автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка составов сталей и режимов термической обработки труб нефтяного сортамента на основе критериев оценки их конструктивной прочности

На правах рукописи

^^—■ Черных Елена Сергеевна

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ СТАЛЕЙ И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ИХ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□345157В

Екатеринбург - 2008

003451576

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» и в ОАО «Синарский трубный завод»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Фарбер Владимир Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН

Защита диссертации состоится в 14— час. 14 ноября 2008 г. в ауд. Мт-329 на заседании Диссертационного совета Д 212.285.04 в Уральском государственном техническом университете - УПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета.

Телефон (343) 375-45-74, факс (343) 374-53-35.

Автореферат разослан 13 октября 2008 г.

профессор Сорокин Виктор Георгиевич, Центральный научно- исследовательский институт металлов и материалов;

доктор технических наук,

профессор Стрижак Виктор Архипович, ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие нефтегазового комплекса, разработка новых месторождений с уникальными условиями добычи нефти и газа, обуславливают потребность в разнообразной номенклатуре трубной продукции. Здесь, с одной стороны, по-прежнему большой спрос на насосно-компрессорные и.обсадные (НК и О) трубы рядового качества, в частности, группы прочности Д. Для таких труб, выпускаемых в горячедеформированном состоянии, лимитируется только уровень прочностных свойств. Из-за возросшей чистоты металла по вредным примесям, особенно фосфору, в последние годы столкнулись с их понижеиием.

С другой стороны, на заводах непрерывно возрастает объем заказов на трубы нефтяного сортамента высоких групп прочности, для которых, согласно отечественной нормативной документации и зарубежным стандартам, требования высоких прочностных свойств сочетаются со значительным уровнем вязко-пластических характеристик. Такой комплекс механических свойств достигается только в результате термообработки, включающей закалку (или нормализацию) с печного нагрева и высокотемпературный отпуск. Реализация термоулучшения возможна для трубных сталей, обладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита для формирования в широком диапазоне скоростей охлаждения необходимого количества низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита).

Для достижения требуемого соотношения цсна-качество при массовом производстве НК и О труб стали должны быть экономнолегированными (особенно по Сг и Мо), что требует тщательного научно-обоснованного подбора их композиций и применения оптимальных режимов термообработки. Это требует знания закономерностей формирования структуры и механических свойств среднеуглеродистых низколегированных

сталей при ускоренном охлаждении и высокотемпературном отпуске. Такой комплекс научно-технических вопросов удается решить при проведении широкого круга исследований как в лабораторных, так и цеховых условиях.

Следовательно, отыскание закономерностей влияния составов среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на структуру и комплекс механических свойств, способствующих, в частности, стабильному производству НК и О труб для нефтегазовой отрасли, предопределило актуальность темы данной диссертационной работы.

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 «Физихохимия 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» на 2006-2009 гг».

Целью данной диссертационной работы явилось изучение закономерностей влияния состава среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на их структуру и механические свойства и разработка на их основе композиций сталей и режимов термической обработки труб нефтяного сортамента групп прочности Д, Е по ГОСТ 633(632)-80 и N80 тип 1 по API 5СТ-8 на производственных мощностях ОАО «Синарский трубный завод».

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- показать возможность аналитической оценки по химическому составу механических свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей с использованием различных соотношений и обосновать их использование для

прогнозирования механических свойств бесшовных

горячедеформированных труб;

- исследовать кинетику фазовых превращений, микроструктуру и механические свойства применяемых в ОАО «СинТЗ» сталей типа 37ХГФМ, 26ХМФА, ЗОХМА, 32ХМА-3 и установить корреляционные зависимости между составами сталей, технологическими режимами производства и механическими свойствами труб;

- скорректировать химические составы сталей для гарантировашюго получения механических свойств труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80;

- разработать рекомендации по химическому составу и режимам термической обработки труб, имеющих комплекс механических свойств (ст„>689 МП а, а0д=552-758 МПа, KV0 > 27 Дж, площадь сдвига- доля волокнистой составляющей (ДВС) в изломе> 75%), отвечающий группе прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

Научная новизиа.

1. Показана возможность прогнозирования по химическому составу низколегированных сталей механических свойств бесшовных горячедеформированных труб с использованием аналитических уравнений.

2. Для сталей типа 37ХГФМ, 38Г2СФ, 28ХГМ, 28ХГМФ построены термокинетические диаграммы (ТКД) распада переохлажденного аустенита.

3. На основе анализа ТКД совместно с микрострукгурными и дюраметрическими данными выбран круг сталей, обеспечивающих при охлаждении на спокойном воздухе со скоростью 2-4°С/с (нормализации) образование в структуре не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита), что требуется для изготовления труб повышенных групп прочности.

4. Найдены закономерности влияния параметра отпуска, учитывающего совместное действие температуры и длительности

изотермической выдержки, на изменение микроструктуры и механических свойств. Показано, что после нормализации и высокотемпературного отпуска стали 28ХГМ и 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при образовании преимущественно субзеренной структуры.

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, сопоставлением их с известными литературными данными, а также широким опробованием в промышленных условиях разработанных составов сталей и технологии производства труб.

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований модернизированы составы сталей типа Д и 37ХГФ, что обеспечило 100% выход годного по механическим свойствам при массовом производстве насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80 в ОАО «СинТЗ». Обосновано использование эмпирического показателя Ст для корректировки химического состава сталей Д и 37ХГФ, а также выбора сталей для труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. Требование по Ст введено во всю нормативную документацию на поставку трубной заготовки из данных сталей.

В результате проведенных исследований подобраны марки сталей и разработана технология производства насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. В ОАО «СинТЗ» изготовлены опытные партии труб с толщиной стенки от 5,5 до 7,0 мм, химический состав и технология изготовления которых соответствует разработанным в диссертации рекомендациям. Действующая на заводе технологическая документация на изготовление данного вида труб

составлена на основе положений настоящей работы по выбору материала и режимов термической обработки.

На защиту выносятся:

- совокупность результатов исследований по влиянию химического состава на комплекс механических свойств конструкционных низколегированных сталей в горячедеформированном, нормализованном и отпущенном состояниях;

- научно-обоснованные аналитические способы оценки механических свойств низколегированных трубных сталей по химическому составу при помощи известных уравнений и эмпирического показателя Ст;

- взаимосвязь параметров микроструктуры и механических свойств горячедеформированных бесшовных труб и муфтовой заготовки из среднеуглеродистых сталей, легированных Мп, Сг, Мо и V;

- закономерности влияния режимов нормализации и последующего высокотемперату рного отпуска на структуру, фазовый состав и механические свойства нормализованных конструкционных Мп-Сг-Мо и Мп-Сг-Мо-У сталей.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были доложены и обсуждены на IV Уральской школе-семинаре металловедов- молодых ученых (Екатеринбург, 2002г); XVII Всероссийской школе металловедов- термистов (Киров, 2004г); Российской конференции по трубному производству «Трубы России-2004» (Екатеринбург, 2004г); Всероссийской конференции «Проблемы и пути развития трубной промышленности в свете реализации закона РФ «О техническом регулировании» (Челябинск, 2004г); V международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск, 2005г), XIII международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2005» (Челябинск, 2005г); XVIII Уральской школе металловедов- термистов

(Тольятти, 2006г); V конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России (Королев, 2006г); XIV Международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2006» (Челябинск, 2006г); Неделе металлов в Москве (Москва, 2007г), XIX Уральской школе металловедов- термистов (Екатеринбург, 2008г).

