Разработка составов сталей и технологических режимов, обеспечивающих производство насосно-компрессорных и обсадных труб гарантированных групп прочности

Значительный объем продукции, выпускаемой трубными заводами, составляют трубы нефтяного сортамента. Стабильное функционирование нефтегазодобывающего комплекса России требует изготовления труб гарантированных групп прочности, увеличения их количества и качества, повышения конкурентоспособности, определяемой соотношением потребительские свойства — стоимость [1,2]. Интенсивные разработки в этом направлении, проводимые большинством трубных заводов страны, связаны с отысканием оптимальных композиций (марок) сталей и рациональных технологий производства, причем данные вопросы рассматриваются комплексно, так как для каждой марки стали и имеющегося на предприятии оборудования необходимо использование точно подобранных технологических параметров (температуры заключительных этапов проката, интенсивности последеформационного охлаждения и др.) для изготовления труб определенного сортамента и группы прочности.

Результатом многолетних научно-производственных исследований в этом направлении, проводимых на ОАО «Синарский трубный завод» (СинТЗ), явилось существенное повышение эффективности производства бесшовных труб благодаря применению высокотемпературной термомеханической обработки (контролируемой прокатки) [3]. Для этого создана и успешно функционирует в линии трубопрокатных агрегатов система мониторинга и управления температуры трубы на входе и выходе редукционного (калибровочного) стана, система ускоренного контролируемого последеформационного охлаждения.

Использование ВТМО особенно эффективно для горячего проката труб из углеродистых сталей с микродобавками сильных карбидообразователей (V, Nb, Ti) [4,7]. Исходя из этого, в данной диссертации, являющейся логическим продолжением научно-производственных исследований, проводимых на СинТЗ, изучена перспективность использования микролегированных сталей для бесшовных труб нефтяного сортамента, изготовляемых с использованием контролируемой прокатки. В этом состоит актуальность темы настоящей диссертации.

Целью настоящей работы явилась разработка новых марок сталей и технологии изготовления на СинТЗ горячекатаных и термомеханически упрочненных насосно-компрессорных и обсадных труб групп прочности.

Д, К, Е.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

— на основе анализа литературных данных, опыта, накопленного на СинТЗ и других трубных заводах, разработать составы новых марок сталей для труб различных групп прочности и сортамента;

— провести прокат труб широкой гаммы типоразмеров из новых марок сталей по основному и опытным режимам, включающим варьирования температуры и скорости редуцирования, интенсивности последеформационного охлаждения;

— исследовать микроструктуру и механические свойства труб после опытных прокатов и установить корреляционные зависимости между составами сталей, технологическими режимами и механическими свойствами труб;

— исходя из требований ГОСТ 633(632)-80, выбрать оптимальные марки сталей для труб каждой группы прочности и режимы заключительных операций их производства;

— на основе результатов изготовления опытно-промышленных партий насосно-компрессорных и обсадных труб всей выпускаемой на СинТЗ номенклатуре размеров из оптимальной для каждой группы прочности и сортамента марки сталей и технологии сделать заключение о перспективности их использования в массовом производстве нетермообработанных труб.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем. По результатам лабораторной горячей прокатки образцов и опытных прокатов труб выявлены закономерности влияния температуры и степени деформации, скорости последеформационного охлаждения на микроструктуру и механические свойства среднеуглеродистых низколегированных сталей. Установлено, что температурный интервал редуцирования (калибровки) труб выше Ас является слабым и неоднозначно действующим на механические свойства труб параметром, особенно в сравнении со спрейерным последеформационным охлаждением.

На основе анализа экспериментальных данных установлена взаимосвязь между характеристиками микроструктуры и механическими свойствами труб из сталей различных композиций. Изучен вклад различных структурных параметров (размер ферритного зерна и плотности дислокаций в нем, количества перлита и низкотемпературных продуктов распада аустенита), твердорастворного и дисперсионного упрочнения в формирование величины предела текучести, который, как найдено в данной работе, является свойством, лимитирующим группу прочности горячедеформированных труб.

Найдено, что дефекты кристаллического строения, внесенные в аустенит при редуцировании трубы, закрепленные дисперсными частицами специальных карбидов МеС, наследуются ферритом, что способствует измельчению структуры. Чем ниже (в пределах аустенитной области) температурный интервал редуцирования трубы, тем больше этот положительный эффект, что обуславливает необходимость регламентации температур начала и конца редуцирования трубы, даже если это не приводит к повышению а0,2, но способствует сохранению требуемого уровня вязкопластических характеристик.

Выявление интенсивности влияния содержания углерода в диапазоне 0,36−0,48%, легирующих элементов (Мп, Сг) а также микродобавок сильных карбидообразователей (Mo, V, Nb) и, главное, при их различном сочетании позволило разработать (композиции) марки сталей, обеспечивающие высокую конструкционную прочность определенных категорий и сортамента насосно-компрессорных труб.

Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, статистико-вероятностной обработкой экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов в лабораторных и цеховых условиях, а также сопоставлением их с известными литературными данными.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что сформулированы основополагающие подходы выбора композиций среднеуглеродистых низколегированных сталей для горячедеформированных насосно-компрессорных и обсадных труб и муфтовой заготовки групп прочности Д, К, Е по ГОСТ 633(632)-80. Обоснована перспективность использования сталей типа 37ХГ (~0,6%Сг и до 0,7%Мп), легированных микродобавками V (~0,08%), Nb (~0,04%) а также Мо (0,08−0,16%), для производства горячедеформированных труб нефтяного сортамента повышенных групп прочности, упрочненных в линии стана.

Найдены параметры контролируемой прокатки (температурный интервал редуцирования (калибровки), скорость последеформационного охлаждения) горячедеформированных труб, изготовленных из сталей оптимальных составов для определенного сортамента и группы прочности.

Реализация мероприятий по разработке новых марок сталей для насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки, а также технологических режимов их изготовления позволила ОАО «Синарский трубный завод», начиная с 2005 года, полностью удовлетворить заказы потребителей этих изделий групп прочности Д, К, Е в широком диапазоне типоразмеров.

На защиту выносятся:

— совокупность результатов по влиянию на комплекс механических свойств (ств, Сто, 2? 55, KCV) температуры и степени деформации образцов, температуры редуцирования (калибровки) бесшовных труб из среднеуглеродистых низколегированных сталей, изготовленных в виде трубной заготовки различными металлургическими предприятиями;

— особенности формирования структуры и фазового состава труб из среднеуглеродистых (0,37−0,49%С), кремнийсодержащих, хромомарганцевых сталей, легированных в различном сочетании микродобавками Mo, V, Nb, после различных режимов горячей прокатки;

— закономерности взаимосвязи параметров структуры (размера и формы ферритных зерен, доли феррита, перлита, бейнита, плотности дислокаций, количества и морфологии частиц цементита и специальных карбидов) и механических свойств трубных сталей различных марокрежимы температуры редуцирования (калибровки) труб, последеформационного охлаждения, обеспечивающие производство насосно-компрессорных и обсадных труб широкого диапазона типоразмеров гарантированных групп прочностинаучно-обоснованные и проверенные в цеховых условиях рекомендации по использованию сталей определенных марок для нетермообработанных труб различных групп прочности и сортамента.

Работа выполнена на ОАО «Синарский трубный завод» и кафедре «Термообработка и физика металлов» Уральского государственного технического университета — УПИ. Автор признателен специалистам завода, в первую очередь, к.т.н. Жуковой С. Ю. и Черных Е. С., сотрудникам кафедры проф. д.т.н. Юдину Ю. В., доц. к.т.н. Хотинову В. А. за практическую помощь в проведении экспериментов и реализации их результатов. Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность проф. д.т.н. Фарберу В. М. и проф. д.т.н. Пышминцеву И. Ю. за постановку задач исследования, обсуждение их достижений, формирование научного мышления.

Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 9 статьях и 6 патентах РФ [8−25].

ВЫВОДЫ.

1. Исследование низколегированных сталей с содержанием 0,35−0,45% углерода показало, что свойством, лимитирующим группы прочности Д, К и Е по ГОСТ-633−80 и 632−80 горячекатаных насосно-компрессорных и обсадных труб, муфтовых заготовок, является предел текучести, и при достижении о0,2 требуемой величины другие регламентируемые характеристики (ов, 65) существенно превышают требования стандартов. Опытно-промышленное изготовление на СинТЗ, начиная с 2005 г, групп прочности Д из новых марок сталей ДБ (0,48%С- 0,98%Мп), ДФ (0,46%С- 0,74%Mn- 0,04%V) и ДБ-А (0,43%С- 0,43%С- 0,76%Mn- 0,03%Nb) показало 100% выход годного по механическим свойствам.

2. Трубы сортамента 73×5,5 мм или близкого к ним размера из стали 37Г2С могут достигать группы прочности К при использовании спрейерного последеформационного охлаждения или в случае поддержания оптимального температурного интервала редуцирования.

3. Повышенное количество (до ~ 30%) мягкого избыточного феррита в стали 37Г2С обеспечивает высокий уровень пластичности, определенная часть которого рационально «израсходована» на дисперсионное упрочнение при выделении карбида VC в сталях 37Г2СФ, 38Г2СФ (0,04−0,05%V). Сталь 38Г2СФ надежно обеспечивает изготовление труб группы прочности К.

