автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение коррозионной стойкости нефтепромысловых труб на основе создания термической обработкой поверхностных остаточных сжимающих напряжений

Быков Роман Николаевич

004617129

ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ стойкости НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСТАТОЧНЫХ СЖИМАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ

05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ЛЕК 2010

Тула 2010 г.

004617129

Работа выполнена в Тольяттинском Государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Выбойщик Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ушаков Борис Константинович доктор технических наук, доцент Дронов Виктор Степанович

Ведущая организация:

Самарский государственный технически университет

Защита состоится I? 2010г. ъ/ь со часов на заседании диссертационног

совета при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300600 г.Тула, прЛенина, 92, ТулГУ, корпус ауд.(е>/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственног университета.

Автореферат разослан « /3 » 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

И.В. Тихонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В месторождениях нефти и газа присутствует значительное количество растворенных газов 02, С02, Н28, что приводит к кислородной, углекислотной и сероводородной коррозиям и интенсификации процессов разрушения. Удельная частота отказов (разрушений) трубопроводов по Самарской губернии составляет 0,63 шт./км.год, а в месторождениях Западной Сибири - (0,4 шт./км. год), что на порядок превышает допустимые нормы надежности нефтетранспортирующих систем в зонах приоритетного природопользования и в пять раз на остальных участках. Высокая агрессивность сред в нефтяных скважинах и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации требуют повышения коррозионной стойкости труб нефтяного сортамента.

Традиционные методы повышения коррозионной стойкости трубных сталей на основе повышения степени легирования и подбора режимов термической обработки во многом исчерпали себя или связаны со значительными экономическими затратами. Необходимы новые подходы к решению этого вопроса.

Одним из основных факторов, определяющим кинетику развития коррозионно-механического разрушения металлических изделий, является наличие в них остаточных напряжений (ОН). Коррозионное и механическое разрушения труб зарождаются и развиваются на поверхности, поэтому величина и знак поверхностных ОН имеет первостепенное значение, особенно для развития водородной хрупкости. Известно, что сжимающие ОН на поверхности препятствуют возникновению и распространению трещин и повышают усталостную и коррозионную стойкость, в то же время поверхностные растягивающие напряжения способствуют ускорению развития разрушения. Однако, количественные оценки влияния остаточных напряжений на развитие коррозионной повреждаемости металлических изделий из углеродистых и низколегированных сталей в Н28-содержащих средах в литературе отсутствуют. Управляя остаточными напряжениями в трубах, можно повысить их коррозионную стойкость. К сожалению, в настоящее время наличие остаточных напряжений в трубах не контролируется производителями и не нормируется технической документацией.

Получить на поверхности сжимающие ОН можно поверхностным наклепом (дробеструйная, пескоструйная, ультразвуковая и другие обработки) и термическим воздействием. Поверхностный наклеп крупногабаритных изделий с внутренней полостью (трубы) трудноосуществим. Термическая обработка для получения контролируемого распределения ОН в нефтепромысловых трубах до настоящего времени не использовалась.

Отсутствуют представления как о величине ОН, обеспечивающих необходимую коррозионную стойкость, так и о технологических режимах их получения. Так же необходимы надежные методы контроля распределения ОН по толщине стенки, особенно для изделий массового производства.

Пель работы. Повышение коррозионной стойкости нефтепромысловых труб на основе создания контролируемого распределения ОН по стенке трубы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

з

1. Отработать методику измерения распределения ОН по толщине стенк труб и кольцевых образцов, вырезанных из труб.

2. Провести анализ распределения ОН в трубах нефтяного сортамента изготовленных разными производителями и по различной технологи производства.

3. На плоских кольцевых образцах и трубах установить изменение характер распределения ОН в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.

4. Получить зависимости механических и коррозионных свойств металл труб от знака и величины поверхностных ОН.

5. Разработать режимы окончательной термической обработки труб (ОТО) обеспечивающие повышенную коррозионную стойкость стальных труб НгЯ-содержащих средах.

6. Разработать методику расчета распределения термических ОН для труб различного размера в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.

Научная новизна работы:

1. Впервые показано, что ускоренное двухстороннее охлаждение о температур ниже Aci позволяет получить на поверхности труб из углеродистых и низкоуглеродистых сталей сжимающие ОН более 200 МПа.

2. Разработана методика расчета распределения ОН в зависимости от способа, интенсивности охлаждения и типоразмера труб, температурных изменений теплофизических и механических свойств металла.

3. Впервые показана связь коррозионной стойкости труб из углеродистых и низколегированных сталей в Н28-содержащих средах от знака и величины ОН. Экспериментально показана возможность повышения коррозионной стойкости металлических труб на основе создания термической обработкой поверхностных сжимающих ОН.

На защиту выносятся:

1. Результаты измерения ОН в горячекатаных трубах серийного производства разных производителей и разной технологии производства.

2. Методика расчета распределения ОН в зависимости от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб.

3. Метод и режимы получения на поверхности труб сжимающих ОН более 200 МПа.

4. Результаты измерений и зависимости коррозионной стойкости стальных труб в HjS-содержащих средах от знака и величины ОН на их поверхности.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработана технология и предложены режимы ОТО, позволяющие получить на поверхности стальных изделий сжимающие ОН по величине более 200 МПа (патент РФ), что обеспечивает принятые требования по стойкости нефтепроводных труб к общей коррозии (менее 0,4 мм/год).

