Спосіб термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей

Реферат: Спосіб термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей включає гартування з подальшим відпуском. Відпуск виконують подвійним, спочатку при температурі tвідп.1=[Ас1-(1020)] °С, а потім - при температурі tвідп.2=[Ac1-(5070)] °C, а час витримки при першому і другому відпуску визначають за формулами: 1=2 хв.; 2=2(+1) хв., відповідно, де  - товщина стінки труби, мм; Ас1 - температура початку фазового → перетворення для даної марки сталі. UA 88711 U (54) СПОСІБ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ ТРУБ НАФТОВОГО СОРТАМЕНТУ З НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ UA 88711 U UA 88711 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі трубного виробництва, а саме до способу термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей, і може бути використана при виготовленні насосно-компресорних, обсадних, нафтогазопровідних труб підвищеної стійкості до сульфідного корозійного розтріскування під напругою (СКРН), водневої крихкості (ВК), а також підвищеної стійкості в агресивних нафтопромислових середовищах, що містять сірководень, у сполученні з високим комплексом механічних властивостей. Відомий спосіб термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованої сталі 20ХФ, який полягає в подвійному гартуванні від температур 920 °C і 760 °C та наступному тривалому відпуску при температурі 695 °C з витримкою протягом 60 хвилин. (Кірсанов В., Круцан Г., Смирнова Я., та ін. Вплив термічної обробки на опірність корозійному руйнуванню трубної сталі типу 20ХФ у сірководневих середовищах. // Проблеми корозії і протикорозійного захисту матеріалів. / Фізико-хімічна механіка матеріалів. - Львів, 2002. - № 3. - Т. 2. - С. 798-801). Труби, отримані з застосуванням зазначеного способу, мають високу міцність, але обмежену стійкість проти сульфідного корозійного розтріскування під напругою (СКРН) - не витримують випробування за методом NACE ТМ 0177 при порогових напругах σпор.=0,8-0,9σт, а також мають нестабільні результати при випробуванні на стійкість до водневої крихкості (ВК) за методом NACE ТМ 0284, що обмежує їх використання в нафтопромислових середовищах з підвищеним вмістом сірководню. Крім цього вказана термічна обробка є енергоємною, що призводить до значного подорожчання труб, виготовлених з її використанням. Найближчим аналогом є спосіб термічної обробки труб нафтового сортаменту зі сталі AISI 4130, що є аналогом сталі 30ХМА за ГОСТ 4553, який полягає в гартуванні труб від 900 °C і подальшому відпуску при температурі 700 °C протягом 60 хвилин. (Карпов Н.А., Янковский В.М., Зикеев В.Н. Стали для труб нефтяного сортамента, стойких против сероводородного растрескивания. // Бюллетень научно-технической информации. Черная металлургия. - 1981. Випуск 21 (905). - С. 18-31). Труби, отримані з використанням зазначеного способу, стійкі проти сульфідного корозійного розтріскування при порогових напругах, що не перевищують 75 % від границі плинності, нормованої для цієї сталі (σпор.=0,75σт), але не витримують випробування при більш високих порогових напругах, наприклад, при σпор.=0,8-0,9σт, і у ряді випадків схильні до водневої крихкості, що обмежує їх застосування в нафтопромислових середовищах із вмістом сірководню більше 5 %. В основу корисної моделі поставлено задачу по вдосконаленню способу термічної обробки труб нафтового сортаменту шляхом змінення режимів термічної обробки, а саме кількості, температури й часу відпуску, - у результаті чого забезпечується: підвищення стійкості проти сульфідного корозійного розтріскування під напругою та проти водневої крихкості труб при збереженні їх високої міцності й пластичності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей, що включає гартування з подальшим відпуском, відповідно до корисної моделі, відпуск виконують подвійним, спочатку при температурі tвідп.1=[Ас1-(1020)]°С, а потім - при температурі tвідп.2=[Ac1-(5070)]°C, а час витримки при першому і другому відпуску визначають за формулами: τ 1=2δ хв.; τ2=2(δ+1) хв., відповідно, де δ товщина стінки труби, мм; Ас1 - температура початку фазового α→γ перетворення для даної марки сталі. Технічним результатом застосування запропонованого способу