Публикации. Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 12 статьях в центральных журналах и сборниках научных трудов, а также 3 патентах РФ.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов по каждой главе, заключения, выводов по диссертации в целом и списка использованных литературных источников из 60 наименований.

Диссертация содержит 173 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

Первая глава имеет обзорно-аналитический характер. На основе данных отечественной и зарубежной литературы, нормативной документации изложены вопросы о химическом составе, комплексе механических свойств сталей, используемых для изготовления труб в горячедеформированном и термообработанном состояниях.

Описаны закономерности легирования конструкционных углеродистых сталей микродобавками сильных карбидообразователей. Затронуты вопросы использования при производстве труб разновидности термомеханической обработки- контролируемой прокатки и нормализации с прокатного нагрева.

Дано краткое описание технологии производства горячедеформированных труб нефтяного сортамента на ТПА-80 и ТПА-140, а также особенностей термической обработки в ОЛО «СинТЗ».

Рассмотрен вопрос оценки с помощью эмпирических формул прочностных свойств (от и о,) углеродистых низколегированных сталей с феррито-перлитной структурой в горячекатаном или нормализованном состояниях по их химическому составу.

Изложены основные моменты по влиянию устойчивости переохлажденного аустенита, типа и качества фазовых и структурных составляющих, размера зерна, плотности дефектов кристаллического строения на механические свойства конструкционных сталей.

Во второй главе описывается материал и методы исследования. Рассматривается широкий круг сталей (12 марок), поставляемых на СинТЗ в виде трубной заготовки. Исследованные стали включали в себя как обычно применяемые стали (10, 17ГСА, Д, 38Г2СФ, ЗОХМА, 26ХМФА и др.), так и стали новых композиций с содержанием углерода 0,26-0,30% на Мп-Сг основе, легированные Mo (0,30-0,40%),. V (0,04-0,10%), с пониженным содержанием серы (не более 0,010%) и фосфора (не более 0,015%).

Опытно-промышленный прокат труб осуществлялся в цехах Т-2 (Т11А-140) и Т-3 (ТПА-80), температурный режим окончательной деформации был выше Ас3, что соответствовало режиму нормализации с прокатного нагрева.

Термическая обработка труб и муфтовой заготовки производилась в термоотделах цехов Т-2, Т-4 и лабораторных условиях. Она включала в себя нормализацию от различных температур (850-1000°С) и отпуск. В качестве варьируемых параметров при отпуске использовались как температура (600-720°С), так и длительность выдержки (0,15-4 часа), совокупное действие которых оценивалось с помощью параметра отпуска:

P = TOTn(C + lgTffnl)10-3, (1)

где Тотп - температура отпуска, К; тогп - время выдержки при отпуске, час; С = 20 - константа, которая подбиралась экспериментально в выбранном

диапазоне температур отпуска. Полученные зависимости аппроксимированы линейными уравнениями.

Термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита изучаемых сталей были построены на основе данных, полученных на дилатометре Шевенара, а также металлографических и дюраметрических исследований на тех же образцах. Они корректировались по результатам торцовой закалки (по ГОСТ 5657-69), при которой образцы подвергались аустенитизации при температуре 900°С.

Анализ микроструктуры проводился на сечениях, поперечных оси трубы, на металлографическом микроскопе «НЕОРНОТ-21» при увеличении 100-1000 крат. Электронно-микроскопическое исследование проводили методом топких фольг на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100Л при ускоряющем напряжении 100 кВ. Заготовки для фольг в виде пластин толщиной 0,2-0,3 мм вырезали поперек оси трубы.

Исследование тонкой структуры осуществлялось на рентгеноструктурном дифрактометре ДРОН-4М.

Для механических испытаний на растяжение использовались плоские образцы длиной 280 мм, вырезанные из стенки трубы. Для муфтовой заготовки, цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 8мм. Для сталей, подвергнутых термообработке в лабораторных условиях, цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 5 мм и длиной 65 мм.

Испытания на твердость проводились методом Роквелла по шкалам А и С в соответствии с ГОСТ 9013-59, а также по Бринеллю.

Испытания на ударный изгиб проводились по' ГОСТ 9454-78 на образцах с У-образным надрезом. Размеры ударных образцов варьировались в зависимости от диаметра и толщины стенки трубы и составляли 10x5, 10x7,5 и 10x10 мм.

Третья глава посвящена отысканию корреляции между химическим составом и уровнем механических свойств трубных сталей в нормализованном (горячедеформированном) состоянии. Для изделий из

низко- и среднеуглеродисгых сталей в виде листа (штрипсов) в горячедеформированном или нормализованном состояниях уровень аг и а, оценивается по известным эмпирическим уравнениям в виде аддитивного вклада отдельных химических элементов с учетом интенсивности действия каждого.

Применение такого подхода для расчета уровня прочностных свойств сгт и с, (в МПа) среднеуглеродисгых низколегированных трубных сталей в горячекатаном (нормализованном) состоянии при содержании кремния, хрома до 1 %, никеля и меди до 0,30 %, а марганца до 1,7 %, показало необходимость корректировки коэффициентов у химических элементов, и в окончательном варианте искомые формулы имеют вид:

от= 122 + 411С + 121Мп + 9481 + 61Сг + 44№ + 78Си + 596У + 755Т1 + +1080Мо + 540Р + 129-2(Ь-5)] (2)

с„= 188 + 825С + 120Мп + 16781 + 94Сг + 33№ + 56Си + 543У + 53(Ш + +1247Мо + 451Р + [21 — 1,4 (Ъ - 5)]; (3)

где С, Мл, 81, Сг, N1, Си, V, "П, Р, Мо - содержание элемента, % (масс.); {1- толщина стенки трубы, мм.

Различие в фактических и расчетных значениях при применении данных формул для прогнозирования прочностных свойств изготавливаемых на СинТЗ горячедеформированных труб диаметром 48-Н68мм с толщиной стенки 13мм составляет для ат СН-11%, для ав (И-5%.

С целью прогнозирования механических свойств и выбора композиций сталей для изготовления горячедеформированных и термоулучшенных бесшовных труб, в работе предлагается эмпирический показатель С,. Расчет показателя Ст предлагается проводить по формуле:

С7=СА(Сг + № + С"К^,% (4)

6 5 4

где С, Мп, №, Си, Сг, Мо- содержание соответствующих элементов в

стали, % (масс.).

Найдено, что существует корреляция Сг с уровнем прочностных и вязко-пластических характеристик для среднеуглеродистых низколегированных сталей в горячедеформированном состоянии, у которых механические свойства во многом определяются соотношением количества структурных составляющих: избыточного феррита, перлита, бейнита (рис. 1).

о*

МПа

750

720

Ок=23?+782Ст

От, МПа

<20

«О

Ог172+ЗИС, ц,

■ в В»

0.56 0,58 0.60 0,62 ОМ С* № «Я О'58 с£0 <162 0.64 с, %

а) б)

Рис. 1. Соотношение (Ув-Ст (а), Ох-С, (б) для стали Д

На термокинетических диаграммах (ТКД) распада переохлажденного аустенита бейнитная область со стороны малых скоростей охлаждения ограничена линией 1-1' (рис. 2), которая характеризует минимальную скорость охлаждения , обеспечивающую образование первых порций бейнита наряду с ферритом и перлитом. Поскольку для горячедеформированных труб присутствие бейнита, охрупчивающего сталь, нежелательно, а для труб, испытавших нормализацию, необходимо иметь в структуре достаточное количество низкотемпературных продуктов распада аустенита, то имеет принципиальное значение при производстве

бесшовных труб и существует необходимость в ее аналитической оценке, исходя из химического состава стали.

