Способ изготовления высокопрочных труб

 

Использование: повышение прочности, изготовление высокопрочной трубы в существующем потоке трубопрокатного производства. Закалка труб осуществляется в процессе охлаждения на воздухе непосредственно с прокатного нагрева. Поэтому исключаются капитальные затраты на организацию термического производства. Сущность заявляемого способа заключается в том, что для изготовления трубы используют сталь с низким содержанием углерода, менее 0,18% и комплексным легированием хромом, марганцем, ванадием, никелем, молибденом, ниобием, бором, алюминием, обеспечивающим закалку стали с образованием мартенситной структуры при охлаждении на воздухе непосредственно с температур горячей прокатки. Соблюдение предлагаемого температурного режима прокатки, редуцирования и отпуска при заданной величине деформации гарантирует получение трубы с высокой прочностью. 4 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к металлургии, а также к способам изготовления металлических труб, включающим изменение структуры металла и может быть применено при изготовлении длинномерных высокопрочных труб, работающих в условиях высокого давления в коррозионной среде, например, насоснокомпрессорных и обсадных труб для добычи нефти.

Известен способ получения термоупрочненного проката, а именно полос из углеродистых и низколегированных сталей, в котором заданный предел текучести обеспечивается заданной температурой конца прокатки и охлаждением до 500-600^oС полос ламинарными струями воды с регламентируемым расходом ее [1] Указанный способ имеет следующие недостатки: низкая прочность проката, не более 500 Н/мм²; предполагает использование воды с регламентируемым расходом, что усложняет технологический процесс. В практике прокатного производства осуществить его без капитальных затрат на специальное оборудование невозможно.

Известен другой способ получения проката, термоупрочненного с прокатного нагрева, а именно, толстолистового проката из сталей феррито-перлитного класса [2] Способ включает нагрев заготовки до заданной температуры и многостадийную пластическую деформацию с заданной степенью на каждой стадии с последующим охлаждением в воде. Цель повышение механических свойств достигается путем измельчения структуры в процессе охлаждения заготовки после каждой стадии деформации до температуры ниже Аг3 на 20-100^oС и последующего нагрева до температур выше Ас3 на 20-100^oС. Процесс деформации осуществляется за 3-5 стадий.

Данный способ также имеет существенные недостатки.

Стали феррито-перлитного класса после измельчения структуры не обеспечивают предел текучести более 500 Н/мм².

Использование воды для охлаждения в процессе прокатки и многостадийной деформации с заданными режимами нагрева и степени деформации усложняет технологический процесс. В практике трубопрокатного производства на существующем оборудовании не может быть осуществлен.

Запатентован способ производства сортовой стали с содержанием углерода С 0,1-0,55% включающий нагрев, горячую прокатку и охлаждение металла до температуры окружающей среды на холодильнике стана при укладке на нем штанг [3] При этом задается в зависимости от содержания углерода температура начала прокатки при температуре конца прокатки более 950^oС, и способ укладки штанг на холодильник: один или два ряда вплотную друг к другу.

Данный способ имеет следующие недостатки.

Не обеспечивает в прокате свойства: предел прочности более 655 Н/мм², предел текучести более 552 Н/мм².

Способ охлаждения проката не обеспечивает получения в заготовке структуры мартенсита.

Высокопрочные, например, насосно-компрессорные и обсадные трубы можно изготовить с применением после прокатки упрочняющей термической обработки, заключающейся в отдельном нагреве трубы до температуры аустенитизации, ускоренном охлаждении в воде, масле или другой жидкой охлаждающей среде, отпуске на требуемые свойства. По такой технологии производят высокопрочные насосно-компрессорные трубы в США, Японии, ФРГ и др. Это, например, трубы марки С90, С95, Р110, 0125; они изготавливаются из сталей, химический состав которых близок отечественным сталям типа 35ХНМ, 50Г2, 50Г2Н, в соответствии со спецификацией АР1 (американского нефтяного института) трубы имеют предел прочности σ_в = 689-931 Н/мм² после закалки в масло и отпуска (Spec 5CT Casing and Tubing/Metric Units).

Такую технологию трубопрокатные заводы РФ не могут осуществить из-за отсутствия специального термического оборудования.

Наиболее близок к заявляемому аналог способ изготовления длинномерных насосно-компрессорных труб из среднеуглеродистых конструкционных сталей типа ст. 45, ст.36Г2С включающий высокотемпературный нагрев заготовки, прошивку, раскатку стенки, подогрев, редуцирование или калибровка диаметра, охлаждение на холодильнике стана, правку [4] Указанный способ имеет существенный недостаток: он не позволяет получить трубу с прочностью более 655 Н/мм², т.е. таким способом можно получить только трубы групп прочности Д и К по ГОСТ-633-80. Кроме того, практика производства этих труб показала, что свойства их при изменении химического состава в пределах, заданных ГОСТом, не стабильны.