2. ОТО значительно уменьшает интенсивность общей коррозии и снижает деградацию металла труб в Н25-содержащих средах (испытание на водородное растрескивание по стандарту NACE ТМ 02-84), что выражается следующими числовыми показателями:

4

• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33 мм/год;

• падение пластичности после испытаний на водородное растрескивание по относительному сужению уменьшается с 13 до 5 % для низкоуглеродистых сталей и с 20 до 8 % для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению соответственно с 19 до 12 % и с 20 до 10%;

• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4 % для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5 % для среднеуглеродистых сталей;

• падение пластичности по величине условной деформации при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7 % для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12 % для среднеуглеродистых сталей.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: первая международная конференция «Безопасность. Технология. Управление» (Тольятти 2005 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти 2005 г.); III, IV и V Евразийские научно-практические конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва 2006, 2008, 2010 гг.); XVI международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2006 г.); II Международная школа «Физическое материаловедение», XVII Уральская школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2006 г.); Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула 2007 г.); Vh VI Международные конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург 2008, 2010 гг.); III международная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти 2008 г.); XVII международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2009 г.); XLVIII Школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2009 г.); 50 Международный научный симпозиум«Актуальные проблемы прочности» (Витебск 2010 г).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, среди которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ.

Объем н структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из УХ. наименования, изложена на //S страницах компьютерного текста, в т.ч. рисунков , таблиц -со .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит обзор отечественных и зарубежных исследований,

посвященных классификации, возникновению и влиянию остаточных напряжет на механические и коррозионные свойства, а также способам и методика измерения остаточных напряжений в различных изделиях.

Вопросам возникновения, измерения ОН и их влияния на эксплуатационну надежность металлических изделий посвящен ряд фундаментальных исследований выполненных A.B. Подзеем, В.А. Винокуровым, С.Ю. Ивановым, JI.C. Соркиным Г.Н. Чернышевым, Н.В. Калакуцким, H.H. Давиденковым, И.А. Биргером. Однако практически нет количественных данных по влиянию остаточных напряжений н развитие коррозионных процессов.

Проведенный анализ показал, что одним из основных факторов, определяющи скорость коррозионно-механического разрушения металлических изделий, являете знак и величина ОН. Однако в товарной продукции металлу ргическо" промышленности ОН не контролируются и не нормируются, что недопустимо для нефтепромысловых труб, работающих в условиях высокой агрессивности добываемых сред. Нет надежных расчетных методик по оценке распределения ОН при термическом воздействии. Отсутствуют простые и недорогие методы создания сжимающих ОН в поверхностных слоях металлических изделий. Полностью отсутствуют представления и количественные оценки влияния ОН на развитие коррозионной повреждаемости изделий из углеродистых и низколегированных сталей в НгЗ-содержащих средах.

Описанное состояние вопроса определило поставленные цель и задачи представленной работы.

Во второй главе описываются материалы и методы исследований. Обосновывается выбор сталей, способов измерения остаточных напряжений и методов оценки механических и коррозионных свойств, а также условий проведения экспериментов.

Объект исследований:

Горячекатаные трубы нефтяного сортамента из низкоуглеродистых и среднеуглеродистых низколегированных сталей.

Предмет исследований:

Связь механических свойств и коррозионной стойкости металлических труб с параметрами распределения остаточных напряжений.

Для решения поставленных задач повышения коррозионной стойкости нефтедобывающих и нефтетранспортирующих труб выбраны наиболее распространенные стали, используемые для их производства.

Исследования проводили на трубах из сталей феррито-перлитного класса (табл. 1), которые условно разделили на две группы: низкоуглеродистые (стали 10 и 20) и среднеуглеродистые низколегированные (стали 23Г2А, 37Г2С, ЗОХМА, 45ГБ). Это позволило охватить почти весь спектр типичных сталей, используемых в нефтедобывающей промышленности. Трубы взяты в состоянии поставки с различной технологией упрочняющей обработки: без термообработки (горячая прокатка), обычная термообработка (закалка и высокий отпуск), специальная термическая обработка (двойная закалка и высокий отпуск) и термомеханическая обработка в линии прокатки, что позволило оценить распределение ОН в трубах в состоянии поставки и его изменение при дополнительном воздействии ОТО.

6

Марка стали Содержание элементов, % (масс.)

С Si Мп Р S Cr Ni Mo Nb

10 0,1 0,25 0,51 0,031 0,021 0,111 0,085 - -

20 0,2 0,24 0,51 0,029 0,021 0,108 0,076 - -

23Г2А 0,23 0,18 1,41 0,027 0,019 0,098 0,046 - -

30ХМА 0,3 0,25 0,49 0,018 0,017 0,6 0,048 0,18 -

37Г2С 0,37 0,511 1,42 0,028 0,019 0,1 0,049 0,07 -

45ГБ 0,45 0,23 0,83 0,019 0,018 0,12 0,084 - 0,043

Выбор методов и средств экспериментальных исследований основан на еобходимости получения информации об изменении строения, механических и <оррозионных свойств металла труб в зависимости от уровня поверхностных статочных напряжений.

Использовали следующие методы исследований:

1. Металлографический анализ, включающий световую микроскопию (на микроскопах ММ-6 фирмы «leitz» и Axiotex фирмы «Zeiss»); электронную микроскопию (растровый сканирующий электронный микроскоп SEM-505 фирмы «Philips»).

2. Определение остаточных напряжений, включающий: механический метод на кольцевых образцах, предложенный H.H. Давиденковым; рентгенографический способ на установке ДРОН-2.0 и магнитный метод прибором СИТОН-АРМ.

3. Определение механических свойств, включающее испытания на статическое растяжение и сплющивание (ГОСТ 1497-84 и ГОСТ8695-75, испытательные машины 1231У-10 и Н50КТ фирмы "Tinius Olsen") с записью параметров акустической эмиссии (прибор АВН-3), и ударной вязкости (ГОСТ 10707-82, копер маятниковый ИО 5003-0,3).

