбирая режим термической обработки, можно получитьпри определенных условиях наилучшие показатели механических свойств для сталиданной марки. Так для стали 36Г2С такими условиями являются: температура закалки850ºС, отпуска 650ºС, воды 40-60ºС.

Рисунок 6.- Микроструктура стали после закалки иотпуска.×500

Структура закаленной и отпущенной стали в этом случаесостоит из мелкодисперсного сорбита (рис.6) без свободных выделений феррита,что свидетельствует о переходе при нагреве за критическую точку Ас3, аследовательно, о полной закалке стали.

Высокие пластическиеи прочностные свойства, соответствующие требованиям марки Е, а по переделу текучести марки Л, обеспечивает полная термическая обработка труб, полученных савтоматического стана из катаной заготовки стали марки 36Г2С.

В данном случае нагрев труб под закалку осуществляли вметодической проходной печи с наклонным подом, а отпуск – в камерной печи свыдержкой порядка 2ч.

Закалку производили в ванне с водой, подогретой дотемпературы 40-60ºС.

Закалка в ванне труб (299х9мм) из сталей марок С, Д иК с температур 840-850ºС с последующим отпуском при 640-650ºСобеспечивает механические свойства более высокого класса, чем труб из этих жесталей, но термически не обработанных (табл.4).

                                                                                            Таблица 4

Механическиесвойства обсадных труб, закаленных в ванне

Марка стали Химический состав, % Механические свойства Обеспечивает категорию прочности C Mn Si P S

Предел прочности, Мн/м²

(кг/мм²)

Предел текучести, Мн/м²

(кг/мм²)

Относительное удлинение, % С 0,36 0,67 0,15 0,013 0,031

589,4-642,3

(60,1-65,5)

407,9-529,6

(41,6-53,9)

19,9-23,2 С Д 0,45 0,90 0,29 0,014 0,031

693,3-725,7

(70,7-73,9)

568,8-581,4

(58,0-59,3)

17,0-22,1 К К 0,37 1,68 0,58 0,024 0,034

745,3-769,8

(75,9-78,5)

652,1-669,7

(66,5-68,3)

17,4-20,5 Е

 Микроструктуравсех труб – сорбит различной степени дисперсности.

Скоростной нагрев, закалка в спреере. В настоящее время нет достоверных данных о влиянии намеханические свойства металла скоростного нагрева под закалку при различныхтемпературах.

При нагреве стали 36Г2С со скоростью 8 град/сек сувеличением температуры закалки от 870 до 1000ºС прочность и пластичностьстали повышаются: предел прочности с 961,0 (98) до 1098 Мн/м² (112кг/мм²), предел текучести с 813,9 (82) до 1029,6 Мн/м² (105кг/мм²), относительное удлинение с 14 до 16% и ударная вязкость с 7,84 (8)до 10,8 Мдж/м² (11 кг·м/см²).

Закалка от температуры 800-1000ºС при обычномнагреве с выдержкой практически не изменяет предела прочности и предела текучести.

Ударная вязкость и относительное сужение достигаютнаиболее высоких значений после закалки от 840ºС. Дальнейшее повышениетемпературы закалки ведет к понижению пластичности.

Скоростная термическая обработка позволяет получатьмеханические свойства даже несколько более высокие, чем при обычной термическойобработке, однако температура нагрева при скоростной закалке должна быть несколькоболее высокой.

Гладкие обсадные и другие трубы при скоростной закалкеподвергают только наружному струйному охлаждению.

Из стали низколегированной марки 36Г2С путемскоростного нагрева в сочетании со струйным охлаждением можно получать трубымарок Л и М.

Трубы размером 73х9х7000мм из стали 36Г2С химическогосостава С=0,38%, Mn=0,54%, Si=1,52%, P=0,028%, S=0,023%, Cr=0,09%, Ni=0,10% нагревалипод закалку в секционной печи со скоростью 4,6 –5,0 град/сек до температуры860-870ºС.

Охлаждение водой осуществляли в спреере сопловоготипа. Длина спреера и давление воды обеспечивали охлаждение труб до комнатнойтемпературы за время прохождения их через спреер.

Скорость нагрева труб в секционных печах под отпуск5,5-6,5 град/сек. Температура отпуска 660ºС. Охлаждение после отпуска навоздухе.

Все обработанные указанным способом трубыудовлетворяли требованиям стандарта марки М (95%) и марки Л (5%) по всемхарактеристикам механических свойств, за исключением предела прочности.

У основной массы труб (75% из стали 36Г2С) пределтекучести превышал 833,6 Мн/м2 (85 кг/мм2), а характеристики пластичности иударной вязкости не только соответствовали требованиям стандарта для сталей Л иМ, но в большинстве случаев значительно превышали их.