Построение поля корреляции между , найденной по ТКД, опубликованным во всех доступных источниках, а также построенных для

сталей, изученных в данной работе, и С,, рассчитанным по (4), приведено на рис. 3.

Рис. 2. Термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита

стали 28ХГМФ

Как видно из рис. 3, для сталей с одинаковым Ст, значения , найденные по литературным данным, всегда меньше значений Гг'у, для сталей, используемых в ОАО «СинТЗ». Это может быть объяснено повышением чистоты современных сталей, так как в последнее время металлургические комбинаты- поставщики трубной заготовки перешли на новые способы выплавки и более глубокой очистки стали от примесей.

Такая связь Ст, с одной стороны, с механическими свойствами сталей и, с другой стороны, с неудивительна, так как Ст через химический состав сталей описывает устойчивость переохлажденного аустенита в феррито-перлито-бейнитной области распада, а механические свойства при фиксировашюй скорости охлаждения труб определяются соотношением этих структурных составляющих и их дисперсностью.

V'

гБ

ОХЛ,

О,

'С/сек - ->о Гл.«

15

10

5

0

0,4

0,6

0,8 Ст> %

Рис. 3. Соотношение для среднеуглеродистых сталей У„хл- Ст

На СинТЗ оценка Ст для поступаемых сталей используется многосторонне. Так, для труб, имеющих требуемый комплекс механических свойств после охлаждения с прокатного нагрева, вводится допустимый диапазон значений 0=0,60-0,67% для труб группы прочности Д и Ст=0,63-0,70% для труб группы прочности Е. Нижний уровень гарантирует необходимые прочностные свойства (от и а,), так как обеспечивает распад аустенита при охлаждении труб на спокойном воздухе после горячего проката по нижней области I ступени. Верхний уровень Ст для группы прочности Е нормируется с целью предотвратить появление в структуре низкотемпературных продуктов распада аустенита, охрупчивающих сталь.

У сталей для труб, подлежащих нормализации с печного нагрева с последующим отпуском, Ст должен превышать 0,75%, что обеспечивает при охлаждении на воздухе формирование в структуре необходимого количества низкотемпературных продуктов распада аустенита (бейнита+ мартенсита).

В настоящее время оценка Ст внесена во всю нормативную документацию для сталей Д-8 и 37ХГФМ, поставляемых в ОАО «Син'ГЗ» в виде трубной заготовки.

Четвертая глава посвящена проблеме изготовления труб группы прочности N80 тип 1 по стандарту API 5СГ-8 уровня требований PSL-2. Кроме высокого уровня прочностных свойств (аот2=552-758 МПа, ста>689 МПа), стандарт нормирует значения ударной вязкости при ТИН1= 0°С у труб KV > 27 Дж (для продольных образцов 10x10 мм) в совокупности с наиболее сложно достижимой величиной не менее 75% доли волокнистой составляющей в изломе (ДВС).

Согласно стандарту, должна быть проведена термическая обработка-нормализация или нормализация и отпуск по всей длине труб, допускается проведение нормализации с прокатного нагрева.

Опыт производства труб такого качества в нашей стране отсутствовал, как и зарубежные сведения по химическому составу сталей. Наконец, круг необходимых для решения проблем включал основной момент-технологические режимы термообработки труб группы прочности N80 тип 1 должны быть применимыми к действующему на СинТЗ оборудованию.

Поиск материала и режимов термической обработки был начат с изучения сталей ЗОХМА, 26ХМФА, 37ХГФМ, 32ХМА-3, применяемых на Син'ГЗ. Исследованиями в лабораторных и цеховых условиях установлено, что проведение нормализации с прокатного нагрева является неперспективным ввиду низких значений вязкостных свойств (KV0 = 2,7-39 Дж, ДВС менее 1 %) для всех сталей. Неудовлетворительные результаты дало и проведете последующего отпуска. После нормализации и отпуска с печного нагрева в цеховых условиях только трубы из сталей 37ХГФМ с Ст= 0,76% и 32ХМА-3 с Ст= 0,78% по прочностным свойствам соответствовали требованиям группы прочности N80 тип 1.

По величине KV° трубы из всех исследованных сталей после нормализации и, тем более, отпуска удовлетворяли минимальным требованиям группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2. Исключение составляли трубы из стали 32ХМА-3 в нормализованном состоянии, в которых чрезвычайно низкий уровень KV" и ДВС был обусловлен высокой плотностью дислокаций и большими внутренними напряжениями в бейнитно-мартенситной структуре.

В то же время по ДВС трубы из изученных сталей как в нормализованном, так и в отпущенном состоянии не достигали заданной величины (> 75%). Исключение составляли стали с содержанием углерода < 0,30%, имеющие высокий уровень вязко-пластических характеристик, но неудовлетворительно низкую для N80 тип 1 прочность. Естественно, что трубы из стали 37ХГФМ со структурой верхнего бейнита даже в отпущенном состоянии имели низкие значения как KV0, так и ДВС.

По результатам данных исследований были сформулированы основные положения по выбору композиций сталей и режимов термической обработки для изготовления труб нефтяного сортамента с уровнем требований PSL-2 группы прочности N80 тип 1 по API 5СТ-8.

На основании разработанных положений и накопленного опыта для производства в ОАО «СинТЗ» труб группы прочности N80 тип 1, были предложены стали 28ХГМ и 28ХГМФ (С=0,26-0,30%, Мп=1,20-1,40%, Cr=0,50-0,75%, Р не более 0,015%, S не более 0,010%, V =0,04-0,10% для ванадийсодержащей стали).

Анализ ТКД предложенных сталей показал, что благодаря влиянию легирующих элементов - Мп, Сг и, в большей степени, Мо, стали обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита по I ступени. Область распада аустенита по II ступени имеет значительно меньшую устойчивость, что создает предпосылки для формирования в трубах из данных сталей после нормализации (при скорости охлаждения на спокойном воздухе - 2^4 °С/с) значительного количества бейнита с определенной долей

15%) избыточного феррита и, в меньшей степени, перлита (см. рис. 2). Формирование такой структуры в сталях 28ХГМ и 28ХГМФ после нормализации является необходимым условием достижения механических свойств труб, соответствующих группе прочности N80 тип 1 уровня Р8Ь-2 по АР1-5СТ.

Микроструктура нормализованных образцов стали, легированной ванадием такая же, как у стали 28ХГМ, но значительно более дисперсная, что обусловлено измельчением аустенитного зерна и, соответственно, продуктов его распада под действием частиц УС.

На рис. 4 представлена наблюдаемая под электронным микроскопом структура труб из исследованных сталей, нормализованных в цеховых условиях от 900-920 °С. Обнаруживаются следующие структурные составляющие: избыточный феррит, мартенсит, верхний и нижний бейнит, вырожденный перлит с изогнутыми несплошными частицами цементита и невысокой плотностью дислокаций в пластинах феррита. Анализ кольцевой элсктронограммы, снятой со всей облучаемой электронами поверхности образца, показал, что, помимо перечисленных выше структурных составляющих, имеется и остаточный аустенит, однако обнаружить его в микрострукту ре не удалось.