4. Коррозионные испытания: на общую коррозию, водородное растрескивание (стандарт NACE TM 02-84); изменение механических свойств при нахождении образцов в течение 720 ч в НгЗ-содержащей среде (стандарт NACE TM 02-84); измерение электродного потенциала поверхности металла (специальная установка)

Механический метод измерения ОН заключается в вырезке из труб кольцевых образцов шириной 60 мм, что позволяет не учитывать возникшие в образце апряжения от резки и сохранять в кольцах напряженное состояние, идентичное >убе; разрезке колец вдоль образующей, учете деформаций, которые могут возникнуть от освобождения нескомпенсированных ОН, и последующем стравливании слоев и оценке возникающих деформаций. Измеряли только ангенциальные остаточные напряжения с точностью ±7 %. Измерение ОН проводили на глубину 2 мм с обеих поверхностей с шагом 0,5 мм (сплошная линия на всех графиках распределения ОН). Полное распределение ОН по всей толщине стенки получали кубической интерполяцией в системе MathCAD (пунктирная линия). Схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки: а) схема травления по наружной поверхности; б) схема травления по внутренней поверхности 1 - ванна, 2 - соляной раствор, 3 - испытуемый образец, 4 - источник постоянного тока, 5 -крепление образца, 6 - анод

В третьей главе описана последовательность отработки режимов ОТО для получения необходимого распределения ОН. За критерий оценки принимали величину сжимающих ОН на внешней и внутренней поверхностях трубы, полученных в результате используемой обработки.

Первоначально определили исходное распределение ОН в трубах, т.е. в состояния поставки, а затем исследовали изменение ОН в зависимости от следующих параметров обработки: способа охлаждения (одностороннее и двустороннее); температуры и времени выдержки; интенсивности (скорости) охлаждения и кратности циклов обработки.

Величина и распределение ОН в горячекатаных трубах нефтяного сортамента определяются технологией изготовления и режимами термообработки и правки, используемыми заводами изготовителями труб и могут изменяться в весьма широких пределах (табл. 2). Наибольшее изменение ОН (от -200 МПа на наружной поверхности трубы до 160МГТа на внутренней поверхности) наблюдается в трубах после термической обработки (закалка + высокий отпуск). Без термообработки (прокат) диапазон изменения напряжений гораздо меньше. Интересно, что термомеханичекая обработки приводит к незначительным сжимающим напряжениям на обеих поверхностях трубы (табл. 2).

Как показали проведенные измерения, в трубах отечественного производства имеется большой разброс в распределении ОН, что должно вызвать дополнительную нестабильность коррозионной стойкости. Требуется проводить контроль распределения ОН в трубах и разработать технологию, обеспечивающую получение поверхностных сжимающих ОН, что особенно важно для внутренней поверхности труб, контактирующей с агрессивными средами.

Влияние способа охлаждения изучали на кольцах и трубах. Некоторые из полученных результатов изменения распределения ОН приведены на рис. 2 и 3, где за начало отсчета принимали внутреннюю поверхность трубы. Разную скорость охлаждения наружной и внутренней поверхностей колец в воде достигали нанесением на одну из поверхностей слоя глины толщиной 20 мм. Для труб того же эффекта достигали охлаждением водой только одной поверхности. Как видно (рис. 2

8

и 3) получение значительных сжимающих ОН на обеих поверхностях трубы обеспечивает только двухстороннее (симметричное) охлаждение водой.

Таблица 2. Остаточные напряжения на поверхности труб

№ Трубы Завод изготови тель Размеры, мм Материал Состояние поставки Остаточные напряжения, МПа

Наружная поверхность Внутренняя поверхность

1 ПНТЗ 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО' -180 +175

2 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -160 +155

3 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -170 +115

4 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -190 -50

5 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -170 +160

б 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -155 +150

7 СипТЗ 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -190 +135

8 ИТЗ 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -160 +145

9 СинТЗ 073x5,5 37Г2С Прокат -60 +55

10 073x5,5 37Г2С Прокат + ТМО2 -95 -30

И 073x5,5 37Г2С Прокат + ТО -210 -80

12 073x5,5 45ГБ Прокат +40 +35

13 073x5,5 45ГБ Прокат + ТМО -140 -125

14 089x6 10 Прокат -20 -20

15 073x5,5 10 Прокат + ТМО -80 -60

16 089x6 20 Прокат -35 -30

17 089x8 20ДС Прокат + ТО' -80 -50

Примечание: 'ТО - термическая обработка (закалка + отпуск) 2ТМО - термомехеническая обработка 3 - двойная закалка + отпуск

Рис. 2. Влияние способа охлаждения колец па распределение ОН, труба №9, сталь 37Г2С: —О--симметричное охлаждение в воде;—?—-наружное охлаждение в воде;

—Л--внутреннее охлаждение в воде;

Влияние температуры нагрева и скорости двухстороннего охлаждения исследовали на кольцах. Температуру нагрева заранее ограничили значениями Ас1, чтобы не вызвать ОТО значительного изменения механических свойств. Известно, что при охлаждении сталей ОН формируются при температуре 500 °С, когда металл

значительно теряет пластичность. Нами для исследования выбраны три температуры нагрева: 500, 550, 600 °С. Наиболее стабильные результаты по образованию сжимающих ОН на обеих сторонах колец получены при охлаждении с температуры нагрева 600 °С.

Рис. 3. Влияние способа охлаждения труб на распределение ОН, труба №9, сталь 37Г2С: —13--состояние поставки; ■—щу--двухстороннее охлаждение водой;

—V— - охлаждение обдувом воздуха; —&-— охлаждение подачей воды внутрь

Влияние охлаждающей среды и соответственно скорости охлаждения на распределение ОН показано на рис. 4. Видно, что использование водных растворов щелочей и солей позволяет на 100...150 МПа увеличить значения поверхностных сжимающих ОН. Необходимо отметить, что интенсивное струйное охлаждение водой также обеспечивает получение поверхностных сжимающих ОН на уровне 200 МПа.

