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

--PAGE_BREAK--Механические свойства материала обсадных труб 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
    продолжение
--PAGE_BREAK--
Обсадные трубы в обязательном порядке подвергают гидравлическим испытаниям для проверки прочности тела трубы и герметичности резьбового соединения. Стандартом API предусмотрено испытание внутренним гидравлическим давлением обсадных труб диаметром до 245мм, вызывающим в теле трубы напряжения, равные 80% от предела текучести материала, а труб большого диаметра – 60%. Для высокопрочных труб, идущих на глубокие скважины, рекомендуют доводить напряжения в теле трубы до 95% от предела текучести материала [3].
3.Материал обсадных труб


Техническими условиями на трубы нефтяного сортамента химический состав сталей, за исключением серы и фосфора, не оговаривается и марка стали выбирается изготовителем по технико-экономическим соображениям и регламентируется в технологической документации. Максимальное содержание элементов определяется применяемым исходным сырьём и способом выплавки стали и находится в пределах 0,030-0,065% для серы и 0,035-0,110% для фосфора.

                                                                                                      Таблица 2
Химический состав сталей для обсадных труб, применяемых в СНГ
Категория 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
    продолжение
--PAGE_BREAK--
Для получения труб более высоких категорий прочности возможны два пути [4]:

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

2)применение простых углеродистых или низколегированных сталей с последующей закалкой и отпуском.
4.Технологическая схема производства обсадных труб

Технология производства труб нефтяного сортамента определяется видом труб, категорией прочности и применяемым для их изготовления материалом. По категории прочности трубы нефтяного 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 (55-75 кг/мм²),

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

Рисунок 2.- Технологическая схема производства обсадных труб
  Обсадные трубы обычной прочности с минимальным пределом текучести до 490,3 Мн/м² (50 кг/мм²) изготавливают по следующей технологической схеме (рис.2). Горячая прокатка 1, обрезка концов и снятие фасок 2, нарезка резьбы 9, навёртка муфт 10, гидроиспытание 11 и покраска 12. Термическая обработка этих труб (нормализация) производится только в случае получения неудовлетворительных механических свойств. Опыт эксплуатации труб категории прочности К (минимальный предел текучести   490,3 Мн/м² (50 кг/мм²) )показывает, что трубы этой категории необходимо подвергать нормализации, так как эти трубы имеют неравномерные механические свойства по длине вследствие местной подкалки при прокатке.

Обсадные трубы высокой прочности в зависимости от применяемого материала могут изготавливаться по двум технологическим схемам. Для легированных сталей технологическая схема следующая: после прокатки 1 и обрезки концов 2 трубы подвергают нормализации в печи 3 и отпуску в печи 5. Иногда для труб категории прочности Е применяют нормализацию с прокатного нагрева. После термической обработки трубы калибруют по наружному диаметру 6. Однако в этом случае операцию калибровки опускают вследствие отсутствия калибровочных станов в потоке печей и после термообработки трубы направляют прямо на правильные станы 7. После правки контролируют состояние наружной поверхности труб 8, нарезают резьбу 9 и навинчивают муфты 10. Трубы с муфтой проверяют на прочность и герметичность резьбового соединения путём гидравлических испытаний на прессах 11. После гидроиспытаний трубы окрашивают, маркируют и направляют на склад готовой продукции.

Технологическая схема изготовления высокопрочных труб из углеродистых и низколегированных сталей отличается от описанной выше только термической обработкой. После обрезки концов на станках 2 трубы нагревают до температур закалки в печи 3, охлаждают в специальных устройствах 4 и затем подвергают отпуску в печи 5. При применении закалки и отпуска вследствие искажения точности поперечного сечения и увеличения кривизны операции калибровки и правки обязательны. Для снижения прочности материала труб при калибровке и правке эти операции должны выполняться при температурах 200-500ºC. После правки труб выполняют операции, обозначенные на рис.2 позициями 8-12.[2]
5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С

Термическая обработка – важнейшая составная часть технологии производства различных видов стальных труб.

Основные цели термической обработки труб следующие:

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

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

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

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

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

5.1.Нормализация труб

При производстве труб нефтяного сортамента нормализацию как термическую операцию применяют в тех случаях, когда требуемые механические свойства металла труб (предел текучести до 539,4 Мн/м² (55 кг/мм²) можно получить из стали простой, дешёвой марки типа 36Г2С).

Нормализацию труб следует производить после полного их потемнения после прокатки. В этом случае крупнозернистая и неоднородная структура стали, полученная в результате высокого нагрева перед прокаткой, подвергается по существу перекристаллизации в процессе охлаждения и последующего нагрева под нормализацию.

Температура нормализации труб марки 36Г2С находится в пределах 830-890ºC. Если после нормализации предел текучести или предел прочности ниже обусловленных ГОСТом норм, то температуру повторной нормализации следует повысить на 20-30ºC. Неудовлетворительные результаты испытаний по относительному удлинению, относительному сужению или ударной вязкости можно исправить снижением температуры на 20-30ºC.

Заметное влияние на изменение механических свойств оказывает скорость охлаждения труб. Для труб из стали 36Г2С применение ускоренного охлаждения обдувкой воздухом повышает предел прочности высаженных концов на 4,5%, предел текучести на 5,4%, ударную вязкость на 13,7%, относительное удлинение практически остаётся без изменения.

Точные режимы термической обработки устанавливают при помощи лабораторных и цеховых экспериментов с учётом термической характеристики печи, условий охлаждения и специфичности свойств данной стали. Температура нормализации для стали данной марки должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить получение гомогенно-бейнитной структуры, являющейся основой для получения после отпуска высоких прочностных и пластических свойств.

