Разработка составов сталей и режимов термической обработки труб нефтяного сортамента на основе критериев оценки их конструктивной прочности

Развитие нефтегазового комплекса, разработка новых месторождений с уникальными условиями добычи нефти и газа, обуславливают потребность в разнообразной номенклатуре трубной продукции. Здесь, с одной стороны, по-прежнему большой спрос на насосно-компрессорные и обсадные (НК и О) трубы рядового качества, в частности, группы прочности Д. Для таких труб, выпускаемых в горячедеформированном состоянии, лимитируется только уровень прочностных свойств. Из-за возросшей чистоты металла по вредным примесям, особенно фосфору, в последние годы столкнулись с их понижением.

С другой стороны, на заводах непрерывно возрастает объем заказов на трубы нефтяного сортамента высоких групп прочности, для которых, согласно отечественной нормативной документации и зарубежным стандартам, требования высоких прочностных свойств сочетаются со значительным уровнем вязко-пластических характеристик. Такой комплекс механических свойств достигается только в результате термообработки, включающей закалку (или нормализацию) с печного нагрева и высокотемпературный отпуск. Реализация термоулучшения возможна для трубных сталей, обладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита для формирования в широком диапазоне скоростей охлаждения необходимого количества низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита).

Для достижения требуемого соотношения цена-качество при массовом производстве НК и О труб стали должны быть экономнолегированными (особенно по Сг и Мо), что требует тщательного научно-обоснованного подбора их композиций и применения оптимальных режимов термообработки. Это требует знания закономерностей формирования структуры и механических свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей при ускоренном охлаждении и высокотемпературном отпуске. Такой комплекс научно-технических вопросов удается решить при проведении широкого круга исследований как в лабораторных, так и цеховых условиях.

Следовательно, отыскание закономерностей влияния составов среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на структуру и комплекс механических свойств, способствующих, в частности, стабильному производству НК и О труб для нефтегазовой отрасли, предопределило актуальность темы данной диссертационной работы.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ: № 2142 «Физикохимия синтеза и обработки перспективных материалов на основе переходных металлов» ГР № 1 200 205 925 (2002;2006 гг) — единый заказнаряд Минобрнауки РФ и «Программой научно-технического сотрудничества ОАО „ТМК“ на 2006;2009 гг».

Целью данной диссертационной работы явилось изучение закономерностей влияния состава среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на их структуру и механические свойства и разработка на их основе композиций сталей и режимов термической обработки труб нефтяного сортамента групп прочности Д, Е по ГОСТ 633(632)-80 и N80 тип 1 по API 5СТ-8 на производственных мощностях ОАО «Синарский трубный завод».

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— показать возможность аналитической оценки по химическому составу механических свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей с использованием различных соотношений и обосновать их использование для прогнозирования механических свойств бесшовных горячедеформированных труб;

— исследовать кинетику фазовых превращений, микроструктуру и механические свойства применяемых в ОАО «СинТЗ» сталей типа 37ХГФМ, 26ХМФА, ЗОХМА, 32ХМА-3 и установить корреляционные зависимости между составами сталей, технологическими режимами производства и механическими свойствами труб;

— скорректировать химические составы сталей для гарантированного получения механических свойств труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80;

— разработать рекомендации по химическому составу и режимам термической обработки труб, имеющих комплекс механических свойств (сгв>689 МПа, а0,2=552−758 МПа, KV0 > 27 Дж, площадь сдвигадоля волокнистой составляющей (ДВС) в изломе> 75%), отвечающий группе прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

Научная новизна.

1. Показана возможность прогнозирования по химическому составу низколегированных сталей механических свойств бесшовных горячедеформированных труб с использованием аналитических уравнений.

2. Для сталей типа 37ХГФМ, 38Г2СФ, 28ХГМ, 28ХГМФ построены термокинетические диаграммы (ТКД) распада переохлажденного аустенита.

3. На основе анализа ТКД совместно с микроструктурными и дюраметрическими данными выбран круг сталей, обеспечивающих при охлаждении на спокойном воздухе со скоростью 2−4°С/с (нормализации) образование в структуре не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита), что требуется для изготовления труб повышенных групп прочности.

4. Найдены закономерности влияния параметра отпуска, учитывающего совместное действие температуры и длительности изотермической выдержки, на изменение микроструктуры и механических свойств. Показано, что после нормализации и высокотемпературного отпуска стали 28ХГМ и 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при образовании преимущественно субзеренной структуры.

Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов в лабораторных и цеховых условиях, сопоставлением их с известными литературными данными, а также широким опробованием в промышленных условиях разработанных составов сталей и технологии производства труб.

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований модернизированы составы сталей типа Д и 37ХГФ, что обеспечило 100% выход годного по механическим свойствам при массовом производстве насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80 в ОАО «СинТЗ». Обосновано использование эмпирического показателя Ст для корректировки химического состава сталей Д и 37ХГФ, а также выбора сталей для труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. Требование по Ст введено во всю нормативную документацию на поставку трубной заготовки из данных сталей.