Рис. 4. Влияние среды при двухстороннем охлаждении на распределение ОН, труба №9, сталь

37Г2С:

■—+--масло; —О— - вода; —к--вода + сода (10%); —I--вода + ЫаС1 (10 %)

Влияние времени выдержки при температуре 600 °С на величину поверхностных ОН показано на рис. 5. Это исследование обусловлено тем, что, как показано ранее (табл. 2), значения ОН в трубах может меняться в широких пределах.

Неопределенность исходного напряженного состояния труб должно сказываться на распределение ОН после ОТО. Требуется релаксация начальных ОН, что определяется временем выдержки образцов при температуре нагрева. Время выдержки назначали после достижения в средних слоях металла трубы заданной температуры и ограничили следующими величинами: 1,5, 10, 20, 40 и 60 минут. Как видно из рис. 5 рост времени выдержки приводит к увеличению значений сжимающих ОН на поверхности. Достаточно высокий уровень достигается уже при 20 минутах выдержки. Дальнейшее увеличение времени выдержки не приводит к существенному росту поверхностных ОН и вызывает увеличение энергетических затрат.

Рис. 5. Влияние времени выдержки на величину поверхностных ОН, труба №9, сталь 37Г2С

Влияние числа циклов обработки на характер распределения ОН показано на рис. 6. Для получения идентичного и относительно равномерного распределения ОН в исходном состоянии все кольцевые образцы подвергали отжигу (900 °С, 1 ч). Затем по три образца подвергали однократному, двукратному и троекратному циклу ОТО с охлаждением в воде и проводили измерения распределения тангенциальных ОН по глубине стенки. Видно (рис. 6), что каждый последующий цикл увеличивает величину поверхностных сжимающих ОН. Уже один цикл ОТО позволяет получить на обеих сторонах трубы значительные сжимающие ОН и всегда имеется технологическая возможность повышения значений сжимающих ОН.

Способ окончательной термической обработки. На основе проведенных исследований предложен способ ОТО для получения на поверхности труб сжимающих ОН, который заключается в нагреве труб до температур ниже Ась выдержке при этой температуре и последующем двухстороннем охлаждении со скоростью 75... 100 °С/с. На данный способ получен патент РФ №2299251.

Полученные результаты изменения распределения ОН по толщине стенки после ОТО для некоторых труб приведены на рис. 7. Величина изменения ОН зависит от исходного распределения ОН. Однако общая тенденция изменения ОН после ОТО остается постоянной; растягивающие ОН на поверхности уменьшаются и переходят в сжимающие, поверхностные ОН сжатия только увеличивают свои значения.

а) 6)

Рис. 6. Влияние числа циклов обработки на распределение ОН, труба №9, сталь 37Г2С: а) - общее изменение распределения ОН, б) - изменение ОН на внешней и внутренней поверхностях трубы.

—0—• - отжиг; —Э--1 цикл ОТО; —- 2 цикла ОТО; —<1--3 цикла ОТО;

—— - наружная поверхность; —Д--внутренняя поверхность

Четвертая глава посвящена исследованию влияния величины и распределения ОН на структуру, механические и коррозионные свойства трубных сталей. ОТО, меняет характер распределения ОН и создает на обеих поверхностях труб сжимающие ОН.

Металлографический анализ, проведенный для всех марок сталей, не выявил изменений структуры в поверхностных и внутренних слоях металла, вносимых ОТО.

Влияние ОТО на механические свойства исследовали при статическом растяжении на плоских образцах, вырезанных из труб. Измерения проводили на образцах в состоянии поставки (СП) и после проведения ОТО. Дополнительно контролировали значение ОН на поверхности образцов (табл. 3). Как видно из результатов испытаний (табл. 3) значения прочностных и пластических свойств практически не меняются. На диаграммах растяжения образцов, прошедших ОТО, появляется площадка текучести, что, по-видимому, связано с влиянием сжимающих ОН на поверхности образцов, которые до определенного уровня приложенных растягивающих напряжений препятствуют развитию пластических деформаций и выходу дислокаций на поверхность. Проведенные испытания на ударный изгиб при комнатной температуре также не обнаружили существенного изменения значений механических свойств.

Отсутствие изменений структуры и механических свойств после ОТО обусловлено относительно низкой температурой ОТО (ниже Aci) и ранее проведенной термической обработкой, включающей высокотемпературный отпуск (состояние поставки труб).

Влияние ОТО на коррозионную стойкость оценивали по испытаниям на общую коррозию и на водородное охрупчивание, по изменению механических свойств образцов после пребывания 720 ч в Н25-содержащей среде (NACE ТМ 02-84).

5 «

/ V

#.....1Ф

Толщина стенки труб

г)

Толщина стенш трубы; ы

Толщина стенки трубы, м

д) е)

Рис. 7. Изменение распределения тангенциальных ОН после ОТО: а) труба №9, сталь 37Г2С, 073x5,5, прокат; б) труба №10, сталь 37Г2С, 073x5,5, прокат + ТМО; в) труба №11, сталь 37Г2С, 073x5,5, прокат + ТО; г) труба №12, сталь 45ГБ, 073x5,5, прокат д) труба№14, сталь 10, 089x6, прокате) труба№17, сталь 20ДС, 089x8, прокат + ТО;

—0--состояние поставки; —О— - ОТО

Стойкость к общей коррозии оценивали по потере массы образцов после выдержки в коррозионной среде (начальная рН 3,14, конечная рН 3,76; Н25 начальная - 2920 ррш, Н23 конечная - 2615 ррт). Образцы в виде колец вырезали

из одной трубы и разбивали на 3 группы. Одну не обрабатывали, другую подвергали ОТО, а третью - отжигу для снятии ОН. Для всех образцов контролировали величину поверхностных ОН. Усредненные результаты по четырем образцам скорости общей коррозии в зависимости от величины поверхностных сжимающих ОН приведены на рис. 8. Видно, что увеличение поверхностных сжимающих ОН до уровня 200 МПа уменьшает скорость коррозии с 0,57 до 0,33 мм/год. Принято, что достаточный уровень коррозионной стойкости нефтепромысловых труб обеспечивается при общей скорости коррозии менее 0,4 мм/год, который показан пунктирной линией (рис. 8).