4. Перспективным направлением для производства горячекатаных насосно-компрессорных и обсадных труб повышенных групп прочности, упрочненных в линии стана, является использование сталей типа 37ХГ (~0,6%Сг и до 0,7%Мп), легированных микродобавками V (0,08%), Nb (0,04%), а также Мо (0,08−0,16%).

По возрастанию выхода годного с точки зрения комплекса механических свойств, исследованные стали для групп прочности К располагаются в такой последовательности: 37ХГМ, 38Г2С, 37Г2СБ, 37Г2СФ, 38Г2СФ. Сталь 38Г2СФ обеспечивает 100% выход годного всех сортаментов труб и муфтовых заготовок, включая наибольших размеров.

88,9×13,114,3×7,4 мм.

5. Исследование микроструктуры сталей типа 37ХГФМ, 37ХГБМ, 37ХГФБМ показало, что дефекты, внесенные в аустенит при редуцировании (калибровке) трубы, закрепленные дисперсными частицами специальных карбидов МеС, наследуются ферритом, что способствует измельчению структуры. Чем ниже температурный интервал редуцирования трубы (в пределах аустенитной области), тем больше этот положительный эффект, что обуславливает необходимость регламентации температур начала и конца редуцирования трубы, даже если это не приводит к значительному повышению Go, 2, но способствует сохранению требуемого уровня вязкопластических характеристик. В этом плане трубы из дисперсионно-твердеющих сталей (с добавками V, Nb) упрочненные в линии стана, могут рассматриваться, согласно ГОСТ 633–80 (632−80), как испытавшие термомеханическую обработку, даже при последеформационном охлаждении на спокойном воздухе.

Стали типа 37ХГФМ гарантированно обеспечивают производство труб сортамента 75×5,5 мм группы прочности Е. С увеличением диаметра труб с 73 до 101,6 мм, и, особенно, их толщины от 5,5 до 13,0 мм прочностные свойства заметно снижаются, и для толстостенных труб группы прочности Е рекомендуется сталь 37ХГФБМ. При возрастании количества сильных карбидообразователей (V+Nb), а также МО (до- 0,4%), благодаря сильному дисперсионному и дислокационному упрочнению существенно снижается ударная вязкость стали (от — 90 до 20 и даже 89 Дж/см) при преобладающем хрупком механизме разрушения. В то же время пластичность труб из изученных сталей остается удовлетворительной для всех категорий прочности (85>14%). Стали 37ХГФМ и 37ХГФБМ могут успешно заменить сталь 48Г2БМ, которая обладает склонностью к понижению пластичности при появлении в структуре бейнита.

6. Установлено, что среди исследованных технологических параметров производства горячекатаных труб температурный интервал редуцирования калибровки) является слабым и неоднозначно действующим на механические свойства труб параметром. Температура редуцирования играет заметную роль в тех случаях, когда сто, 2 лежит вблизи минимального уровня предела текучести для определенной группы прочности или когда Сто, 2 понижается с повышением температуры редуцирования, что типично для труб из стали 37Г2С. Для труб из сталей 37ХГФМ, а также 37ХГФБМ, ситуация иная: у них предел текучести существенно превышает минимальные требования Сто, 2 для группы прочности Е, и роль температуры редуцирования в формировании уровня механических свойств менее значима. К тому же у этих сталей Сто, 2 заметно возрастает (иногда на ~100 МПа), когда Тред превышает 980 °C.

7. Для труб из изученных марок сталей применение ускоренного (спрейерного) последеформационного охлаждения, как и усиление охлаждения в валках редукционного стана (за счет замедления скорости вращения валков), позволяет менее жестко контролировать температуру редуцирования. Его целесообразно использовать, когда для труб из сталей 37Г2С, 37Г2СФ необходимо несколько повысить (~? МПа) предел текучести.

8. Успешная реализация мероприятий по разработке новых марок сталей для нетермообработанных насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовых заготовок, а также технологических режимов их изготовления позволила СинТЗ, начиная с 2005 года, полностью удовлетворить заказы потребителей этих изделий групп прочности Д, К, Е в широком диапазоне типо-размеров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Для труб каждой группы прочности предъявляется свой комплекс прочностных (ав, стод) и пластических (б5) характеристик (табл. 1), который, по сути, описывает конструктивную прочность труб. Следовательно, соотношения <Тв-55 и g0−2-55, представленные на рис. 1, дают обобщенные представления о конструктивной прочности НК и О труб, а также муфтовой заготовки из исследованных сталей.

Видно, что для труб групп прочности К и Е значения ав и б5 всегда превышают требования стандартов и не являются лимитирующими факторами. С ростом прочностных свойств (ав, а0, г) пластичность (55) закономерно снижается, хотя для труб из исследованных сталей она всегда остается выше минимального требуемого уровня.