Сталь 28ХГМ после нормализации при 880 "С в лабораторных условиях имеет высокий комплекс механических свойств (сгв = 890 МПа, Сто,2 = 600 МПа, 55 = 17 %, К\'п = 78 Дж, ДВС = 86 %), превышающий минимальные требования группы прочности N80 тип 1 уровня Р8Ь-2. Это обусловлено, очевидно, удачным сочетанием в структуре прочных продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита + мартенсита) и избыточного феррита, обладающего высокой пластичностью и вязкостью. Добавка ванадия (сталь 28ХГМФ) приводит к тому, что уровень прочностных свойств в нормализованном состоянии еще более возрастает (на Да = 15-20 МПа), но сопровождается падением вязко- пластических характеристик (КУ° =15 Дж, ДВС < 1 %).

17

в) X 42000 г) X 14000

Рис. 4. Микроструктура труб (73x5,5 мм) из сталей 28ХГМФ (а, б) и 28ХГМ (в, г), нормализованных в цеховых условиях от 900-920 "С

Высокотемпературный отпуск стали 28ХГМ приводит к столь резкому падению временного сопротивления, что его величина находятся в опасной близости к минимальным требованиям группы прочности N80 тип 1. Такая же ситуация, хотя и выраженная не столь сильно, как для ст., наблюдается и для предела текучести. После отпуска по всем изученным режимам уровень вязко-пластических характеристик стали 28ХГМ крайне высок (55 = 19-25 %, КУ° = 58-102 Дж, ДВС = 82-93 %) и значительно превышает минимальные требования группы прочности N80 тип 1 уровня РЭЬ-2.

Аналогичное поведение при отпуске наблюдается для стали 28ХГМФ. По сравнению с нормализованным состоянием, уже кратковременный отпуск стали 28ХГМФ при 650 °С приводит к повышению на 70 МПа предела текучести, что типично для дисперсионного упрочнения частицами УС, выделяющимися в ходе отпуска при Тшт1 > 500 °С. Однако при отпуске Тотп > 650 °С эти выделения УС, как и частицы цементита, начинают коагулировать, высвобождать дислокации, что приводит к снижению с, и с0.2 и существенному росту вязко-пластических характеристик.

В исследованном интервале параметров отпуска (Р = 17,8-19,2) значения прочностных свойств стали 28ХГМФ находились на высоком уровне, превышающем на Дст = 100-150 МПа требования группы прочности N80 тип 1, при преимущественно удовлетворительных значениях КУ° и ДВС. В то же время наблюдаются провалы по ДВС 40-50 %) при отпуске в интервале Р = 18,35-18,45 при одновременном нахождении КУ° вблизи требуемого уровня (15 Дж).

После отпуска при 700°С в течение 1 часа в большинстве микрообъемов глубокая перестройка дислокаций привела к формированию субзерен с изогнутыми, мигрирующими за пределы исходных реек субграницами. Это свидетельствует об интенсивном развитии полигонизации, которая сопровождается коагуляцией частиц цементита (Ме3С) и УС, располагающихся преимущественно по границам субзерен. В

некоторых микрообъемах еще сохраняются рейки феррита с повышенной плотностью дислокаций, закрепленных дисперсионными частицами карбида ванадия.

Варьирование параметра отпуска Р = 18,2 до Р = 19,5 позволяет изменять в широком диапазоне конструктивную прочность (сочетание прочностных и вязко-пластических характеристик) НК и О труб из исследуемых сталей и выбрать режимы отпуска, обеспечивающие требования группы прочности N80 (I) уровня PSL-2.

Трубы из сталей типа 28ХГМ имеют наилучшую конструктивную прочность после отпуска при 650 °С продолжительностью 30-45 мин (Р = 18,2-18,5), когда в структуре наряду с полигонизованными областями еще присутствует рейки феррита с повышенной плотностью дислокаций. Повышение Р > 19 приводит к росту вязко-пластических характеристик, но и столь быстрому падению прочностных свойств, что они находятся в опасной близости (стод), а иногда и ниже (ств) минимального уровня, отвечающего N80 (I) уровня PSL-2.

Отпуск ванадийсодержащей стали на Тш = 650°С при весьма высоких значениях прочности и ударной вязкости не позволяет достигнуть требуемой величины ДВС. После высокотемпературного отпуска в сравнительно широком диапазоне Р от 18,8 до 19,5, когда в трубах из стали 28ХГМФ формируется преимущественно субзеренная структура, комплекс механических свойств труб значительно превышает требуемый уровень. Это гарантирует стабильный выход годного при производстве НК и О труб из ванадийсодержащей стали и дает ей определенное преимущество перед сталью 28ХГМ.

Таким образом, по результатам термообработок в лабораторных и цеховых условиях установлено, что для труб сортамента 73x5,5 мм получение комплекса механических свойств группы прочности N80 (1) уровня PSL-2 по API 5СТ-8 возможно после нормализации от Т = 880-900 °С и отпуска в область параметра отпуска: для стали 28ХГМ -Р = 18,2-19,0; для

стали 28ХГМФ - Р = 18,8-19,6. Так, оптимальными режимами отпуска являются для стали 28ХГМ Тога = 650 °С, тога = 0,25-0,50 ч., для стали 28ХГМФ Т^п = 650-700 "С, -сота = 0,25-0,50 ч.

Пятая глава посвящена промышленному производству в ОАО «СинТЗ» насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки из исследованных сталей.

Исходя из результатов данной работы, для повышения уровня прочностных свойств труб группы прочности «Д» было принято решение о корректировке химического состава трубной заготовки в направлении увеличения показателя С, до 0,60% (для стали Д-8) за счет повышения содержания углерода и марганца, что внесено в нормативную документацию на поставку трубной заготовки.

Из трубной заготовки стали Д-8 с С, не менее 0,60% поставки «НТМК», «Урал Сталь» и «ВТЗ», на С широком трубном заводе с начала 2006 года по первый квартал 2008 года включительно, были изготовлены обсадные, насосно-компрессорные трубы и муфтовая заготовка группы прочности Д диаметром от 48 до 168мм с толщиной стенки от 4 до 16,5мм общим объемом 108 тыс. тонн, которые по всем показателям соответствовали требованиям ГОСТ 633(632)-80 для труб группы прочности «Д» (сгт=379-552 МПа, ав>655 МП а, 35>14,3%).

В нормативную документацию на поставку трубной заготовки из стали 37ХГФМ производства ОАО «НТМК», ОАО «УралСталь» и ОАО «ОЭМК» внесено требование о величине показателя Ст не менее 0,63%. Из трубной заготовки стали 37ХГФМ с Ст не менее 0,63% на Сикарском трубном заводе с начала 2006 года по первый квартал 2008 года включительно, были изготовлены обсадные, насосно-компрессорные трубы и муфтовая заготовка группы прочности «Е» диаметром от 60 до 146мм с толщиной стенки от 5 до 13мм общим объемом 26 тыс. тонн. Изготовленные партии горячедеформированных труб по всем показателям соответствовали

требованиям ГОСТ 633(632)-80 для труб группы прочности «Е» (ат=552-758 МПа, а,>689 МПа, 5,2:13,0%).