Таблица 3. Влияние ОТО на механические свойства металла_

№ образца Материал Вид ТО ОН на поверхности, МПа 5, % Сод, МПа СУв, МПа

1 ЗОХМА СП -35 15,5 685 820

2 СП + ОТО -180 16,5 750 835

3 23Г2А СП -35 13,5 725 830

4 СП + ОТО -165 14,0 730 835

5 Сталь 20 СП -35 17,0 360 530

6 СП + ото -140 15,5 370 525

7 Сталь 20ДС СП -35 22,5 310 460

8 СП + ото -150 20,0 325 510

ОТО позволяет получить на обеих сторонах труб сжимающие напряжения 200 МПа, что обеспечивает требуемую коррозионную стойкость. Наибольшее внутреннее давление в 50 атм. возможны только в напорных нефтетранспортирующих трубах, что для труб 0200x6 вызовет растягивающие напряжения в 8 МПа (формула 1), которое практически не влияет на напряженное состояние труб, вызванное ОТО.

= (!)

К б

где Нтр - радиус трубы, мм;

А - толщина стенки трубы, мм.

Рис. 8. Зависимость скорости общей коррозии от величины поверхностных ОН

Влияние ОТО на стойкость металла к водородному растрескиванию оценивали по изменению механических свойств образцов при растяжении до и после выдержки 720 ч в Ь^-содержащей среде (стандарт NACE 02-84). Образцы вырезали из труб и часть из них подвергали ОТО. Изменение механических свойств рассчитывали по формуле:

, А-А,

А

•100,%,

(2)

где Д, и А, - свойства до и после нахождения в коррозионной среде. Также оценку проводили по обобщенному показателю сопротивления материала сероводородному растрескиванию:

К--

■100,%, к =

Vg-Vi Va

кх =

Sn-S,

(3)

где !//„, <$■„, щ, 3, - относительные сужения и удлинения при разрушении образцов до и после выдержки в коррозионной среде.

Более чувствительными к водородной повреждаемости, как и в большинстве исследований, оказались характеристики пластичности (5 и у), относительное изменение которых показано на рис. 9-11.

Видно, что образцы после ОТО меньше теряют пластичность при нахождении в коррозионной среде, что в среднем составило: по относительному удлинению для низкоуглеродистых сталей с 19 до 12 %, и для среднеуглеродистых с 20 до 10 %; по относительному сужению для низкоуглеродистых сталей с 13 до 5 %, и для среднеуглеродистых с 20 до 8 %. Изменения обобщенного показателя также показывает меньшую потерю пластичности для низкоуглеродистых сталей с 10 до 4 %, и для среднеуглеродистых с 13 до 5 %.

< 20 ti 5

0 i

1

| 10

Щ ÍÉt

С-таль 10

СгальЮ ТМО

Сталь 20 Сталь 2ОДС ТМО

Сталь 37Г2С

.ш.

Сталь 37Г2С ТМО

Ов

Сталь 37Г2С ТО

Сталь 45ГБ

Сталь 45ГБ ТМО

") б) Рис. 9. Потери пластичности в коррозионной среде (по изменению 5): а) малоуглеродистые стали; 6) среднеуглсродистые стали

О СП +- среда а СП + ОТО + среда

Сталь ХО СтальЮ Сталь 20 Сталь 20ДС ТМО ТМО

Сталь 37Г2С

Сталь Сталь Сталь 37Г2С 37Г2С 45Г6 ТМО ТО

Сталь 45 ГБ ТМО

с)

6)

Рис. 10. Потери пластичности в коррозионной среде (по изменению у): а) малоуглеродистые стали; б) среднеуглеродистые стали

Щ СП + среда ЕЭСПт ОТО + среда

14 12 10

: 8 г 6 4 2 0

а........ 0Я_

Сталь 10 ТМО

Сталь 20 Сталь 20ДС ТМО

Сталь 37Г2С

а)

Сталь 37Г2С ТМО

Сталь 37Г2С ТО

Сталь 45ГБ

Сталь 45ГБ ТМО

б)

Рис. 11. Обобщенный показатель сопротивления водородному растрескиванию: а) малоуглеродистые стали; б) среднеуглеродистые стали

□ СП + среда В СП + ОТО + среда

Влияние ОТО на коррозионную стойкость трубных сталей в Н28-содержащих средах также оценивали по испытаниям на сплющивание колец шириной 60 мм, вырезанных из труб. Обработку колец проводили, как и образцов для механических испытаний. Изменение пластических свойств при сплющивании оценивали по величине деформации образцов на момент появления трещины. Образование трещины фиксировали визуально и по изменению сигналов акустической эмиссии. Применение ОТО позволило в среднем снизить падение пластичности по величине условной деформации с 6,1 до 3,7 % для низкоуглеродистых сталей, и с 26 до 12 % для среднеуглеродистых сталей (рис. 12).