є підвищення стійкості проти сульфідного корозійного розтріскування під напругою і проти водневої крихкості труб при збереженні високої міцності, пластичності та ударної в'язкості при негативних температурах. Ефективність способу, що заявляється, обумовлена тим, що перший високий відпуск при температурі tвідп.1=[Ас1-(1020)]°С, яка приблизно відповідає температурі початку фазового α→γ перетворення Ас1, сприяє прискореному протіканню дифузійних процесів у загартованій сталі й швидкому, протягом τ=2(δ+1) хвилин, де δ - товщина стінки труби у міліметрах, виділенню дисперсних, рівномірно розташованих у її структурі карбідів заліза, хрому, молібдену й інших карбідоутворюючих елементів, а другий відпуск при заданих параметрах сприяє додатковій коагуляції карбідів, що виділилися при першому відпуску й забезпечує відсутність в структурі сталі мартенситу, утворення якого не виключено в мікрооб'ємах металу в разі перевищення при першому відпуску температури Ас1, яке не виключене в умовах масового промислового виробництва труб. Утворення в трубах з низьколегованої сталі структури повністю відпущеного мартенситу, що представляє собою феритні зерна з високодисперсними, рівномірно розподіленими у феритній матриці карбідами, - забезпечує високу стійкість проти СКРН (при випробуванні за методом NACE ТМ 0177 σпор.>0,8σт), високу стійкість проти ВК 1 UA 88711 U 5 10 15 20 (відсутність тріщин і поверхневих пухирів "блістерингів" від насичення воднем при випробуванні по методу NACE ТМ 0284), при збереженні високого рівня механічних властивостей труб. В остаточному підсумку це дозволяє збільшити випуск на трубних заводах високоякісних труб нафтового сортаменту відповідального призначення, стійких до сульфідного корозійного розтріскування й до водневої крихкості, і дає можливість протягом тривалого часу експлуатувати труби при видобутку нафти й газу у агресивних нафтопромислових середовищах, що містять сірководень, а також сприяє поліпшенню умов праці й природного навколишнього середовища. Запропонований спосіб здійснювали наступним чином. Були виготовлені на трубопрокатному агрегаті ТПА 140 насосно-компресорні труби (НКТ) 73×5,5 мм зі сталі марки 30ХМА (0,28 % С; 0,9 % Сr; 0,60 % Мn; 0,25 % Si; 0,010 % S; 0,010 % Р; 0,12 % Сu; залізо - решта) і нафтогазопровідні труби 114×9 мм зі сталі марки 06 × 1 (0,06 % С; 1,1 % Сr; 0,56 % Мn; 0,25 % Si; 0,010 % S; 0,010 % Р; 0,03 % Nb; залізо - решта). Отримані труби були піддані гартуванню у воді від температур 890-910 °C, а потім - відпуску по режимах, що відповідають тим, що заявляються, таким, що виходять за межі, що заявляються, і по режиму, що відповідає найбільш близькому аналогу. При цьому враховували, що температура Ac1 для сталі 30ХМА відповідає 750 °C, а для сталі 06 × 1 780 °C; товщина стінки δ труб із зазначених сталей складала 5,5 мм і 9 мм, відповідно, а час їх нагріву τ при відпусках τ=2(δ+1) складав 13 хвилин і 20 хвилин відповідно. Режими термічної обробки труб наведені в таблиці 1. Таблиця 1 Режим відпуску (температура нагріву, час витримки) для труб зі сталі: № режиму термообробки 1 2 3 4 5 6 30ХМА І відпуск II відпуск 760 °C, 20 хв. 700 °C, 20 хв. 740 °C, 13 хв. 700 °C, 13 хв. 735 °C, 13 хв. 660 °C, 13 хв. 730 °C, 13 хв. 680 °C, 13 хв. 710 °C, 5 хв. 650 °C, 5 хв. 700 °C, 60 хв. 06 × 1 І відпуск 790 °C, 30 хв. 770 °C, 20 хв. 765 °C, 20 хв. 760 °C, 20 хв. 740 °C, 10 хв. 700 °C, 60 хв. II відпуск 720 °C, 30 хв. 730 °C, 20 хв. 720 °C, 20 хв. 710 °C, 20 хв. 660 °C, 10 хв. Примітка: 2-4 відповідають режимам, що заявляються; 1, 5 - режими, що виходять за межі, що заявляються, 6 - режим за найбільш близьким аналогом 25 30 35 40 З термооброблених труб були виготовлені зразки й піддані випробуванням на СКРН, ВК та механічних властивостей на розтяг і ударний вигин. Випробування на СКРН проводили за методом А стандарту NACE ТМ 0177, у 5 %-ному розчині хлориду натрію і 0,5 % оцтової кислоти, насиченому сірководнем, при рН=4-5 і напруженнях, що відповідали 0,8σт, і 0,9σт. Критерієм корозійної стійкості був час до розтріскування зразка. Випробування на стійкість проти ВК проводили за методом NACE TM 0284, у розчині, аналогічному методу NACE TM 0177, але без навантаження зразків. Випробування механічних властивостей на розтяг