Целью изобретения является получение технико-экономического результата, заключающегося в повышении прочности горячекатанных труб, в том числе насосно-компрессорных и обсадных, изготовленных на существующем оборудовании трубопрокатных заводов.

Это достигается тем, что предложен способ изготовления горячекатанных высокопрочных труб, в том числе насосно-компрессорных и обсадных, включающий высокотемпературный нагрев, прошивку, раскатку стенки, подогрев, редуцирование или калибровку диаметра, охлаждение на воздухе и отпуск труб из низкоуглеродистой стали (С до 0,18%), легированной хромом, марганцем, ванадием, никелем, молибденом, алюминием, бором, азотом, РЗМ таким образом, чтобы охлаждении на воздухе на холодильнике стана на расстоянии, исключающем соприкосновение труб, труба закалилась с образованием структуры мартенсита, обеспечивающим предел прочности 1000 1100 Н/мм². Содержание углерода менее 0,18% должно обеспечить высокую пластичность и вязкость мартенсита, низкий уровень остаточных напряжений.

Низкоуглеродистый мартенсит, полученный при охлаждении на воздухе, гарантирует минимальные деформации в трубе при термоупрочнении, т.к. температурные и структурные напряжения для заготовок из таких сталей минимальны в сравнении с напряжениями в заготовках из среднеуглеродистых (С 0,20 0,45) сталей, закаливаемых в масле или в воде. Следовательно, точность и прочность готовых труб из низкоуглеродистой мартенситной стали, изготовленных по предлагаемому способу, будет выше, и трудоемкость правки значительно ниже, чем труб, изготовленных по способу с применением самостоятельной операции закалки.

Режимы нагрева под прошивку и редуцирование в предлагаемом способе производства установлены по результатам исследования влияния температуры и условий деформации на механические и технологические свойства стали. Характеристики прочности стали при понижении температуры испытаний наиболее существенно повышаются при температуре ниже 900^oС следовательно, температура конца деформации не должна быть ниже 900^oС. Опытное опробование показало, что оптимальной температурой конца редуцирования для данной стали является Т 950^oС. Поэтому подогрев под редуцирование должен осуществляться до Т 1000-1050^oС.

Для оценки технологичности в горячем трубном переделе и назначении температурных режимов деформации проводили испытания образцов на кручение и прошиваемость при высоких температурах. Результаты этих испытаний показали, что число скручиваний и усилие скручивания, например, для стали 08Х2Г2Ф плавно увеличивается в диапазоне температур горячей деформации 1100-1270^oС, однако максимальный нагрев под прошивку ограничивается температурой, приводящей к росту зерна и снижению ударной вязкости. Для данной стали это температура 1270^oС.

Испытания на прошиваемость при Т 1230-1270^oС показали, что данная температура нагрева гарантирует высокую технологичность при прошивке. Поэтому температуру нагрева под прошивку для предлагаемого способа производства труб назначили Т 1150-1250^oС в зависимости от типа трубопрокатного агрегата.

Экспериментальная прокатка трубы из стали 07Х3НМЮА с однократным нагревом под прошивку, раскатку стенки 1230- 1250^oС, подогревом под редуцирование 1000-1050^oС с суммарной деформацией μ = 5,4 показала, что данный температурно-деформационный режим обеспечивает в трубе после охлаждения на воздухе с прокатного нагрева предел прочности не ниже 1000 Н/мм².

Температура отпуска на требуемые свойства выбрана по результатам лабораторного исследования свойств стали в зависимости от температуры отпуска (табл.1).

Результаты испытаний механических свойств позволили установить режимы отпуска для труб, закаленных охлаждением на воздухе с температур прокатного нагрева; температуры отпуска для обеспечения соответствующих групп прочности приведены в табл.2, длительность отпуска 1-1,5 ч.

Таким образом, повышение прочности и пластичности насосно-компрессорных труб обеспечивается совокупностью выбора стали и закалкой на воздухе непосредственно с температур прокатного нагрева, заданным температурным режимом прокатки и отпуска.

Сопоставление существенных признаков аналога способа, наиболее близкого к предлагаемому, и предлагаемого технического решения показывает, что предлагаемый способ обладает новизной по следующим признакам.

В аналоге применяют среднеуглеродистые стали типа ст.45, 36Г2С и трубы после охлаждения на стане имеют структуру нормализованной углеродистой стали перлит с пределом прочности не более 650 Н/мм².