СтальЮ Сталь 10 Сталь 20 Сталь 20ДС ТМО ТМО

Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь 37Г2С 37Г2С 37Г2С 45ГБ 15ГБ ТМО ТО ТМО

^ б) Рис. 12. Потери пластичности в коррозионной среде (по изменению Л): а) малоуглеродистые стали; б) среднеуглеродиегые стали

ОСП + среда □ СП + ОТО + среда

Как правило при сплющивании колец без ОТО возникающая трещина сразу же распространяется на всю длину образца (рис. 13)

б)

Рис. 13. Трещины при сплющивании кольца го стали 45ГБ: а) СП + среда; б) СП + ОТО + среда

Пятая глава посвящена разработке методики расчета остаточных напряжений, возникающих при охлаждении трубы.

Экспериментальный способ подбора режимов ОТО для создания требуемого уровня поверхностных ОН возможен только для одного размера трубы и является весьма затратным. В массовом производстве при широком диапазоне производимых труб требуется надежная методика расчета возникающих напряжений в зависимости от геометрии трубы и интенсивности охлаждения, что фактически дает необходимые режимы ОТО без длительной экспериментальной обработки.

Выбранные математические модели расчета температурного поля и поля остаточных напряжений отличаются от традиционных расчетов следующими достоинствами: учитывается зависимости теплофизических и механических свойств материала от температуры, упругие и упругопластические деформации определяются в предположении упругой разгрузки, также учитываются нагрузка и ¡разгрузка слоев при переходе от одного момента времени к другому, и влияние 'сжимаемости. Эта модель предложена профессором М.С. Кенисом, совместно с которым выполнена эта разработка. В среде МаЛаЬ созданы программы расчет

I 17

температурного поля и поля возникающих остаточных напряжении. Квазилинейное уравнение теплопроводности:

= г*0. (4)

Граничные условия

Н{Т(г,т))[Т{г,т)-Уг{ г)], (5)

др

~~г))+ тг(т)св (Уг(т)-К(?)) + <к(У,) = 0, (6)

' ат д р

-жтт))8 Т}я'г)=н(ттчя,т)-у,(т)}, (7)

э Р

ат д р

Начальные условия

Г(А0) = /(/>), (9)

Ш = = (10)

В формулах (3)-(10):

Л(Т),с(Т),у(Г) - коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность материала охлаждаемого изделия в зависимости от температуры, Я (Г(г)) - коэффициент теплообмена,

Уг Я(т) - температура охладителя на внутренней и внешней поверхностях, тгЯ(т), Я'гя(т) - расход охладителя и его температура на входе, МгЛ(т),с,, г - масса охладителя в пленке и его теплоемкость, ЧФ(Г),йо(Кл) - теплота фазовых превращений и теплота испарения охладителя. Формулы (4) и (6) описывают температуру в пленке на поверхности изделия, связывая теплоту, поступившую из охлаждаемого изделия и из охладителя. Формулы (5) и (7) описывают температуру охладителя после соприкосновения с охлаждаемой поверхностью.

Математическая формулировка задачи поля напряжений и деформаций:

+ ~_) = 0, РЧ{Г,В), т>0 ар Р ' ; (П)

¡<г^р= 0, (12)

—+ —= 3 ре(г№ Г>0, и (г. г) = О,

аР Р (13)

<р(р,т) = <рс{Т,т) + а(Т)Т(рл), (14)

ег=л = солм?, (15)

= = -.= 0) = = 0) = = 0) = ^(р), (16)

<1р р

= ре{г,И\ Т> 0, (17) 3 г.

*,=/(*,), (18) Формулы (11)-(17) описывают поле радиальных (аг,ег), тангенциальных (сге,гй), и осевых (<т2,гг)напряжений и деформаций при упругопласгической деформации, где Д, и Д - девиаторы напряжений и деформаций; о-, и г, -интенсивности напряжений и деформаций, причем связь между ними задана формулой (18); г/'Р(г) - компоненты тензора исходных деформаций; </>с(Г,()-

структурная деформация материала.

На рис. 14 представлены результаты расчета температурного поля и поля возникающих тангенциальных напряжений для трубы 073x5,5 мм из стали 10, охлаждаемой с обеих поверхностей в спрейерном устройстве при объеме подаваемой воды Зл/(м2-с).

а) 6)

Рис. 14. Результаты расчета: а) температурное поле; 6) поле тангенциальных напряжений

Сравнение расчетных и экспериментальных результатов (рис. 15) показывает, что расчетная модель достаточно корректно отображает картину получаемых остаточных напряжений.

Рис. 15. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов распределения тангенциальных ОН по толщине стенки трубы, труба №15, сталь 10: —@--экспериментальный метод;--------расчетный метод

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В горячекатаных трубах нефтяного сортамента распределение ОН по стенке зависит от технологии формообразования и режимов используемой термической обработки и изменяется в широких пределах от -210 до +175 МПа, что влияет на коррозионную стойкость.

2. Разработан способ окончательной термической обработки (ОТО), позволяющий получить на обеих поверхностях труб сжимающие ОН по величине превышающие 200 МПа (патент РФ №2299251), заключающийся в нагреве трубы до 600 °С, выдержке и последующем двухстороннем интенсивном охлаждении.

3. Основной эффект воздействия поверхностных сжимающих напряжений заключается в значительном уменьшении интенсивности общей коррозии и в снижении величины деградации металла в Н23-содержащих средах, что выражается следующими числовыми показателями:

• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33 мм/год;

• падение пластичности по относительному сужению (А\|/) уменьшается с 13 до 5 % для низкоуглеродистых сталей и с 20 до 8 % для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению (А5) соответственно с 19 до 12 % и с 20 до 10 %;

• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4 % для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5 % для среднеуглеродистых сталей;

• падение пластичности по величине условной деформации (АД) при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7 % для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12 % для среднеуглеродистых сталей.