Из рис. 1 следует, что группу прочности задает минимальное значение предела текучести, которое требуется по ГОСТ 633(632)-80, и в этом плане изученные стали можно разделить на три группы. В первую группу входят стали 38Г2С и 37ХГМ, не обладающие дисперсионным твердением и имеющие Go, 2 в окрестностях минимального уровня Go, 2 для труб группы прочности К. Ясно, что для труб различных типоразмеров из этих сталей нельзя иметь полной гарантии достижения этой группы прочности.

Надежно обеспечивают группу прочности К стали 38Г2СФ и 37ХБМ (2 — на рис.1), хотя, как показано в п. З и 4 данной работы здесь ряд преимуществ принадлежит ванадийсодержащей стали.

Такими сталями для труб группы прочности Е, являются стали 37ХГФМ и 37ХГБМ, но опять же по ряду показателей ниобийсодержащая сталь уступает стали 37ХГФМ.

На основе исследований механических свойств, микроструктуры и фазового состава, проведенных на СинТЗ, в РОСНИТИ, УГТУ-УПИ, а также литературных данных, сформулированы основные принципы выбора сталей для горячедеформированных насосно-компрессорных и обсадных труб, а.

Диаграммы конструктивной прочности труб из исследованных сталей 37ХГМ О 37ХГБМ Д 37ХГФМ 37Г2С 38Г2СФ.

8, °Л.

900 ств, МПа' 400 ств по гр.пр. К, Е ст0,2, МПа.

2 ПО.

2 ПО гр.пр. К гр.пр. Е 37ХГМ 0 37ХГБМ Д 37ХГФМ • 37Г2С ¦ 38Г2СФ также муфтовой заготовки групп прочности Д, К, Е по ГОСТ 633(632)-80. Они заключаются в следующем:

— стали должны иметь феррито-перлитную структуру, формирующуюся в нижнем интервале температур распада переохлажденного аустенита по I ступениэто достигается определенным соотношением углеродаа (0,35−0,48%), Мл (~ 0,8%) или Мп + Сг (-1,2%), а также Мо (< 0,1%) при воздушном или спрейерном охлаждении трубы;

— путем регулирования дисперсионной, дислокационной и зернограничной компонент упрочнения при микролегировании сталей V (~ 0,08%), Nb (0,04%), а также Мо 0,1%) достигается требуемое значение стод, лимитирующее заданную группу прочности;

— для труб группы прочности К допустимо использование сталей с твердорастворным упрочнением Si (-0,5%), но в силу значительного охрупчмвающего действия оно не желательно для сталей труб группы прочности Е;

— для производства труб группы прочности Е перспективно использование дисперсионно-твердеющих сталей на Сг ('0,6%) — Мп (~0,7%) основе, имеющих достаточную устойчивость переохлажденного аустенита при содержании -0,35% углерода и — 0,1% молибдена.

По результатам цеховых и лабораторных прокатов найдено, что температура окончательной деформации (редуцирования труб) в аустенитной области является слабым и неоднозначно действующим на механические свойства фактором.

Снижение температуры деформации в межкритический интервал температур (750°С) и ниже А] (680°С) не целесообразно, так как при определенном повышении прочности пластичность (вязкость) сталей уменьшается, иногда ниже допустимого уровня.

Лабораторными экспериментами показано, что исследуемые стали становятся особенно чувствительными к температуре прокатки в аустенитной области лишь при ускоренном охлаждении.

Для труб из изученных дисперсионно-твердеющих сталей применение ускоренного последеформационного охлаждения, как и усиление охлаждения в валках редукционного стана (за счет замедления скорости вращения валков), приводит в ряде случаев к повышению уровня прочностных свойств и позволяет менее жестко контролировать температуру редуцирования для формирования повышенных групп прочности.

Исследование микроструктуры сталей типа 37ХГФМ, 37ХГБМ, 37ХГФБМ показало, что дефекты, внесенные в аустенит при редуцировании (калибровке) трубы, закрепленные дисперсными частицами специальных карбидов МеС, наследуются ферритом, что способствует измельчению структуры. Чем ниже температурный интервал редуцирования трубы (в пределах аустенитной области), тем больше этот положительный эффект, что обуславливает необходимость регламентации температур начала и конца редуцирования трубы, даже если это не приводит к значительному повышению а0д, но способствует сохранению требуемого уровня вязкопластических характеристик. В этом плане трубы из дисперсионно-твердеющих сталей (с добавками V, Nb) упрочненные в линии стана, могут рассматриваться, согласно ГОСТ 633–80 (632−80), как испытавшие термомеханическую обработку, даже при последеформационном охлаждении на спокойном воздухе.