Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения прочности зоны сварного соединения бурильных труб способ включает отпуск зоны сварного соединения путем нагрева токами средней частоты до температуры 400-450°C с выдержкой не менее 60 секунд и охлаждением на спокойном воздухе, а также последующую закалку нагревом токами высокой частоты до температуры Ас3+200÷250°C с охлаждением в спрейере потоком воды. Способ обеспечивает соединениям бурильных труб без высаженных частей с замками высокое сопротивление усталостным нагрузкам. Кроме того, выявлено снижение энергетических и временных затрат на производство труб без высаженных концов, повышение технологичности процесса, снижение потерь металла на окалинообразование, сохранение точности геометрии труб. 2 табл.

 

Настоящее изобретение относится к локальной термической обработке методом индукционного нагрева зоны сварного соединения бурильных труб с замками, преимущественно при изготовлении бурильных труб из легированных марок стали, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей тела трубы.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату к заявляемому способу является Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб (патент RU 2537633, МПК C21D 9/50; C21D 9/08; опубликован 10.01.2015), который включает в себя нагрев труб до температуры (Ас3+70÷120°C), охлаждение и отпуск в диапазоне температур Ac1÷80°C, а по второму варианту - нагрев под аустенизацию до температуры Ac3+(70÷120)°C, охлаждение, дополнительный нагрев в межкритическом интервале температур Ac1+(30÷80)°C, отпуск. Однако данный способ ввиду охлаждения аустенитной структуры на воздухе способствует снижению прочности материала в зоне сварного соединения по сравнению с материалом тела трубы после закалки и отпуска и может быть применим только для термической обработки сварного шва бурильной трубы с высаженными концами, компенсирующими пониженную прочность материала в этой зоне по сравнению с телом трубы. Кроме того, данный способ характеризуется большими энергетическими и временными затратами.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, и которая не могла быть решена при использовании прототипа изобретения, является расширение арсенала технических средств путем создания способа термической обработки сварных элементов геологоразведочных бурильных труб, а именно труб с приварными замковыми деталями, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей (толщина стенки в зоне сварного соединения равна толщине стенки трубы), что весьма затрудняет создание равнопрочных конструкций зоны сварного шва с телом трубы. Способ должен обеспечивать интегральную прочность зоны сварного соединения на уровне материала тела трубы после закалки и отпуска наряду с обеспечением стойкости к воздействию знакопеременных нагрузок, а также минимальные энергетические и временные затраты на его реализацию.

Для решения указанной проблемы в способе термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб, включающем отпуск и следующий за ним дополнительный нагрев, отпуск производят токами средней частоты до температуры 400-450°С, выдержке не менее 60 секунд и охлаждением на спокойном воздухе, а дополнительный нагрев включает в себя закалку токами высокой частоты (ТВЧ) до температуры Ас3+200÷250°C с последующим охлаждением в спрейере потоком воды.

При первом нагреве зоны сварного шва до температуры 400-450°С происходит отпуск закаленной структуры зоны термомеханического влияния, сформированной в процессе сварки трением. В результате происходит снижение термических напряжений после сварки в приконтактных зонах, и микроструктура зоны сварного соединения состоит из дисперсных продуктов отпуска мартенсита или мартенсито-бейнитной структуры, приближенной к структуре материала тела трубы. Экспериментально установлено, что более высокая температура отпуска будет способствовать разупрочнению переходного участка от зоны термомеханического влияния к основному металлу, а более низкая температура не обеспечит диффузионного распада мартенсита. При повторном нагреве токами высокой частоты до температуры Ас3+200÷250°C и последующем охлаждении в потоке воды происходит поверхностная закалка зоны сварного соединения с образованием упрочненного слоя глубиной 1-1,2 мм и твердостью не менее 45-50 HRC. Указанная высокая температура нагрева под закалку ТВЧ обусловлена смещением процесса образования аустенита в область более высоких температур в случае высокоскоростного индукционного нагрева. Поэтому при более низких температурах нагрева гомогенизация аустенита пройдет не полностью, а в случае значительного перегрева возможен рост зерна аустенита и появление хрупкости поверхностного слоя.

Вышеуказанные режимы приводят к формированию благоприятного структурного состояния зоны сварного соединения бурильных труб без высадки концов с замками с точки зрения обеспечения прочности и высокого сопротивления усталостным нагрузкам. Кроме того, в результате термической обработки по заявляемому способу выявлено снижение энергетических и временных затрат на их производство, повышение технологичности процесса, снижение потерь металла на окалинообразование, сохранение точности геометрии труб.

В таблице 1 приведены результаты определения механических свойств сварного соединения при испытании на статическое растяжение.

В таблице 2 приведены результаты испытаний на определение циклической долговечности сварного шва при испытании бурильных труб по схеме изгиба с вращением.

Предлагаемый способ термической обработки сварных труб осуществляется следующим образом.

На первом этапе термообработки нагревают только околошовную зону, а затем охлаждают на спокойном воздухе, с целью задания им определенных физических и механических свойств. Нагрев сварного шва и околошовной зоны производят токами средней частоты на установке локальной термической обработки сварного шва при температуре не выше 400-450°С непосредственно после сварки.