4. Разработана методика расчета ОН, учитывающая температурные зависимости теплофизических и механических свойств, релаксацию напряжений и влияние сжимаемости. Сравнение показало хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов.

5. ОТО обеспечивает принятые требования по коррозионной стойкости нефтепроводных труб (менее 0,4 мм/год).

6. Применение ОТО дает наибольший эффект повышения коррозионной стойкости в НгБ-содержащих средах для среднеуглеродистых низколегированных сталей (30ХМА, 37Г2С, 45ГБ) по сравнению с низкоуглеродистыми (10 и 20).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Выбойщик М.А. Исследование влияния времени выдержки в печи на распределение остаточных напряжений / М.А. Выбойщик, Р.Н. Быков, Е.А. Николаев // Сборник научных трудов аспирантов и студентов ТГУ. -Тольятти: ТГУ, 2005, выпуск 1. С. 109.

2. Выбойщик М.А. Повышение надежности трубопроводных систем на основе создания контролируемого распределения остаточных напряжений / М.А. Выбойщик, Р.Н. Быков, Е.А. Николаев // Научные доклады и статьи I Международной конференции "Безопасность. Технологии. Управление" Тольятти, 2005, часть I. С. 313-318.

3. Выбойщик М.А. Влияние симметричного и несимметричного охлаждения на характер распределения остаточных напряжений в трубах / М.А. Выбойщик, Р.Н. Быков, Е.А. Николаев // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: Тр. всерос. с межд. уч. науч.-техн. конф. вып. 5. - Тольятти: ТГУ, 2005. С. 93-95.

4. Выбойщик М.А. Влияние распределения остаточных напряжений на механические и коррозионные свойства труб / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // II Международная школа «Физическое материаловедение», XVII Уральская школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»: сборник тезисов, Тольятти: ТГУ, 2006. С. 7.

5. Выбойщик М.А. Влияние градиента остаточных напряжений на разрушение металлических изделий / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // III Евразийская научно-практическая конференции «Прочность неоднородных структур» сборник тезисов. - Москва: МИСиС, 2006. С. 64.

6. Выбойщик М.А. Влияние распределения остаточных напряжений на работоспособность металлических изделий / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // Физика прочности и пластичности материалов: сборник тезисов XVI международной конференции, Самара, 2006. С. 170.

7. Выбойщик М.А. Влияние распределения остаточных напряжений на работоспособность металлических изделий / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // Физика прочности и пластичности материалов: Труды XVI международной конференции (Самара, 26 - 29 июня 2006 г.). Том I. - Самара: Самар. гос. тенх. ун-т, 2006. С. 62-68.

8. Выбойщик М.А. Зависимость работоспособности и коррозионной стойкости металлических изделий от распределения остаточных напряжений / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // XI Международная конференция «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (ПАРЭ XI). 24-28 сентября 2007, Россия: тезисы докладов. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 62.

9. Выбойщик М.А. Обоснование возможности повышения работоспособности металлических изделий на основе создания контролируемого распределения остаточных напряжений / М.А. Выбойщик, Р.Н. Быков. Тольятти, ТГУ: 2007. 23 с.

10. Патент № 2299251 Российской Федерации. Способ термической обработки труб / Пузенко В.И., Выбойщик М.А., Быков Р.Н. и др.; заявл. 19.01.2006; опубл. 20.05.2007, Бюл. 2007/14.

11. Выбойщик М.А. Зависимость работоспособности и коррозионной стойкости металлических изделий от распределения остаточных напряженийм / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // XI Международная конференция

21

«Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (IIAPS XI). 24-28 сентября 2007, Россия: сборник трудов конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 112-116.

12. Выбойщик М.А. Зависимость коррозионной стойкости металлических изделий от распределения остаточных напряжений / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // V Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций»: Материалы конференции. - Т.1. 12-14 марта 2008 г. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. С. 65-70.

13. Выбойщик М.А. Влияние градиента остаточных напряжений на коррозионную стойкость металлических изделий / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // IV Евразийская научно-практическая конференции «Прочность неоднородных структур» сборник тезисов. - Москва: МИСиС, 2008. С. 14.

14. Выбойщик М.А. Влияние поверхностных остаточных напряжений на коррозионную стойкость металлических изделий / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // Деформация и разрушение материалов - 2009. №5. — С.42-44.

15. Выбойщик М.А. Исследование влияния поверхностных остаточных напряжений сжатия на коррозионную стойкость нефтепромысловых труб / М.А. Выбойщик, Р.Н.Быков, Е.А. Николаев // Физика прочности и пластичности материалов: сборник тезисов XVII международной конференции, Самара, 2009. С. 156.

16. Выбойщик М.А. Влияние поверхностных остаточных напряжений на коррозионную стойкость труб нефтяного сортамента / М.А. Выбойщик, Р.Н. Быков, О.В. Маршанская // Сборник трудов XLVIII Международной конференции «Аюуальные проблемы прочности». Тольятти: 2009г. С. 142144.

17. Кенис М.С. Расчет величины и характера распределения остаточных напряжений при термической обработке труб / М.С. Кенис, Р.Н. Быков, О.В. Маршанская // Сборник трудов XLVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Тольятти: 2009г. С. 145-146.

Подписано в печать с электронного оригинал - макета 13.11.2010 Формат 60x84/16. Печать оперативная. Объем: усл. п. л. 3,0. уч. изд. 2,75 Тираж 120 экз. Заказ 805. Цена договорная

ООО Издательское предприятие «Атриум» 455037, г. Тольятти, Новый проезд, 8.

v /

4 23

Введение.

Глава 1. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства металлических изделий.

1.1. Классификация остаточных напряжений.

1.2. Возникновение остаточных напряжений.

1.3. Влияние остаточных напряжений на свойства металлических изделий.