Статистическая обработка механических свойств труб показала, что применение сталей Д-8 с Q не менее 0,60% и 37ХГФМ с Ст не менее 0,63%, позволяет добиваться стабильных механических свойств, благодаря снижению вероятности выпада за границы доверительных интервалов по пределу текучести и пределу прочности.

На основании результатов исследований, проведенных в диссертации, разработана технология производства насосно-компрессорных и обсадных труб с толщиной стенки от 5,5 до 7,0мм группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8, на основе которой были изготовлены в условиях ОАО «СинТЗ» опытные партии труб размером 73x5,5мм из сталей 28ХГМ и 28ХГМФ полном соответствии с предъявляемыми требованиями. Трубы имеют необходимый комплекс механических свойств: ое=700...740МПа, ат=560...625МПа, КУ°=85...100Дж, ДВС=85...95% после нормализации от 850...900°С и последующего отпуска по режиму Тотп=650°С, тота=0,25...0,50ч для стали 28ХГМ и стЕ=720...825МПа, ст=635...725МПа, КУ°=50...95Дж, ДВС=75...90%-после нормализации от 850...90СС и последующего отпуска по режиму ТОГП=700°С, тога=0,25...0,50ч для стали 28ХГМФ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что прочностные свойства (сгв, стт) трубных сталей с феррито-перлитной структурой (типа 10, 17ГСА, Д и др.) можно оценивать по их химическому составу при помощи аналитических уравнений, учитывающих аддитивный вклад отдельных химических элементов со скорректированными у них значениями коэффициентов.

2. Установлено существование корреляции между эмпирисеским показателем Cr= C+Mn/6+(Cr+Ni+Cu)+Mo/4 и механическими характеристиками среднеуглеродистых сталей в горячедеформированном состоянии. Обосновано существование связи между показателем Ст и

мииимальной скоростью непрерывного охлаждения, приводящей к формированию наряду с ферритом и перлитом первых порций бейнита.

3. Введение дополнительного ограничения по Cr для сталей Д-8 и 37ХГФМ позволило гарантированно получать требуемый уровень механических свойств иасосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки. В 2006-2008 годах в условиях ОАО «СинТЗ» из данных сталей изготовлено более 130 тыс. тонн труб нефтяного сортамента в полном соответствии с требованиями для труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80.

4. Найдено, что среди широкого круга изученных сталей 26ХМФА, 28ХГМ, 28ХГМФ, 30ХМА, 32ХМА-3, 37ХГФМ, вновь разработшшые стали 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшее сочетание прочностных и вязко-пластических характеристик после нормализации и высокотемпературного отпуска, отвечающее требованиям ipynmj прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

5. На основе исследования влияния температур нормализации с 850 по 1000°С, условий отпуска в широком интервале 17,8...23,6 параметра Р = Гота"(С + IgToJ-lO"3 на комплекс механических свойств установлено, что трубы из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при формировании после нормализации наряду с ферритом и перлитом не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита) и преимущественно субзеренной структуры после высокотемпературного отпуска.

6. Разработана технология и режимы термической обработки (нормализация без изотермической выдержки с последующим высокотемпературным отпуском длительностью 0,25...0,50 ч) насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

7. В ОАО «СинТЗ» выпущены опытные партии труб размером 73x5,5мм в полном соответствии с требованиями группы прочности N 80(1)

уровня PSL-2 из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ. Трубы имеют комплекс механических свойств после нормализации от 850...900°С и последующего отпуска по режиму Тотл=650°С, тО1Т1=0,25...0,50ч для стали 28ХГМ (ег,=700...740МПа, ст=560...625МПа, KV°=85... ЮОДж, ДВС=85...95%) и режиму Тога=7000С, тот„=0,25...0,50ч для стали 28ХГМФ (о,=720...825МПа, ат=635... 725МПа, КУ°=50...95Дж, ДВС=75...90%).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горожанин П.Ю. Влияние состава и режимов проката на механические свойства труб из среднеуглеродистых низколегированных сталей/ П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер, В.А.Хотинов// Производство проката. 2005, № 12, с. 27-31.

2. Горожанин П.Ю. Аустенитное зерно в среднеуглеродистых низколегированных сталях и особенности его роста/ П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер, В.А.Хотинов// Технология металлов. 2006, №5, с. 17-21.

3. Черных Е.С. Оптимизация химического состава стали для труб группы прочности Д/ Е.С. Черных, П.Ю. Горожанин, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер// Сталь. 2008, № 5, с. 87-89.

4. Хотинов В.А. Кинетика распада переохлажденного аустенита в среднеуглеродистых трубных сталях/ В.А.Хотинов, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.П. Швейкин, В.М. Фарбер// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008, № 8, с. 24-26.

5. Черных Е.С. Влияние температуры аустенизации и горячей пластической деформации на устойчивость переохлажденного аустенита среднеуглеродистых сталей/ Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, М.А. Попова, В.М. Фарбер, В.А. Хотинов// Вестник УГТУ-УПИ. 2006, № 4, с. 105-110.

6. Сухомлин Г.Д. Морфология и кристаллогеометрия цементитной составляющей перлитных и квазиэвтектоидных структур/ Г.Д. Сухомлин,

П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сборник научных трудов, вып. 27, ч. 2. Днепропетровск: ПГАСА, 2004, с. 41-48.

7. Горожанин П.Ю. Основные направления совершенствования технологии производства труб нефтяного сортамента/ П.Ю. Горожанин, С.Ю. Жукова, Е.С. Велик// Всероссийская конференция «Проблемы и пути развития трубной промышленности в свете реализации закона РФ «О техническом регулировании»: тематический сборник научн. трудов. Челябинск: ОАО «РосНИТИ». 2004, с. 200-203.

8. Горожанин П.Ю. Размер аустенитного зерна и особенности его роста в сталях 37ХГМ, 37ХГМБ и 48Г2БМ/ П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, В.А. Хотинов, С.Ю.Жукова, В.М. Фарбер// V международная научно-техническая конференция молодых специалистов: сборник научн. трудов. Магнитогорск: ОАО «ММК». 2005, с. 60-61.

9. Хотинов В.А. Влияние температуры аустенизации и горячей пластической деформации на устойчивость переохлажденного аустенита среднеуглеродистых сталей/ В.А. Хотинов, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, М.А. Попова, В.М. Фарбер// XVIII Уральская школа металловедов- термистов: сборник тезисов. Тольятти: ТГУ, 2006, 83.

10. Горожанин П.Ю. Разработка композиций сталей для труб нефтяного сортамента групп прочности «Д» и «К»/ П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер//Там же, с. 85.

11. Черных Е.С. Разработка оптимального материала для изготовления труб нефтяного сортамента путем ТМО в линии трубопрокатных агрегатов/ Е.С. Черных// V конкурсная конференция молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России: тезисы докладов. Королев: ИПК «Машприбор», 2006, с. 68-70.

12. Бодров Ю.В. Определение оптимальной технологии изготовления труб нефтяного сортамента групп прочности «К», «Е» в линии ТПА/ Ю.В. Бодров, А.И. Грехов, П.Ю. Горожанин, М.Н. Лефлер, С.Ю. Жукова, Е.С. Черных//

Неделя металлов в Москве 12-16 ноября 2007: сборник трудов конференций. Москва, 2007, с. 310-312.