В предлагаемом решении используют специальные низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,18% легированные таким образом, чтобы в результате закалки на воздухе обеспечить структуру мартенсита с пределом прочности более 1000 Н/мм².

В аналоге скорость охлаждения и расположение труб на холодильнике стана не регламентируется; в предлагаемом решении расположение труб должно обеспечить скорость охлаждения до температуры мартенситного превращения предлагаемой стали 370-400^oС не менее критической, что достигается охлаждением труб на воздухе при расположении труб на холодильнике стана в один ряд с расстоянием между трубами, исключающем их соприкосновение.

В аналоге трубы после прокатки не отпускают; в предлагаемом решении для обеспечения свойств, соответствующих группам прочности Е, Л, М, Р по ГОСТ-633-80, трубы подвергают отпуску, для варианта обработки с выдержкой при температуре цеха 15-30^oС прочность труб выше, чем в аналоге.

В аналоге температура подогрева под редуцирование 950^oС; в предлагаемом способе подогрев под редуцирование 1000-1050^oС, что обусловлено применением стали с низким содержанием углерода и необходимостью обеспечить прокаливаемость трубы при охлаждении на воздухе.

Пример. Предложенным способом изготовлена партия насосно-компрессорных труб ⊘ 73·5,5 из стали 08Х2Г2Ф. Химический состав приведен в табл.3.

Исходной заготовкой был сортовой прокат диаметром 90 мм, изготовленный на ЗКО г.Волгоград (по ТУ 14-1-5016-91). Заготовку диаметром 90 мм нагревали до 1230-1250^oС, прошивали со степенью деформации ε = 60%, получали заготовки ⊘ 98·9 мм, которые раскатывали на двухпроходном автоматическом стане с калибровкой стенки со степенью деформации ε = 45% в заготовку ⊘ 89·5 мм; далее заготовку на обкатной машине раскатывали в ⊘ 95·5 мм с одновременным разглаживанием внутренней поверхности стенки. После подогрева заготовки до Т 1020 С ее редуцировали на ⊘ 73·5,5 мм со степенью деформации ε = 10-13%, охлаждение труб до потемнения проходило на холодильнике стана, где трубы лежали в один ряд с расстоянием между трубами 70-80 мм, охлажденные трубы правили, подрезали торцы, контролировали на соответствие требованиям ТУ 14-159-230-93 по геометрии, состоянию поверхности, механическим свойствам.

В результате охлаждения на воздухе после прокатки трубы закалились с образованием структуры низкоуглеродистого мартенсита с твердостью НРС 30-32 единицы и механическими свойствами, приведенными в табл.4.

Для изготовления насосно-компрессорных труб групп прочности Е, Л, М, Р (ГОСТ 633-80) трубы отпускали в течение 2 ч при температурах 650, 590, 550, 300^oС соответственно. Механические свойства труб после отпуска приведены в табл.5.

Формула изобретения

1. Способ изготовления высокопрочных труб, например насосно-компрессорных и обсадных труб, из малолегированной стали, включающий высокотемпературный нагрев, прошивку, раскатку стенки, подогрев, редуцирование или калибрование диаметра, охлаждение, отличающийся тем, что трубу изготавливают из стали, содержащей углерод в пределах 0,06 0,18% и легированной хромом, марганцем, никелем, молибденом, ванадием, ниобием, алюминием, бором, азотом и РЗМ в количествах и соотношении элементов, обеспечивающих закалку охлаждением на воздухе; однократный нагрев под прошивку осуществляют до 1150 1250^oС, подогрев под редуцирование или калибрование диаметра осуществляют до 1000 - 1050^oС, охлаждение прокатанной трубы до температуры конца мартенситного превращения ведут на воздухе на холодильнике стана при укладке труб, исключающей их соприкосновение, отпускают при 300 670^oС или выдерживают при 15 30^oС в течение не менее 8 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубы изготавливают из стали следующего химического состава, Углерод 0,06 0,15 Марганец 1,6 2,0 Хром 1,8 2,2 Ванадий 0,05 0,11 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубы изготавливают из стали следующего химического состава, Углерод 0,10 0,17
Хром 2,6 3,10
Марганец 1,3 1,6
Молибден 0,2 0,3
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубы изготавливают из стали следующего химического состава,
Углерод 0,14 0,18
Хром 2,5 3,3
Марганец 1,0 1,4
Ванадий 0,15 0,20
Азот 0,006 0,020
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубы изготавливают из стали следующего химического состава,
Углерод 0,06 0,10
Хром 2,9 3,4
Никель 0,8 1,2
Молибден 0,2 0,3
Алюминий 0,01 0,05