УДК 621.774
ОСВОЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ОБСАДНЫХ ТРУБ, СТОЙКИХ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПРОМЫСЛОВЫХ СРЕД, СОДЕРЖАЩИХ СЕРОВОДОРОД
© Степанов Александр Игоревич1, канд. техн. наук, e-mail: StepanovAI@stw.ru; Ашихмина Ирина Николаевна1, канд. техн. наук; Веселов Игорь Николаевич2, канд. техн. наук; Беликов Сергей Владимирович3, канд. техн. наук; Мусихин Сергей Александрович3; Сергеева Ксения Игоревна3, канд. техн. наук
1 ОАО «Северский трубный завод». Россия, г. Полевской Свердловской обл.
2 ОАО «РосНИТИ», Россия, г. Челябинск
3 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 25.05.2014 г.
СЕВЕРСКИЙ
ТРУБНЫЙ ЗАВОД
Изучены особенности структурных и фазовых превращений, а также формирования комплекса свойств опытных Cr-Mo-V-трубных сталей. Разработаны режимы термической обработки высокопрочных обсадных труб в коррозионностойком исполнении. Рассмотрены перспективы применения компьютерного моделирования технологических процессов в программе Visual Weld 9.0 для разработки и корректировки режимов термической обработки труб нефтегазового сортамента.
Ключевые слова: Cr-Mo-V-трубные стали в коррозионностойком исполнении; структурные и фазовые превращения; термическая обработка; компьютерное моделирование.
Интенсификация бурения, добыча нефти и газа из глубоких горизонтов и преимущественно в холодных климатических районах и агрессивных средах вызвали необходимость создания труб нефтяного сортамента, сочетающих высокий уровень прочностных характеристик с достаточным сопротивлением хрупкому разрушению и коррозионному воздействию.
В последние годы в результате исследований, выполненных совместно специалистами ОАО «СТЗ», ОАО «РосНИТИ» и УрФУ в лабораторных и промышленных условиях разработаны составы высокопрочных сталей и основные параметры их обработки для достижения необходимых эксплуатационных характеристик. Составы опытных сталей приведены в табл. 1.
Таблица 1. Химический состав опытных сталей
Сталь Содержание, мас. %
С Si Mn Al V Mo Cr S P Cu Ni N2
не более
20Х1МФА 0,22 0,26 0,58 0,03 0,06 0,25 0,85 0,004 0,005 0,12 0,08 0,006
22Х1МФА 0,24 0,32 0,63 0,02 0,05 0,33 1,12 0,005 0,008 0,08 0,08 0,008
24Х1М1ФА 0,24 0,23 0,57 0,02 0,09 0,60 0,85 0,002 0,007 0,15 0,12 0,009
Требования API Spec 5CT [1] Группы прочности
С90 < 0,35 - <1,20 - - 0,25-0,85 <1,50 <0,010 <0,020 - <0,99 -
Т95 < 0,35 - <1,20 - - 0,25-0,85 0,40-1,50 <0,010 <0,020 - <0,99 -
С110 <0,35 - <1,20 - - 0,25-1,00 0,40-1,50 <0,005 <0,020 - <0,99 -
Примечания: 1. Массовая доля следующих элементов, % не более: лб 0,010; Бп 0,02; РЬ 0,02; N 0,008; ы 0,001; БЬ 0,005;
7п 0,005. а
2. Содержание водорода в стали перед разливкой не более 2 ррт, кислорода не более 25 ррт. •
3. Сталь должна быть полностью раскисленной, прошедшей модифицирующую обработку кальцием или его сплавами. ^
4. Загрязненность стали неметаллическими включениями (ОС, ОТ, СП, СХ) не должна превышать по среднему баллу 2,5 И (каждого), а сульфидами (С) - балла 1 (ГОСТ 1778, метод Ш6). ¡^
1 ю т то тоо
Rpu» от начала fiefjeaxnajciieHua, с
Рис. 1. Термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита в стали 20Х1МФА при непрерывном охлаждении от температуры аустенитизации 900 °С [2]
Для разработки режимов термической обработки труб (ТО) в промышленных условиях были проведены лабораторные исследования сталей. Изучение кинетики распада переохлажденного аустенита было выполнено в лаборатории структурных методов анализа и свойств материалов и наноматериалов ЦКП УрФУ. По результатам дилатометрических, микроструктурных и дюро-метрических исследований построены термокинетические диаграммы (ТКД) распада переохлажденного аустенита и определены температуры фазовых превращений при нагреве. Диаграмма распада переохлажденного аустенита опытной
стали 20Х1МФА (рис. 1) подтверждает, что предложенная система легирования стали (Cr-Mo-V) позволяет обеспечить формирование в диапазоне скоростей охлаждения, реализуемых при закалке в производственных условиях, однородной, преимущественно мартенситной, структуры (не менее 90%) по сечению изделия, определяющей комплекс его эксплуатационных свойств.
Результаты исследований позволили определить температурно-временные параметры ТО образцов опытных труб в лабораторных условиях, на основе которых были рекомендованы режимы их обработки в производственных условиях.
В табл. 2 представлены результаты механических испытаний образцов, отобранных от обсадных труб размером 245x12 мм из стали 24Х1М1ФА после ТО в лабораторных условиях: механические свойства, соответствующие группам прочности Т95 и С110, были достигнуты после закалки от 900 °С в воду и отпусках соответственно при 700 °С продолжительностью 2 ч и при 685 °С, 1,5 ч.