Относительное удлинение для 88% из стали 36Г2С быловыше 16%, ударная вязкость для 90% труб выше 8,82 Мдж/м (9кг*м/см2).²

Типичной микроструктурой металла труб послетермической обработки является сорбит отпуска. Вследствие недостаточногонагрева труб под закалку иногда наблюдалась структура сорбита с ферритнойсоставляющей по границам аустенитных зерен.

Высокая температура горячей деформации труб приводилак крупнозернистой структуре металла труб (балл 2-3), представляющей собойперлит с ферритной сеткой по границам аустенитных зерен. Такая исходнаяструктура затрудняет аустенизацию стали при скоростном нагреве под закалку. Дляулучшения качества термообработанных труб целесообразно горячекатаные трубыперед закалкой подвергать нормализации.

Увеличение давления и расхода охлаждающей воды приодностороннем охлаждении не дает положительного эффекта.

Опытные данные показали, что двустороннее охлаждение вспреере обеспечивает сквозную прокаливаемость концов обсадных труб и дает возможностьполучать из стали 36Г2С обсадные трубы марки Л и М, а из стали Д трубы марки Еи К.

Уменьшение механических свойств высаженных концовтермически обработанных труб объясняется не только изгибом волокон, что имеетместо и в трубах просто нормализованных, но также и возможной неполной прокаливаемостьюстенок. Однако, как показали исследования, в условиях достаточного нагрева иохлаждения при скоростной термической обработке можно получить трубы, у которыхмеханические свойства тела трубы и высаженных концов будут равномерными идостаточно высокими. Этому в значительной мере способствует нормализацияобсадных труб перед окончательной термической обработкой, которая измельчаетзерно стали, выросшее в процессе высадки. Более дисперсная структура металла,как известно, ускоряет его аустенизацию при нагреве, что особенно важно прискоростной термической обработке.

Предварительная нормализация повышает прочностныехарактеристики высаженных концов примерно на 10%, а характеристики пластичности– на 40-60%.

Нагрев токами высокой частоты, закалка в спреере. Установка для закалки состоит из индуктора длянагрева движущейся трубы под закалку. Нагретый участок трубы охлаждается вспреере вращающимся потоком воды, установленным непосредственно за индуктором.Отпуск закаленного участка трубы производится также путем нагрева токамивысокой частоты во втором индукторе, находящемся за спреером. Труба притермообработке движется горизонтально со скоростью примерно 1 м/мин.

Для уменьшения осевого искривления труб последниеприваривают друг к другу в непрерывную полосу.

Такой термической обработке подвергали обсадные трубыдиаметром 168 и 141 мм с толщиной стенки 8-14 мм из стали марки  36Г2С.Скоростной нагрев проводили на частоте 2500 гц.

Температура нагрева под закалку составляла850-950ºС, температура отпуска 500-725ºС в зависимости от марки сталии толщины стенки трубы.

После термической обработки значительно повышаются нетолько запас прочности труб, но их пластические свойства. Недостатком такойустановки является низкая ее производительность.[2]

5.3.Термическая обработка концов труб

Недостатком муфтовыхрезьбовых соединений обсадных труб является ослабленное тело трубы в нарезке.

Одним из способов достижения равнопрочности являетсяупрочнение концов самой трубы при помощи термической их обработки.

Технологию упрочнения концов труб ведут путем нагревавсей трубы с последующей закалкой концов в спреерной установке. В этом случаеконцы труб подвергают закалке, а всю остальную часть трубы – нормализации.

По другой технологии нагревают только концы труб споследующей их закалкой.

При нагреве под закалку только концов труб наблюдаютсядве переходные зоны: зона перехода от закалочного участка к нормализованному(температура выше Ас3) и зона с градиентом температур критического интервала ивысокого отпуска. Вторая переходная зона характеризуется снижением прочностныхсвойств примерно на 5-12%, по отношению к исходным при одновременном повышенииотносительного удлинения и относительного сужения.[2]

6.Термомеханическая обработка обсадных труб

В последнее время получают развитие новыетехнологические процессы комбинированного термомеханического воздействия наструктуру и свойства обсадных труб, позволяющие значительно улучшить ихэксплуатационные характеристики и обеспечить существенную экономию металла внародном хозяйстве.

На линии для комбинированного высокотемпературноготермомеханического упрочнения  обсадных труб горячекатаные трубы-заготовкипосле прокатки на автоматстане поступают на входную сторону раскатных станов ипрокатываются  здесь до необходимого по технологии размера. Существующиераскатные станы в соответствии с результатами проведенных ранее исследованийзаменяются более мощными двухвалковыми с осевой выдачей раската дляосуществления прокатки с обжатиями  по толщине стенки до 20%(вместо 3-5%насуществующих станах).