В результате проведенных исследований подобраны марки сталей и разработана технология производства насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. В ОАО «СинТЗ» изготовлены опытные партии труб с толщиной стенки от 5,5 до 7,0 мм, химический состав и технология изготовления которых соответствует разработанным в диссертации рекомендациям. Действующая на заводе технологическая документация на изготовление данного вида труб составлена на основе положений настоящей работы по выбору материала и режимов термической обработки.

Основные положения диссертации и ее отдельные результаты работы были доложены и обсуждены на IV Уральской школе-семинаре металловедовмолодых ученых (Екатеринбург, 2002г) — XVII Всероссийской школе металловедовтермистов (Киров, 2004г) — Российской конференции по трубному производству «Трубы России-2004» (Екатеринбург, 2004г) — Всероссийской конференции «Проблемы и пути развития трубной промышленности в свете реализации закона РФ «О техническом регулировании» (Челябинск, 2004г) — V международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск, 2005г), XIII международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2005» (Челябинск, 2005г) — XVIII Уральской школе металловедовтермистов (Тольятти, 2006г) — V конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России (Королев, 2006г) — XIV Международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2006» (Челябинск, 2006г) — Неделе металлов в Москве (Москва, 2007г), XIX Уральской школе металловедовтермистов (Екатеринбург, 2008г).

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю профессору кафедры ТО и ФМ доктору технических наук Фарберу В. М. за становление автора, как специалиста, за помощь в постановке задач исследований и обсуждении их результатов. Также выражаю благодарность доценту кафедры «Термической обработки и физики металлов», кандидату технических наук Хотинову В. А. за помощь в проведении ряда экспериментов, доцентам кафедры ОМД, кандидатам технических наук Швейкину В. П. и Паршакову С. И. за содействие в работе. Считаю своим долгом выразить признательность коллективу центральной заводской лаборатории ОАО «СинТЗ», ее начальнику, кандидату технических наук Горожанину П. Ю., заместителю начальника по новым видам продукции.

Лефлеру М.Н., начальнику лаборатории металловедения и термической обработки, кандидату технических наук Жуковой С. Ю. за постоянную поддержку и помощь на всех этапах проведения данной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Показано, что прочностные свойства (ав, ат) трубных сталей с феррито-перлитной структурой (типа 10, 17ГСА, Д и др.) можно оценивать по их химическому составу при помощи аналитических уравнений, учитывающих аддитивный вклад отдельных химических элементов со скорректированными значениями коэффициентов у них.

2. Установлено существование корреляции между эмпирисеским показателем Ст= C+Mn/6+(Cr+Ni+Cu)+Mo/4 и механическими характеристиками среднеуглеродистых сталей в горячедеформированном состоянии. Обосновано существование связи между показателем Ст и минимальной скоростью непрерывного охлаждения, приводящей к формированию наряду с ферритом и перлитом первых порций бейнита.

3.

Введение

дополнительного ограничения по Ст для сталей Д-8 и 37ХГФМ позволило гарантированно получать требуемый уровень механических свойств насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки. В 2006;2008 годах в условиях ОАО «СинТЗ» из данных сталей изготовлено более 130 тыс. тонн труб нефтяного сортамента в полном соответствии с требованиями для труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80.

4. Найдено, что среди широкого круга изученных сталей 26ХМФА, 28ХГМ, 28ХГМФ, ЗОХМА, 32ХМА-3, 37ХГФМ, вновь разработанные стали 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшее сочетание прочностных и вязко-пластических характеристик после нормализации и высокотемпературного отпуска, отвечающее требованиям группы прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

5. На основе исследования влияния температур нормализации с 850 по 1000 °C, условий отпуска в широком интервале 17,8.23,6 параметра Р = Т0тп" (С + lgxoxn)-10″ 3 на комплекс механических свойств установлено, что трубы из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при формировании после нормализации наряду с ферритом и перлитом не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита) и преимущественно субзеренной структуры после высокотемпературного отпуска.

6. Разработана технология и режимы термической обработки (нормализация без изотермической выдержки с последующим высокотемпературным отпуском длительностью 0,25.0,50 ч) насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

7. В ОАО «СинТЗ» выпущены опытные партии труб размером 73×5,5 мм в полном соответствии с требованиями группы прочности N 80(1) уровня PSL-2 из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ. Трубы имеют комплекс механических свойств после нормализации от 850.900°С и последующего отпуска по режиму ТОХП=650°С, тотп=0,25. 0,50ч для стали 28ХГМ (ав=700.740МПа, ат=560.625МПа, КУ°=85.100Дж, ДВС=85.95%) и режиму Тотп=700°С, тотп=0,25.0,50ч для стали 28ХГМФ (ав=720.825МПа, ат-635.725МПа, КУ°=50. .95Дж, ДВС=75.90%).