проводили на зразках-сегментах за ГОСТ 10006, а на ударну в'язкість на зразках з гострим V-подібним надрізом (тип "Шарпі"), за ГОСТ 9454, при температурі мінус 60 °C. Результати зазначених випробувань представлені в таблицях 2 і 3. Аналіз представлених даних показує, що режими термічної обробки, що відповідають формулі корисної моделі (варіанти 2-4), забезпечують високу стійкість труб проти СКРН: час до руйнування зразків при напругах 0,8-0,9σт, для труб зі сталі 30ХМА склав 730-755 годин, а для труб зі сталі 06 × 1-740-780 годин, що відповідає вимогам стандартів до труб, стійких проти СКРН (не менш 720 годин); рівень механічних властивостей НКТ зі сталі 30ХМА (границя міцності, границя плинності, відносне видовження) відповідають класу міцності С 90 за API 5CT, а нафтогазопровідних труб зі сталі 06 × 1 - класу міцності X 60 за стандартом API 5L; зразки труб мають високу ударну в'язкість при негативних температурах, до мінус 60 °C включно, таблиці 2 і 3. 2 UA 88711 U 5 10 Вказані результати пояснюються отриманням у трубах дрібнозернистої структури повністю відпущеного мартенситу (№ феритного зерна 9-10), з високодисперсними, рівномірно розподіленими в феритній матриці карбідами, яка являється оптимальною з точки зору забезпечення високої стійкості проти СКРН і ВК, а також забезпечує високий рівень механічних властивостей на розтяг і ударної в'язкості при негативних температурах. Зразки труб, оброблених за режимами, що виходять за межі, що заявляються, (варіанти 1 і 5), не витримали випробування на стійкість проти СКРН при напругах 0,8σт і 0,9σт і на стійкість до ВО і мали понижені механічні властивості, табл. 2 і 3. Отримані результати пояснюються утворенням недосконалої структури сталі: з наявністю невідпущеного мартенситу, або з недостатньо зкоагульованими карбідами. Труби, виготовлені із застосуванням способу термічної обробки, що відповідає найбільш близькому аналогу (варіант 6), мають понижену стійкість до СКРН і ВК та недостатню ударну в'язкість при негативних температурах. Таблиця 2 Результати випробувань на стійкість проти СКРН по стандарту NACE ТМ 0177 і на ВК по NACE ТМ 0284 зразків труб зі сталі: № режиму 30ХМА 06 × 1 термообробки СКРН час до ВК наявність СКРН час до руйнування, ВК наявність руйнування, год., дефектів год., 0,8σт/0,9σт дефектів 0,8σт/0,9σт тріщини, тріщини, 1 630/470 675/640 пухирі пухирі дефекти дефекти 2 755/730 780/750 відсутні відсутні дефекти дефекти 3 740/725 770/740 відсутні відсутні дефекти дефекти 4 730/720 760/735 відсутні відсутні тріщини, тріщини, 5 630/470 630/580 пухирі пухирі одиничні 6 755/730 тріщини 680/560 тріщини 15 Таблиця 3 № режиму термообробки 1 2 3 4 5 6 20 Результати випробувань механічних властивостей труб зі сталі 30ХМА / зі сталі 06 × 1 -60 на розтяг на ударну в'язкість, КСV , 2 Дж/см σв, МПа σ0,2, МПа δ5, % 780/550 650/480 16/19 95/105 740/530 630/430 25/35 210/300 750/535 640/435 22/34 205/290 760/540 630/440 20/32 195/280 770/550 650/460 15/18 130/145 765/545 615/410 20/24 70/125 Таким чином, використання запропонованого способу термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей, забезпечує значне підвищення їх стійкості проти сульфідного корозійного розтріскування й водневої крихкості у агресивних нафтопромислових середовищах, що містять сірководень, у сполученні з високими механічними і в'язкопластичними властивостями, у тому числі при негативних температурах. В остаточному підсумку використання запропонованого способу приведе до значного підвищення терміну безаварійної експлуатації труб при видобутку нафти й газу, до поліпшення умов праці та природного навколишнього середовища. 25 3 UA 88711 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб термічної обробки труб нафтового сортаменту з низьколегованих сталей, що включає гартування з подальшим відпуском, який відрізняється тим, що відпуск виконують подвійним, спочатку при температурі tвідп.1=[Ас1-(1020)] °С, а потім - при температурі tвідп.2=[Ac1-(5070)] °C, а час витримки при першому і другому відпуску визначають за формулами: 1=2 хв.; 2=2(+1) хв., відповідно, де  - товщина стінки труби, мм; Ас1 - температура початку фазового → перетворення для даної марки сталі. 10 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4