После раскатки трубы подвергают закалке вспрейерных охлаждающих устройствах, совмещенных с оборудованием выходнойстороны раскатных станов. Трубы, имеющие температуру на выходе в раскатныестаны, более низкую, чем задано по технологии ВТМО, после охлажденияавтоматически исключаются от потока высокопрочных труб и сбрасываются в карман.Закаленные трубы с выходной стороны станов поступают на центральный рольганг иперекладывателем через устройство для слива воды направляются на выходнойрольганг отпускной печи с шагающими балками (с поперечным перемещением труб).Эта печь (с газовым обогревом) имеет две технологические зоны: нагрева ивыдержки. Топливо сжигают в специальных, вынесенных из рабочего пространстванадсводовых топках с рециркуляцией разбавленных продуктов сгорания в рабочемпространстве печи. Конструкция шагающих балок предусматривает перекатываниетруб не только на рабочем, но и на холостом ходу балок, что обеспечиваетравномерный нагрев труб по периметру. Шагающие балки стационарные и не охлаждаются.

Далее нагретые до заданной температуры отпускатрубы поступают на рольганг выдачи, а затем в калибровочный стан. Клети этогостана нерегулируемые, с индивидуальным приводом. Стан предназначен для тёплой игорячей калибровки труб.

После калибровки трубы с температурой, близкой ктемпературе отпуска, подвергают тёплой правке на правильном стане и охлаждаютна колёсном холодильнике. При охлаждении благодаря быстрому вращению трубискривление их по длине почти отсутствует. Поэтому для высокопрочных труб холоднуюправку, как обязательную технологическую операцию можно не предусматривать. Вконце холодильника есть обводной рольганг перед станами холодной правки, покоторому высокопрочные трубы направляются непосредственно для отделки. Втаблице приведены показатели механических свойств металла труб после ВТМО.

Таблица 5

Механическиесвойства металла труб после ВТМО

Группа прочности по ГОСТ632-64 Температура тепловой деформации,ºС Временное сопротивление, кг/мм² Предел текучести, кг/мм² Относительное удлинение, % Относительное сужение, % Сталь 10 Л 600 81,0 74,1 17,5 72,0 Сталь 36Г2С М 600 100,0 84,0 20,0 62,5

Внедрение новой технологии позволит улучшитькачество труб, применить для их изготовления исходную заготовку из болеедешёвого металла и снизить эксплуатационные затраты.[7]

7.Контролькачества труб после термической

и термомеханической обработки

С целью обеспечениявысоких эксплуатационных свойств труб нефтяного сортамента при их изготовленииосуществляется тщательный пооперационный контроль геометрических размеров,механических свойств и состояния внутренней и наружной поверхностей.

Заключительной операцией технологического контроляобсадных труб является испытание внутренним гидравлическим давлением. Цельгидравлического испытания – проверка прочности тела трубы и герметичности резьбовогосоединения.

Применение закалки и отпуска в некоторых случаяхвызывает появление дополнительных дефектов, обусловленных термическойобработкой (закалочные трещины и др.). Поэтому в технологии производствавысокопрочных труб особую важность, кроме гидравлических испытаний, приобретаетконтроль качества поверхностей трубы и особенно резьбовых концов. Наружные ивнутренние дефекты значительно снижают сопротивление трубы действующимнагрузкам и могут служить причиной аварий.

Наиболее распространёнными видами контроля труб наотечественных и зарубежных заводах являются визуальный осмотр, а также контрольс помощью магнитного, ультразвукового методов и гамма-дефектоскопии.[2]

Литература:

[1]- Ю.А.Башнин, Б.К.Ушаков, А.Г.Секей, Технологиятермической обработки, М., Металлургия, 1986.

[2]- А.А.Шевченко, В.И.Стрижак, Производство труб длянефтяной промышленности, М., Металлургия, 1965.

[3]- А.А.Гайворонский, Крепление нефтяных и газовыхскважин в США, Гостоптехиздат, 1962.

[4]- Ю.М.Матвеев, производство высокопрочных обсадныхтруб, Сталь, 1953, №10.

[5]-Металловедение и термическая обработка стали.Справочник. т.III, М.: Металлургия, 1983.

[6]-Б.П.Колесник, Механические свойства углеродистой инизколегированной трубной стали после нормализации с применением скоростногонагрева, Производство труб, сб. статей УкрНИТИ, вып. 9, Металлургиздат, 1963.

[7]-В.М.Янковский и др., Чёрная металлургия, Бюл.Научн.-техн. журн., 1976, №10, ст.41.

еще рефераты
Еще работы по металлургии