13. Патент РФ № 2254189. Устройство для охлаждения труб в многоклетьевом прокатном стане, приор. 03.02.2004, МПК В 21В 45/02. Опубл.: БИ, 2005, № 17.

14. Патент РФ № 2291903. Способ прокатки труб с термомеханической обработкой, приор. 15.07.2005, МПК C21D 8/10. Опубл.: БИ, 2007, № 2.

15. Патент РФ № 2291905. Способ охлаждения труб, приор. 15.07.2005, МПК C21D 9/08, В 21В 45/02. Опубл.: БИ, 2007, № 2.

Формат 60x84 1/16

Бумага писчая Тираж 110 экз. Заказ № 1215

Ризография ОДиИО ОАО «СинГЗ» 623401, Свердловская обл., г.Каменск-Уральский, Заводской проезд, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 Трубы нефтяного сортамента и требования к ним.

1.2 Составы и механические свойства среднеуглеродистых низколегированных сталей.

1.3 Аналитическая оценка механических свойств конструкционных сталей.

1.4 Технология производства горячедеформированных труб и их термическая обработка.

1.5 Нормализация и отпуск сталей.

2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Стали и режимы их обработок.•.

2.2 Методика структурных исследований.

2.3 Исследование механических свойств.

2.4 Использование элементов статистического анализа.

3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДОЭВТЕКТОИДНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ.

3.1 Отыскание корреляции между прочностными характеристиками и химическим составом.

3.2 Использование эмпирического показателя Ст для оценки механических свойств горячедеформированных труб.

3.3 Связь между показателем Ст и минимальной скоростью охлаждения, обеспечивающей образование бейнита.

Выводы.

4 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТРУБ ГРУППЫ ПРОЧНОСТИ N80 ТИП 1.

4.1 Опробование сталей, используемых на СинТЗ.

4.2 Опробование сталей новых композиций.

Выводы.

5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.

Развитие нефтегазового комплекса, разработка новых месторождений с уникальными условиями добычи нефти и газа, обуславливают потребность в разнообразной номенклатуре трубной продукции. Здесь, с одной стороны, по-прежнему большой спрос на насосно-компрессорные и обсадные (НК и О) трубы рядового качества, в частности, группы прочности Д. Для таких труб, выпускаемых в горячедеформированном состоянии, лимитируется только уровень прочностных свойств. Из-за возросшей чистоты металла по вредным примесям, особенно фосфору, в последние годы столкнулись с их понижением.

С другой стороны, на заводах непрерывно возрастает объем заказов на трубы нефтяного сортамента высоких групп прочности, для которых, согласно отечественной нормативной документации и зарубежным стандартам, требования высоких прочностных свойств сочетаются со значительным уровнем вязко-пластических характеристик. Такой комплекс механических свойств достигается только в результате термообработки, включающей закалку (или нормализацию) с печного нагрева и высокотемпературный отпуск. Реализация термоулучшения возможна для трубных сталей, обладающих повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита для формирования в широком диапазоне скоростей охлаждения необходимого количества низкотемпературных продуктов распада аустенита (мартенсита, бейнита).

Для достижения требуемого соотношения цена-качество при массовом производстве НК и О труб стали должны быть экономнолегированными (особенно по Сг и Мо), что требует тщательного научно-обоснованного подбора их композиций и применения оптимальных режимов термообработки. Это требует знания закономерностей формирования структуры и механических свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей при ускоренном охлаждении и высокотемпературном отпуске. Такой комплекс научно-технических вопросов удается решить при проведении широкого круга исследований как в лабораторных, так и цеховых условиях.

Следовательно, отыскание закономерностей влияния составов среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на структуру и комплекс механических свойств, способствующих, в частности, стабильному производству НК и О труб для нефтегазовой отрасли, предопределило актуальность темы данной диссертационной работы.

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» на 2006-2009 гг».

Целью данной диссертационной работы явилось изучение закономерностей влияния состава среднеуглеродистых низколегированных сталей и режимов термообработки на их структуру и механические свойства и разработка на их основе композиций сталей и режимов термической обработки труб нефтяного сортамента групп прочности Д, Е по ГОСТ 633(632)-80 и N80 тип 1 по API 5СТ-8 на производственных мощностях ОАО «Синарский трубный завод».

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- показать возможность аналитической оценки по химическому составу механических свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей с использованием различных соотношений и обосновать их использование для прогнозирования механических свойств бесшовных горячедеформированных труб;

- исследовать кинетику фазовых превращений, микроструктуру и механические свойства применяемых в ОАО «СинТЗ» сталей типа 37ХГФМ, 26ХМФА, ЗОХМА, 32ХМА-3 и установить корреляционные зависимости между составами сталей, технологическими режимами производства и механическими свойствами труб;

- скорректировать химические составы сталей для гарантированного получения механических свойств труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80;

- разработать рекомендации по химическому составу и режимам термической обработки труб, имеющих комплекс механических свойств (сгв>689 МПа, ст0)2=552-758 МПа, KV0 > 27 Дж, площадь сдвига- доля волокнистой составляющей (ДВС) в изломе> 75%), отвечающий группе прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

Научная новизна.

1. Показана возможность прогнозирования по химическому составу низколегированных сталей механических свойств бесшовных горячедеформированных труб с использованием аналитических уравнений.

2. Для сталей типа 37ХГФМ, 38Г2СФ, 28ХГМ, 28ХГМФ построены термокинетические диаграммы (ТКД) распада переохлажденного аустенита.

3. На основе анализа ТКД совместно с микроструктурными и дюраметрическими данными выбран круг сталей, обеспечивающих при охлаждении на спокойном воздухе со скоростью 2-4°С/с (нормализации) образование в структуре не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита), что требуется для изготовления труб повышенных групп прочности.

4. Найдены закономерности влияния параметра отпуска, учитывающего совместное действие температуры и длительности изотермической выдержки, на изменение микроструктуры и механических свойств. Показано, что после нормализации и высокотемпературного отпуска стали 28ХГМ и 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при образовании преимущественно субзеренной структуры.

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, сопоставлением их с известными литературными данными, а также широким опробованием в промышленных условиях разработанных составов сталей и технологии производства труб.

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований модернизированы составы сталей типа Д и 37ХГФ, что обеспечило 100% выход годного по механическим свойствам при массовом производстве насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80 в ОАО «СинТЗ». Обосновано использование эмпирического показателя Ст для корректировки химического состава сталей Д и 37ХГФ, а также выбора сталей для труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. Требование по Ст введено во всю нормативную документацию на поставку трубной заготовки из данных сталей.

В результате проведенных исследований подобраны марки сталей и разработана технология производства насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8. В ОАО «СинТЗ» изготовлены опытные партии труб с толщиной стенки от 5,5 до 7,0 мм, химический состав и технология изготовления которых соответствует разработанным в диссертации рекомендациям. Действующая на заводе технологическая документация на изготовление данного вида труб составлена на основе положений настоящей работы по выбору материала и режимов термической обработки.