На втором этапе термической обработки производят поверхностную закалку ТВЧ зоны сварного соединения на установке индукционного нагрева непрерывно-последовательным способом при перемещении трубы со скоростью 0,5 м/мин. и нагреве до температуры Ас3+200÷250°C с последующим охлаждением в радиальном спрейере в виде кольца, на внутренней поверхности которого расположены сопла для непрерывной подачи струй воды на охлаждаемое изделие.

Предлагаемый способ термической обработки прошел апробирование в производственных условиях ОАО «Завод бурового оборудования».

Бурильные трубы ТБСН (ТУ 3668-016-01423045-2014 «Трубы бурильные стальные нестандартные») размером 48×4 из стали 32Г2 (тело трубы) с содержанием углерода 0,32%, марганца 1,07%, кремния 0,18%, серы 0,002%, фосфора 0,006% и 40ХН (замковое соединение) с содержанием углерода 0,31%, марганца 0,53%, кремния 0,32%, серы 0,006%, фосфора 0,004% и никеля 1,06% сваривались на сварочной машине для ротационной сварки трением при следующих параметрах: сила разогрева 40 кН, сила проковки 100 кН, частота вращения при разогреве 900 об/мин, длина оплавления при нагреве 9 мм. В результате в зоне термомеханического влияния сварного соединения общей протяженностью не более 3,5 мм произошло образование структуры среднеигольчатого мартенсита 4 балла по ГОСТ 8233-56 со стороны стали 40ХН и смешанной мартенсито-бейнитной структуры с размером игл мартенсита не более 4 балла по ГОСТ 8233-56.

Далее зона сварного соединения подвергалась локальной термической обработке с нагревом одним индуктором токами средней частоты со скоростью 100°C в секунду до температуры 400°С и выдержкой при данной температуре 60 секунд. Затем охлаждение нагретой зоны осуществлялось на воздухе.

После локальной термической обработки тело трубы и зона сварного соединения подвергалось нагреву токами высокой частоты на установке индукционного нагрева при перемещении трубы со скоростью 0,5 м/мин. и нагреве до температуры 1000°С, в результате чего на поверхности тела трубы, включая зону сварного соединения, образовался упрочненный слой поверхностной закалки ТВЧ, глубиной 1,2 мм и твердостью 47-49 HRC.

Результаты испытаний на статическое растяжение основного металла тела трубы и сварного соединения после локальной термической обработки представлены в таблице на фиг. 1. Из таблицы видно, что после термической обработки в соответствии с прототипом механические свойства зоны сварного соединения существенно ниже аналогичных характеристик основного металла. В результате термической обработки по предлагаемому изобретению механические свойства сварного соединения не уступают механическим свойствами материала тела трубы.

Циклическая долговечность сварных соединений определялась на испытательном стенде БП-106 конструкции СКБ НПО «Геотехника» в условиях воздействия знакопеременных нагрузок по схеме изгиба с вращением. Целью испытаний явилось определение числа циклов, при котором разрушается каждый образец при заданном значении изгибающего момента. Было испытано по 5 образцов сварных соединений ∅48×4 и определено среднее значение циклической долговечности. Из таблицы на фиг. 2 видно, что проведение термической обработки в соответствии с прототипом снижает циклическую долговечность зоны сварного соединения по сравнению с телом трубы. Предлагаемый способ термической обработки способствует повышению сопротивления усталостным нагрузкам, так как все испытываемые образцы прошли базу испытаний 6 млн. циклов без поломок.

Наряду с расширением арсенала технических средств путем создания способа термической обработки сварных элементов геологоразведочных бурильных труб, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей, и преимуществами механических свойств предлагаемый способ исключает повторный нагрев всей трубы для проведения объемной закалки и последующего отпуска для выравнивания микроструктуры тела трубы и зоны сварного соединения, что снижает энергетические и временные затраты на их производство, обеспечивает технологичность процесса, снижает потери металла на окалинообразование, сохраняет точность геометрии труб.

Изобретение может быть промышленно использовано в производстве бурильных труб, предназначенных для бурения на твердые полезные ископаемые и для ремонта скважин.

Таблица 1

Зона испытания Предел текучести σ02, МПа Предел прочности σВ, МПа Относительное удлинение δ5, %
Тело трубы, сталь 32Г2 после закалки и отпуска 724 856 13,6
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после термообработки в соответствии с прототипом 786 880 16,3
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после локальной термообработки в соответствии с изобретением 543 696 17,1

Таблица 2

Зона испытания Мизг, Н⋅м Пройдено циклов N⋅106 Место поломки
Тело трубы, сталь 32Г2 после закалки и отпуска 490 0,724 в околошовной зоне
8,180 нет
1,415 в околошовной зоне
6,750 нет
6,024 нет
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после термообработки в соответствии с прототипом 490 6,370 нет
6,417
6,530
6,348
6,324
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после локальной термообработки в соответствии с изобретением 490 1,076 в околошовной зоне
1,444
0,490
2,398
0,745

Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб, включающий отпуск и последующий дополнительный нагрев, отличающийся тем, что отпуск проводят путем нагрева зоны сварного соединения токами средней частоты до температуры 400-450°C c выдержкой не менее 60 секунд и охлаждением на спокойном воздухе, а дополнительный нагрев осуществляют токами высокой частоты до температуры закалки Ас3+200-250°C с последующим охлаждением в спрейере потоком воды.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при изготовлении контактной стыковой сваркой длинномерных рельсов и бесстыковых плетей для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к горячекатаному стальному листу, используемому для изготовления непрерывных гибких труб (колтюбинга). Горячекатаный лист имеет состав, содержащий, мас.%: С более 0,10 до 0,16, Si 0,1-0,5, Mn 1,6-2,5, P 0,02 или менее, S 0,005 или менее, Al 0,01-0,07, Cr более 0,5 до 1,5, Cu 0,1-0,5, Ni 0,1-0,3, Мо 0,1-0,3, Nb 0,01-0,05, V 0,01-0,10, Ti от 0,005 до 0,05, N 0,005 или менее, остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальным трубам, полученным контактной сваркой, используемым для изготовления непрерывных гибких труб. Стальная сварная труба имеет следующий состав, содержащий, в мас.%: С: от более, чем 0,10 до 0,16, Si: от 0,1 до 0,5, Mn: от 1,6 до 2,5, Р: 0,02 или менее, S: 0,005 или менее, Al: от 0,01 до 0,07, Cr: от более, чем 0,5 до 1,5, Cu: от 0,1 до 0,5, Ni: от 0,1 до 0,3, Мо: от 0,1 до 0,3, Nb: от 0,01 до 0,05, V: от 0,01 до 0,10, Ti: от 0,005 до 0,05, N: 0,005 или менее, Fe и неизбежные примеси – остальное.

Изобретение может быть использовано при сварке трением с перемешиванием термоупрочнямых алюминиевых сплавов, в частности 2ххх, 6ххх, 7ххх. После досварочной термической обработки Т6 осуществляют сварку трением с перемешиванием при частоте вращения инструмента от 1000 до 2500 об/мин и скорости сварки от 600 до 1500 мм/мин.

Изобретение относится к способу и устройству термической обработки сварных соединений рельсов, например длинномерных рельсов и бесстыковых плетей. Способ термической обработки сварных соединений рельсов включает сварку встык рельсов с образованием сварного соединения и зоны термического влияния сварки, индукционный нагрев всего сечения рельса в области сварного соединения до температуры закалки на длину, превышающую длину зоны термического влияния сварки, выдержку во времени при температуре закалки, и затем охлаждение.

Изобретение относится к области термической обработки сварных соединений, например, длинномерных рельсов и бесстыковых плетей. Установка для термической обработки сварных стыков рельсов содержит блок управления процессом термической обработки на базе промышленного компьютера с записанной программой нагрева, индукционный модуль нагрева, датчик контроля температуры нагрева в виде инфракрасного пирометра, установленный в зоне нагрева, и закалочное устройство в виде спрейера, соединенного с устройством подачи закалочной среды с датчиком давления, и приводы перемещения индуктора и закалочного устройства.

Изобретение относится к сварке толстостенных металлоконструкций, в частности к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки, и может быть использовано при производстве сварных труб большого диаметра.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения сцепления покрытия со стальным листом осуществляют непрерывный отжиг в печи с атмосферой инертного газа и Н2, включающий предварительный нагрев до 200-350°С в атмосфере А1 с точкой росы ниже -20°С при давлении Р1, имеющей Н2 менее 3,0% об., последующий нагрев до 600-1000°С в атмосфере А2 с точкой росы ниже -40°С при давлении Р2 выше Р1, имеющей Н2 менее 0,5% об., выдержку в атмосфере А3, имеющей Н2 менее 3,0% об., охлаждение до 400-800°С в атмосфере А4 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., выравнивание температуры краев и центра листа в атмосфере А5 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., и перемещение листа с помощью устройства с горячими натяжными роликами в ванну металлического расплава для нанесения покрытия в атмосфере А5 с точкой росы ниже -30°С, имеющей Н2 менее 2,0% об., при этом атмосферу А2 непрерывно удаляют в направлении секции печи предварительного нагрева и выдержки, а атмосферы А1, А3, А5 и А6 выпускают периодически или непрерывно через отверстия печи.

Изобретение относится к способу получения сварного соединения металлов в процессе дуговой сварки. Сварку осуществляют со сквозным проплавлением и в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной оси сварного шва, на кристаллизующийся металл сварочной ванны осуществляют наложение циклических вибрационных колебаний с частотой от 10 до 35 Гц и амплитудой от 0,1 до 0,5 мм.

Изобретение относится к оптимизации остаточного напряженного состояния и может быть использовано при производстве сварных конструкций. Для повышения долговечности сварных изделий, стабильности их геометрических форм у сварного шва по разные от него стороны определяют положение концентратора растягивающих остаточных сварочных напряжений с двумя изотропными точками замкнутого типа, расположенными симметрично.

Изобретение относится к области безокислительной термической обработки изделий из коррозионно-стойкой аустенитной стали, используемых в качестве конструкционных элементов атомных реакторов.
Наверх