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

Контроль температуры труб при нагреве и выдержке в методических печах производят термопарой, вставляемой в трубу. Температура печи контролируется по боковым и сводовым термопарам, а температура выдаваемых труб – с помощью оптического пирометра или других приборов. Боковые термопары устанавливают так, чтобы их показания были выше температуры металла на 20-30ºC.

На величину зерна и механические свойства нормализуемых труб, кроме температуры нагрева металла и скорости охлаждения, оказывает также влияние время нагрева и выдержки металла в печи. Для получения мелкозернистой структуры время выдержки не должно превышать определённо величины.

Общая продолжительность нагрева в методических печах с наклонным подом для труб с толщиной стенки от 7 до 30 мм колеблется от 70 до 140 мин, время выдержки от 10 до 25 мин. Меньшее время соответствует трубам  меньшими стенкой и диаметром.

Нормализация с охлаждением на воздухе обсадных труб из стали 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 из крупных, 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 в производственных условиях струёй сжатого воздуха повышает предел прочности и относительное удлинение, однако предел текучести при этом находится на границе норм.

Макроструктура этой стали после охлаждения струёй сжатого воздуха (рис.4) имеет более мелкое зерно, направленность структурных составляющих отсутствует.
Рисунок 4.-Микроструктура стали 36Г2С после охлаждения струёй сжатого воздуха.×400

Возможно, что достаточно сильное охлаждение по всей длине труб при условии их вращения позволит наладить получение обсадных труб из стали 36Г2С марки Е. Об этом свидетельствует мелкозернистая микроструктура стали (рис.5), полученная при интенсивном охлаждении патрубков струёй воздуха. Соответствующие этой структуре механические свойства надёжно гарантируют получение обсадных труб марки Е.
Рисунок 5.- Микроструктура стали 36Г2С после интенсивного воздушного охлаждения с вращением трубы.×400

В таблице 3 приведены механические свойства обсадных труб после нормализации и отпуска при различных температурах.
                                                                                             Таблица 3

Механические свойства 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)
    продолжение
--PAGE_BREAK--
Микроструктура обсадных труб после нормализации состоит из смеси троостита с мелкопластинчатым перлитом и разорванной ферритной сетки. С повышением температуры отпуска в структуре стали появляется сфероидизированный цементит.

Нагрев поверхности трубы и прогрев её по сечению в современных печах скоростного нагрева протекает весьма интенсивно с высокой производительностью. Однако в таких печах весьма трудно, а подчас невозможно осуществить технологическую выдержку, необходимую для протекания диффузионных процессов и фазовых превращений в металле.

Поскольку скорость диффузионных процессов зависит не только от времени, но и от температуры, возникает возможность сократить во времени технологическую выдержку труб при нагреве повышением температуры.

По данным исследования Б.П.Колесника [6], механические свойства 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 нормализации с выдержкой наиболее высокие механические свойства у исследованных сталей получали при температуре 840-860ºC, тогда как после скоростной нормализации оптимальная температура составила 900-960ºC. Сталь 36Г2С после скоростной нормализации была наиболее прочной.

Нормализация труб из стали 36Г2С при температуре нагрева 850ºC и выше с применением скоростного нагрева в секционных печах практически не изменяет предела текучести, уменьшает на 9,8-29,4 Мн/м² (1,0-3,0 кг/мм²) временно сопротивление, несколько увеличивает значения относительного удлинения и сужения, а также снимает внутреннее напряжение. Возможно, что более интенсивное охлаждение изменит указанные показатели.[2]
5.2.Закалка и отпуск труб

Наивысшие показатели прочностных и пластических характеристик труб можно получить путём закалки с последующим отпуском.

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

Внедрение в промышленности закалки с отпуском вместо нормализации позволяет при производстве высокопрочных труб нефтяного сортамента сэкономить большое количество марганца, молибдена, вольфрама и других легирующих элементов при одновременном улучшении свойств труб.

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

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

Прочностные и пластические показатели при закалке труб в ванне, впрочем как и при других способах закалки, в сильной степени зависят от температуры закалки и, особенно, от температуры отпуска. Температура закалочной среды также оказывает заметное, хотя и в меньшей степени, влияние на показатели механических свойств.

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

С увеличением температуры отпуска для всех режимов нагрева и температур закалочной среды пределы прочности и текучести заметно снижаются, но не настолько, чтобы при самых высоких температурах отпуска не удовлетворять требованиям, предъявляемым к трубам марки Е. Величина относительного удлинения при этом достигает наибольших значений при температуре отпуска 650ºC.

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

Наибольшие показатели относительного удлинения также зависят от температуры закалки и отпуска и, например, для стали 36Г2С могут быть получены при температуре закалки 850ºС, отпуска 650ºС.

С увеличением температуры закалочной среды предел текучести стали после отпуска понижается, тогда как предел прочности почти не изменяется. Относительное удлинение достигает максимальных значений при закалке в воде, подогретой до температуры 40-60ºС.

Подбирая режим термической обработки, можно получить при определенных условиях наилучшие показатели механических свойств для стали данной марки. Так для стали 36Г2С такими условиями являются: температура закалки 850ºС, отпуска 650ºС, воды 40-60ºС.
Рисунок 6.- Микроструктура стали после закалки и отпуска.×500
Структура закаленной и отпущенной стали в этом случае состоит из мелкодисперсного сорбита (рис.6) без свободных выделений феррита, что свидетельствует о переходе при нагреве за критическую точку Ас3, а следовательно, о полной закалке стали.

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

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

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

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

Механические свойства 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     продолжение
--PAGE_BREAK--