Основные положения диссертации и ее отдельные результаты работы были доложены и обсуждены на IV Уральской школе-семинаре металловедов- молодых ученых (Екатеринбург, 2002г); XVII Всероссийской школе металловедов- термистов (Киров, 2004г); Российской конференции по трубному производству «Трубы России-2004» (Екатеринбург, 2004г); Всероссийской конференции «Проблемы и пути развития трубной промышленности в свете реализации закона РФ «О техническом регулировании» (Челябинск, 2004г); V международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск, 2005г), XIII международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2005» (Челябинск, 2005г); XVIII Уральской школе металловедов- термистов (Тольятти, 2006г); V конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России (Королев, 2006г); XIV Международной научно-практической конференции «ТРУБЫ-2006» (Челябинск, 2006г); Неделе металлов в Москве (Москва, 2007г), XIX Уральской школе металловедов- термистов (Екатеринбург, 2008г).

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю профессору кафедры ТО и ФМ доктору технических наук Фарберу В.М. за становление автора, как специалиста, за помощь в постановке задач исследований и обсуждении их результатов. Также выражаю благодарность доценту кафедры «Термической обработки и физики металлов», кандидату технических наук Хотинову В. А. за помощь в проведении ряда экспериментов, доцентам кафедры ОМД, кандидатам технических наук Швейкину В.П. и Паршакову С.И. за содействие в работе. Считаю своим долгом выразить признательность коллективу центральной заводской лаборатории ОАО «СинТЗ», ее начальнику, кандидату технических наук Горожанину П.Ю., заместителю начальника по новым видам продукции

Лефлеру М.Н., начальнику лаборатории металловедения и термической обработки, кандидату технических наук Жуковой С.Ю. за постоянную поддержку и помощь на всех этапах проведения данной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что прочностные свойства (сгв, ат) трубных сталей с феррито-перлитной структурой (типа 10, 17ГСА, Д и др.) можно оценивать по их химическому составу при помощи аналитических уравнений, учитывающих аддитивный вклад отдельных химических элементов со скорректированными значениями коэффициентов у них.

2. Установлено существование корреляции между эмпирисеским показателем Ст= C+Mn/6+(Cr+Ni+Cu)+Mo/4 и механическими характеристиками среднеуглеродистых сталей в горячедеформированном состоянии. Обосновано существование связи между показателем Ст и минимальной скоростью непрерывного охлаждения, приводящей к формированию наряду с ферритом и перлитом первых порций бейнита.

3. Введение дополнительного ограничения по Ст для сталей Д-8 и 37ХГФМ позволило гарантированно получать требуемый уровень механических свойств насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки. В 2006-2008 годах в условиях ОАО «СинТЗ» из данных сталей изготовлено более 130 тыс. тонн труб нефтяного сортамента в полном соответствии с требованиями для труб групп прочности Д и Е по ГОСТ 633(632)-80.

4. Найдено, что среди широкого круга изученных сталей 26ХМФА, 28ХГМ, 28ХГМФ, 30ХМА, 32ХМА-3, 37ХГФМ, вновь разработанные стали 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшее сочетание прочностных и вязко-пластических характеристик после нормализации и высокотемпературного отпуска, отвечающее требованиям группы прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

5. На основе исследования влияния температур нормализации с 850 по 1000°С, условий отпуска в широком интервале 17,8.23,6 параметра Р = Тотп-(С + lgxoxn)-10"3 на комплекс механических свойств установлено, что трубы из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ имеют наилучшую конструктивную прочность при формировании после нормализации наряду с ферритом и перлитом не менее 50% продуктов низкотемпературного распада аустенита (бейнита+мартенсита) и преимущественно субзеренной структуры после высокотемпературного отпуска.

6. Разработана технология и режимы термической обработки (нормализация без изотермической выдержки с последующим высокотемпературным отпуском длительностью 0,25.0,50 ч) насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности N 80 тип 1 уровня PSL-2 по API 5СТ-8.

7. В ОАО «СинТЗ» выпущены опытные партии труб размером 73x5,5мм в полном соответствии с требованиями группы прочности N 80(1) уровня PSL-2 из сталей 28ХГМ, 28ХГМФ. Трубы имеют комплекс механических свойств после нормализации от 850.900°С и последующего отпуска по режиму ТОХП=650°С, тотп=0,25. 0,50ч для стали 28ХГМ (ав=700.740МПа, ах=560.625МПа, КУ°=85.100Дж, ДВС=85.95%) и режиму Тотп=700°С, тохп=0,25.0,50ч для стали 28ХГМФ (ав=720.825МПа, от=635.725МПа, КУ°=50.95Дж, ДВС=75.90%).

1. Дейнеко А. Д. Стратегия развития российской трубной промышленности/ А.Д. Дейнеко // Труды XIV Международной научно-практической конференции "Трубы-2006", стр. 34-41.

2. Ткаченко В.А. Трубы для нефтяной промышленности / В.А. Ткаченко, A.A. Шевченко, В.И. Стрижак, Ю.С. Пикинер // М.: Металлургия, 1986.

3. Марченко Л.Г. Термомеханическое упрочнение труб / Л.Г. Марченко М.А. Выбойщик. М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 240 с.

4. Лагнеборг Р. Роль ванадия в микролегированных сталях / Р. Лагнеборг и др. Екатеринбург: Гос.научный центр РФ, Уральский институт металлов. 2001. 107 с.

5. Матросов Ю.И. Контролируемая прокатка — многостадийный процесс ТМО низколегированных сталей// Сталь. 1987. №7. С.75-78.

6. Хайстеркамп Ф. Ниобийсодержащие низколегированные .стали / Ф. Хайстеркамп и др.. М.: Интермет Инжиниринг, 1999. 94 с.

7. Фарбер В.М. Пути повышения конструктивной прочности- труб / Фарбер В.М. // сб. (Достижение в теории и практике трубного производства). Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»,2004.С.390-394.

8. Горожанин П.Ю. Влияние состава и режимов проката на механические свойства труб из среднеуглеродистых низколегированных сталей / П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, В.А. Хотинов, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер // Производство проката. 2005. №12. С. 27-31.

9. Горожанин П.Ю. Аустенитное зерно в среднеуглеродистых низколегированных сталях и особенности его роста / П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, А.И. Грехов, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер // Технология металлов. 2006. № 5. С. 17-21.

10. Тихонцева Н.Т. Изыскание составов и режимов термической обработки обсадных и насосно-компрессорных труб высокой прочности / Н.Т. Тихонцева, П.Ю. Горожанин, С.Ю. Жукова, М.Н. Лефлер, В.М. Фарбер// Сталь. 2006. №8. С. 70-73.

11. Горожанин П.Ю. Структура и свойства труб из сталей 48Г2БМ, изготовленных по режимам контролируемой прокатки / П.Ю. Горожанин, Е.С. Велик, С.Ю. Жукова // Там же. С. 203-204.

12. Горожанин П.Ю. Разработка композиций сталей для труб нефтяного сортамента групп прочности «Д» и «К» / П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.А. Хотинов, К.А. Лаев, В.М. Фарбер // Там же. С. 85-86.

13. Гуляев А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 542 с.

14. Патент РФ № 2254189. Устройство для охлаждения труб в многоклетьевом прокатном стане, приор. 03.02.2004, МПК В 21В 45/02. Опубл.; БИ, 2005, № 17.

15. Патент РФ № 2291903. Способ прокатки труб с термомеханической обработкой, приор. 15.07.2005, МПК С 21D 8/Ю.Опубл. БИ, 2007, №2.

16. Металловедение и термическая обработка стали: справочник. Том II: Основы термической обработки / под ред. М.А. Берштейна и А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1989. 368 с.