В ОАО «РосНИТИ» из заготовок, термообра-ботанных на группы прочности Т95 и С110, были изготовлены образцы и проведены испытания на стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением (СРН) в соответствии с требованиями стандарта API Spec 5CT (метод А, испытательный раствор «А», методика NACE TM 0177) при пороговых напряжениях, составляющих для образцов с диам. рабочей части 6,35 мм соответственно 80 и 85% от минимальных нормируемых пределов текучести для вышеуказанных групп прочности. Результаты испытаний - положительные для образцов обеих групп прочности.
Таблица 2. Результаты механических испытаний образцов, отобранных от труб размером 245x12 мм из стали 24Х1М1ФА после лабораторной термической термообработки
Режим термической обработки Механические свойства
закалка отпуск ст, МПа ст, МПа в 5, % KV, Дж, продольные образцы Примечание
Ь = 900 °С, t = 670 °С, 886 944 20,2 153 Соответствует группе
охлаждение в воду т = 2,0 ч 892 953 19,4 158 прочности Р110
Ь = 900 °С, t = 685 °С, 801 876 20,7 164 Соответствует группе
охлаждение в воду т = 1,5 ч 823 893 20,6 167 прочности С110
Ь = 900 °С, у охлаждение в воду t = 700°С, т = 2,0 ч 749 810 22,0 182 Соответствует группе прочности Т95
Группы прочности Требования API Spec 5CT [1]
С90 655-758 > 724 18 > 35
Т95 758-828 > 793 16 > 44
С110 758-965 > 862 15 -
Рис. 2. Аустенитное зерно в стали 20Х1МФА (i, = 900 °С)
Исследование влияния режимов ТО на структуру и уровень свойств материала были проведены при производстве труб размерами 245x12 мм из стали 20Х1МФА в специализированном термическом отделении № 2 Северского трубного завода. Нагрев труб под закалку осуществляли в проходной газовой секционной печи с охлаждением после выдержки при температуре аусте-нитизации (900 °С) в струйном охлаждающем устройстве проходного типа. Размер зерна аусте-нита при этом соответствовал восьмому номеру по ГОСТ 5639 (рис. 2). Твердость металла труб (HRC) после закалки превышала значение, определяемое по уравнению [1] при содержании не менее 90% мартенсита:
HRC = 58x [С] + 27, где [С] - массовая доля углерода в плавке, %.
Отпуск труб проводили в печи с шагающими балками в течение 1,5 ч при температуре 690 0С.
После ТО механические свойства материала труб соответствовали требованиям для группы прочности L80 по стандарту API 5CT [1] и составили: о = 640 МПа; о =725 МПа; Ь, = 20%, Ш = 77%,
т в 5 'Т '
твердость - менее 23 HRC.
В лаборатории коррозионностойких материалов ООО «Газпром ВНИИГАЗ» образцы опытных труб выдержали контрольные испытания на стойкость к СРН при нагрузке, составляющей
85% от минимального нормированного предела текучести для группы прочности L80.
Полученные результаты являются хорошим заделом для освоения на Северском трубном заводе производства высокопрочных труб в серо-водородостойком исполнении после завершения комплексной реконструкции трубопрокатного производства, предусматривающей введение в эксплуатацию нового участка термической обработки труб годовой мощностью более 300 тыс. т. Участок будет оснащен самым современным оборудованием и средствами автоматизации, обеспечивающими высокое качество ТО, калибровки и правки труб.
Важным направлением совершенствования технологии трубного производства является применение методов компьютерного моделирования процессов структурных и фазовых превращений при температурном воздействии. Проведение расчетов позволит дать оценку формирующихся в процессе ТО структурных и температурных полей и напряженно-деформированного состояния и предложить на ее основе перспективные режимы ТО.
Для выбора условий охлаждения после нагрева под закалку был произведен расчет процесса закалки трубной заготовки диам. D = 244,48 мм с толщиной стенок S = 10,03; 11,99; 15,90 мм в программе Visual&Weld 9.0 от ESI Group. Процесс математического моделирования в этой программе основан на физических законах изменения различных параметров материала при нагреве и деформации изделия, учитывает долю фазовых и структурных составляющих, возникновение термических напряжений и остаточных деформаций. Для моделирования использовали сталь 20MoCr4, химический состав которой из базы данных материалов ESI Group приведен ниже, мас. %: С 0,22; Мп 0,56; Si 0,30; Cr 0,56; Mo 0,44; Ni 0,15.
510 490
0
2 4 6 8 Толщина стенки, мм
10
0
2
4 6 8 10 Толщина стенки, мм
12
510-, 490470450430410390370350-
♦ 16_1И16_2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 Толщина стенки, мм
Рис. 3 Твердость стали по сечению труб с толщинами стенок 10,03 (а); 11,99 (б); 15,90 мм (в) при одностороннем (_1)
и двухстороннем (_2) спрейерном охлаждении
в
Расчет закалки от температуры 950 °С проводили для режимов одностороннего и двухстороннего спрейерного охлаждения. Расчет показал, что во всех случаях происходит формирование мартенситно-бейнитной структуры. Твердость стали в зависимости от структуры (рис. 3) при двустороннем охлаждении выше, чем при одностороннем, в среднем на 10-15%. Кроме того, при одностороннем охлаждении различие в твердости на внешней и внутренней поверхностях трубы составляет 22, 27 и 28% для стенок толщиной соответственно 10,03; 11,99; 15,90 мм; тогда как при двустороннем охлаждении этот разброс не превышает 13%.
Известно, что сталь одной и той же марки различных производ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.