Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, в связи со снижением добычи углеводородного сырья на действующих месторождениях будут активно осваиваться труднодоступные нефтегазовые провинции. Добыча нефти и газа из глубоких горизонтов и в регионах Крайнего Севера (с температурой окружающей среды до -60С) и Прикаспийской низменности, где промысловые среды содержат значительное, до 25%, количество сероводорода, требует освоения российскими трубными предприятиями производства высокопрочных обсадных труб повышенной эксплуатационной надежности
До недавнего времени, отечественные трубные предприятия для производства высокопрочных обсадных труб (с минимальным пределом текучести до 758 МПа), широко применяли среднеуглеродистые стали, легированные марганцем Известно, что указанные стали имеют низкую прокаливаемость, вследствие чего изделия из них характеризуются структурной неоднородностью по сечению и, как следствие, низким комплексом эксплуатационных свойств
Для труб, сочетающих более высокий уровень прочностных характеристик (требуемый минимальный предел текучести 930 МПа) с малой склонностью к хрупким разрушениям (температура вязко-хрупкого перехода не выше -60С), требуется разработка новых сталей с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита, обеспечивающей формирование в широком диапазоне скоростей охлаждения при закалке преимущественно мартенситной структуры по сечению изделия
Традиционным способом достижения высокой конструктивной прочности труб, особенно толстостенных (толщина стенки муфтовых труб доходит до 35 мм), является термическое улучшение (закалка с отпуском) с использованием печного нагрева Улучшение приводит к формированию однородной структуры, равномерному распределению свойств, как по сечению, так и по длине изделия, и, главное, к более полному снятию остаточных напряжений, что особенно важно для коррозионной стойкости металла.
Другим способом достижения высокопрочного состояния стали, при сохранении пластичности и допустимых значений ударной вязкости, является термомеханическая обработка Термомеханическая обработка соответствует современным тенденциям развития технологии массового производства сталей, так как обеспечивает значительное ресурсосбережение, резкое сокращение длительности процесса, улучшение экологических условий, позволяет получать комплекс свойств, который не может быть достигнут способами обычной термической обработки и традиционного легирования
Для выбора оптимальных температурно-временных параметров обработки, необходимо изучение кинетики распада переохлажденного аустенита и роста его зерна при нагреве, исследование влияние структуры, формирующейся при различных скоростях охлаждения и в процессе высокого отпуска, на комплекс механических свойств исследуемых сталей
Следовательно, разработка составов и научно обоснованных технологических процессов обработки сталей, сочетающих высокий уровень прочностных характеристик с достаточным сопротивлением хрупкому разрушению и коррозионному воздействию, является на сегодняшний день актуальной проблемой для производителей трубной продукции
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 № 01200205925 (2002-2006 гг) - единый заказ -наряд Минобрнауки РФ и «Программой научно-технического сотрудничества ОАО «ТМК» и ОАО «ГАЗПРОМ» на 2006-2009 гг»
На основании проведенного анализа и опыта, накопленного на Северском трубном заводе, для выполнения работы были выбраны стали с Сг-Mo-V системой легирования.
Целью работы является выбор составов сталей и технологии термической обработки обсадных труб и муфтовой заготовки группы прочности «Р» (с минимальным пределом текучести 930 МПа), предназначенных для эксплуатации в холодных макроклиматических районах, на существующих производственных мощностях ОАО «Северский трубный завод»
Исходя из поставленной цели, в работе необходимо решить следующие задачи:
- исследуя кинетику фазовых превращений, определить оптимальные
концентрационные интервалы содержания легирующих элементов в Cr-Mo-V
сталях для производства высокопрочных обсадных труб повышенной
эксплуатационной надежности,
по результатам комплексного лабораторного исследования разработать температурно-временные параметры упрочняющей термической и термомеханической обработок выбранных сталей, обеспечивающие комплекс свойств материала- св > 1000 МПа, <з0,2= 930-1137 МПа, 55 > 9,5 %, KCV.6oc ^ 0,40 МДж/м2, вязкая составляющая в изломе не менее 50%;
исследовать влияние структуры, формирующейся при непрерывном охлаждении в интервале скоростей, достигаемых при закалке на действующем технологическом оборудовании и в процессе высокого отпуска, на ударную вязкость и коррозионную стойкость исследуемых сталей,
провести промышленные испытания труб из выбранных сталей с определением достигнутого уровня свойств;
изучить особенности строения поверхностей разрушения образцов промышленных партий труб после испытания на ударный изгиб,
- оценить возможность использования предложенных сталей для
производства высокопрочных труб, стойких к воздействию
сероводородсодержащих сред;
- разработать рекомендации по составам и режимам упрочняющей термической обработки высокопрочных обсадных труб повышенной эксплуатационной надежности
Научная новизна.