17. Материаловедение: учебник / под. ред. Б.Н.Арзамасова и Г.Г. Мухина. М.: МИСИС, 2005.648 с.

18. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник для Вузов // 4-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 480 с.

19. Силин Д.А., Веселов И.Н., Жукова С.Ю. и др. Особенности микроструктуры и распределения химических элементов в непрерывнолитой трубной заготовке // Изв. вузов. Черная металлургия, 2006, №4, с. 37-40.

20. Фарбер В.М. Превращения переохлажденного аустенита/ ФММ. 1993. Том 76. Вып.2. С. 40-55.

21. Смирнов М.А. Основы термической обработки стали / М.А. Смирнов, В.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев. М.: Наука и технология. 2002. 520 с.

22. Эфрон Л.И. Формирование структуры и механических свойств конструкционных сталей при термической обработке в потоке прокатного стана// Сталь. 1995. № 8. С. 57-64.

23. Матросов Ю.И. Разработка и технологический процесс производства трубных сталей в XXI веке / Ю.И. Матросов, Ю.Д. Морозов, А.С. Болотов // Сталь. 2001. №4. С. 58-67.

24. Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургиздат, 1959.Т. 1.950 с.

25. Гольдштейн М.И. Специальные стали. Учебн. для Вузов / М.И. Гольдштейн, C.B. Грачев, Ю.Г. Векслер // 2-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС, 1999. 408 с.

26. Гольдштейн М.И. Дисперсионное упрочнение стали / М.И. Гольдштейн, В.М. Фарбер. М.: Металлургия, 1979. 208 с.

27. Малыгин C.B., Хавкин Г.О., Касьян В.Х., Рогачева Л.Г. Освоение производства насосно-компрессорных и муфтовых труб / C.B. Малыгин, Г.О. Хавкин, В.Х. Касьян, Л.Г. Рогачева // Сталь, 2004. № 8. С. 55-57.

28. Попова Л.Е. Диаграмма превращения аустенита в сталях и бета-растворов в сплавах титана / Л.Е. Попова, A.A. Попов // Справочник термиста. 3-е изд., перераб. М.: Металлургия, 1991. 503 с.

29. Курдюмов Г.В. Превращения в железе и стали / Г.В. Курдюмов, Л.М. Утевский, Р.И. Энтин. М.: Наука, 1977. 238 с.

30. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский, Л.М. Капуткина. М.: Металлургия, 1983. 480 с.

31. Металлография железа. Том II. № Структура сталей» (с атласом микрофотографий). Пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. 284 с.

32. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин и др..; Под общей ред.

33. B.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

34. Пумпянский Д.А. Состояние и перспективы развития трубного производства в России / Сб. научн. трудов «Достижения в теории и практике трубного производства» // Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2004.1. C. 15-19.

35. Друян В.М. Производство стальных труб / В.М. Друян и др.. М.: Металлургия, 1989. 400 с.

36. Зимовец В.Г. Совершенствование производства стальных труб / В.Г. Зимовец, В.Ю. Кузнецов // Под ред. А.П. Коликова. М.: МИСИС, 1996. 480 с.

37. Данченко В.Н. Технология трубного производства / Данченко В.Н. и др.. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 640 с.

38. Камасацу Ю. Тенденции развития технологии контролируемой прокатки /Ю. Камасацу, Х.Кадзи, К. Иноуэ // Токусюко, Spec.Steel.1981. v. 30. № 7.С.6-13.

39. Simon P. Tempcore a new process for the production of high-quality reinforcing bals / P. Simon, M. Economopoulos, P. Nilles // Iron a. Steel Eng. 1984. No. 3. pp. 53-57.

40. Скороходов В.Н. Строительная сталь / В.Н. Скороходов, П.Д. Одесский, А.В. Рудченко. М.: Металлургиздат, 2002. 624 с.

41. Долженков И.Е. Интенсивные технологии упрочнения металлопроката, труб и металлоизделий / И.Е. Долженков, Ю.П.1 Гуль // Сталь. 1986. № 10. С. 69-73.

42. Янковский В.М. Повышение прочности и надежности нефтяных труб путем комбинированной термической обработки / В.М. Янковский, М.Л. Бернштейн, А.А. Кривошеева // Сталь, 1985. № 4. С. 63-67.

43. Янковский В.М. Определение возможности проведения контролируемой прокатки труб на ТПУ 140 / В.М. Янковский, Ф.Д. Гамидов, Д.А. Ахмедова и др. // Сталь, 1993, № 2. С. 71-75.

44. Янковский В.М. Контролируемая прокатка с импульсным охлаждением насосно-компрессорных труб / В.М. Янковский, Ф.Д. Гамидов, Д.А. Ахмедова и др. // Сталь, 1995. № 5.

45. Вено К. Внедрение процесса прямой закалки в линии агрегата для производства бесшовных труб среднего диаметра / К. Вено, К.Такитани, И. Мимура и др. // Кавасаки сэйтэцу гихо. 1982. Т. 14. № 3. С. 334-341.

46. Yashiro S. et al. NKK Completed the new Medium Seamless Tube Mill // Nippon kokan Technical Reports. 1983. No. 39. pp. 51-61.

47. Марченко Л.Г. Разработка технологии термомеханической обработки насосно-компрессорных труб в линии ТПА-80 // Сталь, 2001. № 9.С.91-95.

48. Марченко Л.Г. Разработка технологии термомеханической обработки насосно-компрессорных труб в линии трубопрокатной установки с непрерывным станом ТПА-80 // Сталь. 2001. № 9, с. 91-96.

49. Выбойщик М.А. Термомеханическая обработка в производстве насосно-компрессорных труб / М.А. Выбойщик, Л.Г. Марченко, А.И. Грехов, С.Ю. Жукова // Технология метал лов.2002. №11.С. 9-15.

50. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 184 с.

51. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 400 с.

52. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: МИСИС, 1998. 400 с. ;

53. Горелик С.С., рекристаллизация металлов и сплавов /С.С. Горелик, С.В. Добаткин, Л.М. Капуткина // 3-е изд. М.: МИСИС. 2005. 432 с. ,

54. Фрактография и атлас фрактограмм. /Под ред. Феллоуза Дж., пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 489 с.

55. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: учеб. пос. / С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л.Н. Расторгуев. М.: МИСИС, 2002. 360 с.

56. Черных Е.С. Оптимизация химического состава стали для труб группы прочности Д/ Е.С. Черных, П.Ю. Горожанин, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер// Сталь. 2008, № 5, с. 87-89.

57. X отинов В.А. Кинетика распада переохлажденного аустенита в среднеуглеродистых трубных сталях/ В.А.Хотинов, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.П. Швейкин, В.М. Фарбер// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008, № 8, с. 24-26.

58. Горожанин П.Ю. Разработка композиций сталей для труб нефтяного сортамента групп прочности «Д» и «К»/ П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер// Там же, с. 85.

59. УТВЕРЖДАЮ: ий директор-естител ь у п ра вл я юн го ОЛО^и1ПЗ»

60. Ю.В. Бодров » ' СУ 2008 I".1. АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯрезультатов диссертационной работы Черных Е.С. «Разработка составов сталей и ,режимов термической обработки труб нефтяного сортамента на основе критериев оценки их конструктивной прочности».

61. Главный специалист (по технологии и качеству продукцию-начальник технического отдела1. А.И. Грехов