Определены основные закономерности структурообразования при тепловом и деформационном воздействии в сталях 22X1МФА, 25Х2М1ФА, 26Х1МФА Описана кинетика распада переохлажденного аустенита в зависимости от температуры аустенитизации и скорости охлаждения
Установлено, что формирование при непрерывном охлаждении в исследуемых сталях гетерогенной мартенсиго-бейнитной структуры с игольчатыми выделениями бейнитного феррита не только не снижает, но, в ряде случаев, обеспечивает повышение ударной вязкости стали, по сравнению с материалом, обладающим структурой мартенсита Аналогичная зависимость значений ударной вязкости от структуры сохраняется и после высокого отпуска
Показана целесообразность использования деформации метастабильного аустенита в области его высокой устойчивости по диффузионному механизму для повышения комплекса свойств стали 25Х2М1ФА
Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик исследования в лабораторных и производственных условиях, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных, воспроизводимостью полученных результатов и непротиворечивостью их литературным данным, а также широким опробованием в промышленных условиях разработанных составов и технологии производства
Практическая значимость работы.
На основе проведенного комплексного исследования определены оптимальные концентрационные интервалы содержания легирующих элементов исследуемых сталей Разработан режим упрочняющей термической обработки сталей 22ХШФА, 25Х2М1ФА, включающий охлаждение со скоростью 30 С/с от температуры аустенитизации 980 С и отпуск при температуре 650 С, который обеспечивает комплекс механических свойств ( ав > 1000 МПа, Сод > 900 МПа, 85 > 17 %, KCV.6oc > 1.4 МДж/м2), отвечающий требованиям нормативной документации на трубную продукцию повышенных групп прочности для эксплуатации при низких температурах
Проведены промышленные испытания сталей 22Х1МФА, 25Х2М1ФА и разработана технология термической обработки, по которой осуществляется промышленное производство обсадных труб и муфтовой заготовки группы прочности «Р» (с минимальным пределом текучести 930 МПа) в хладостойком исполнении на существующих производственных мощностях ОАО «Северский трубный завод»
Методами растровой электронной микроскопии доказана некорректность применения визуального метода оценки доли вязкой составляющей в изломе высокопрочных сталей (с минимальным значением предела текучести более 930 МПа) В нормативную документацию на продукцию (ТУ 14-162-70-2004, с изменением №1) в качестве контрольной характеристики, для оценки порога хладноломкости металла труб из исследуемых сталей, внесена минимальная норма ударной вязкости (0,70 МДж/м2), гарантированно обеспечивающая 50 % волокна в изломе
Предложенные стали аттестованы ООО «ВНИИГАЗ» в качестве материала для производства высокопрочных труб, стойких к воздействию сероводородсодержащих сред
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
- основные закономерности формирования структуры и фазового
состава в конструкционных низколегированных Cr-Mo-V сталях при
непрерывном охлаждении с температур аустенитизации 930 .980 С в
интервале скоростей 1,5 60 С/с и после высокого отпуска,
взаимосвязи параметров структуры и комплекса свойств материала после термического улучшения,
влияния режимов упрочняющей термомеханической обработки на фрагментацию структуры и комплекс свойств стали 25Х2М1ФА,
научно-обоснованные и проверенные в производственных условиях режимы термической обработки, обеспечивающие на выбранных сталях уровень механических свойств- ав > 1000 МПа, аол= 930-1137 МПа, 55 > 9,5 %, КС^бо-с^О^ОМДж/м2.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на I Российской конференции «Трубы России-2004», Екатеринбург, 2004 г, Всероссийской конференции «Проблемы и пути развития трубной промышленности в свете реализации закона Российской Федерации «О техническом регулировании» Челябинск, 2004 г, ХШ Международной научно-практической конференции «Трубы-2005», Челябинск, 2005 г, 2-й международной конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века», Москва, 2006 г, XIV Международной научно-практической конференции «Трубы-2006», Челябинск, 2006 г, XV Международной научно-практической конференции «Трубы-2007», Челябинск, 2007 г., XVII конференции Петербургские Чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2007 г
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, две из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников из ПО наименований, изложена на 154 страницах, включает 63 рисунка, 17 таблиц.