1.4. Методы определения остаточных напряжений.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

2.1. Обоснование выбора изделия и материала.

2.2. Определение остаточных напряжений.

2.2.1. Механический метод.

2.2.2. Рентгеновский метод.

2.2.3. Магнитоупругий метод.

2.2.4. Теоретический расчет.

2.3. Коррозионные испытания.

2.3.1. Испытание на общую коррозию.

2.3.2. Испытание на водородное растрескивание.

2.3.2.1. Испытание на сплющивание.

2.3.2.2. Испытание на растяжение.

2.3.2.3. Испытание на ударную вязкость.

2.3.3. Оценка электрохимической активности поверхности на основе измеренных электродных потенциалов.

2.4. Металлографический анализ.

Глава 3. Влияние способа и интенсивности охлаждения на характер распределения остаточных напряжений.

3.1. Анализ распределения остаточных напряжений в нефтепромысловых трубах отечественного производства.

3.2. Влияние режимов термической обработки на распределение остаточных напряжений.

3.2.1. Методы создания контролируемого распределения остаточных напряжений термическим воздействием.

3.2.2. Влияние температуры нагрева и способа охлаждения на распределение остаточных напряжений.

3.2.3. Влияние скорости охлаждения на распределение остаточных напряжений.

3.2.4. Отработка режимов охлаждения на трубах.

3.2.5. Влияние времени выдержки при температуре ТО на распределение остаточных напряжений.

3.2.6. Влияние числа циклов обработки на распределение остаточных напряжений.

3.2.7. Влияние исходного напряженного состояния труб на изменение распределения остаточных напряжений, обусловленное ОТО.

3.3. Способ окончательной термической обработки.

Глава 4. Исследование влияния характера распределения остаточных напряжений на структуру и коррозионные свойства трубных сталей .Г.

4.1. Структура сталей до и после окончательной термической обработки.

4.2. Влияние ОТО на механические свойства.

4.3. Влияние остаточных напряжений на коррозионные свойства.

4.3.1. Испытания на общую коррозию.

4.3.2. Изменение механических свойств при испытаниях на водородное охрупчивание.

4.3.2.1. Испытания на растяжение.

4.3.2.2. Испытание на сплющивание.

4.3.2.3. Испытания на ударную вязкость.

4.3.3. Оценка электрохимической активности поверхности на основе измеренных электродных потенциалов.

Глава 5. Разработка методики расчета остаточных напряжений в зависимости от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб.

5.1. Расчет температурного поля трубы.

5.2. Расчет поля напряжений трубы.

Выводы.

Актуальность работы. В месторождениях нефти и газа присутствует значительное количество растворенных газов 02, С02, Н28, что приводит к кислородной, углекислотной и сероводородной коррозиям и интенсификации процессов разрушения. Удельная частота отказов (разрушений) трубопроводов по Самарской губернии составляет 0,63 шт./км.год, а в месторождениях Западной Сибири - (0,4 шт./км. год), что на порядок превышает допустимые нормы надежности нефтетранспортирующих систем в зонах приоритетного природопользования и в пять раз на остальных участках. Высокая агрессивность сред в нефтяных скважинах и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации требуют повышения коррозионной стойкости труб нефтяного сортамента.

Основной причиной аварийности промысловых труб является внутренняя коррозия.

Повышенная агрессивность сред в нефтяных скважинах и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации трубопроводов требуют повышения работоспособности труб нефтяного сортамента. Традиционные стали, применяемые в современных условиях добычи и транспортировки нефти и газа, не обеспечивают требуемые прочностные и коррозионные характеристики оборудования. Требуется значительное повышение его коррозионной стойкости в С02, Н28-содержащих средах.

Методы повышения коррозионной стойкости трубных сталей на основе увеличения содержания легирующих элементов и подбора режимов термической обработки во многом исчерпали себя или связаны со значительными экономическими затратами. Необходимы новые решения этого вопроса.

Одним из основных факторов, определяющим кинетику развития коррозионно-механического разрушения металлических изделий, является наличие в них остаточных напряжений. Остаточные напряжения возникают при деформации, термической обработке, правке, обработке резанием, при сварке и других видах обработки. Наличие остаточных напряжений в готовых изделиях не контролируется и не нормируется технической документацией, что обусловлено как отсутствием, необходимого внимания к этому важному вопросу, так и отсутствием надежных методик измерения остаточных напряжений в условиях серийного и массового производств.

Коррозионное и механическое разрушения труб зарождаются и развиваются на поверхности, поэтому величина и знак поверхностных остаточных напряжений имеет первостепенное значение, особенно для развития водородной хрупкости. Сжимающие остаточные напряжения на поверхности деталей препятствуют возникновению и распространению трещин и повышают усталостную и коррозионную прочность, в то же время поверхностные растягивающие напряжения способствуют ускорению развития разрушения. Часто растягивающие напряжения суммируются с напряжениями от внешних нагрузок, инициируют разрушение и увеличивают скорость коррозионных процессов в десятки раз [1-5].

Особенно остро вопрос коррозионно-механического разрушения стоит для нефтедобывающих и нефтепроводных труб, работающих в средах с повышенным содержанием Н28, ССЬ и Н20 и соответственно подверженных водородному растрескиванию и язвенной углекислотной коррозии. Однако, количественные оценки влияния остаточных напряжений на развитие коррозионной повреждаемости металлических изделий из углеродистых и низколегированных сталей в Н28-содержащих средах в литературе отсутствуют. К сожалению, в настоящее время наличие остаточных напряжений в трубах не контролируется производителями и не нормируется технической документацией.

По нашему мнению коррозионную стойкость нефтепромысловых труб, работающих в условиях высоких силовых нагрузок и агрессивных коррозионных сред, можно значительно увеличить за счет создания сжимающих остаточных напряжений на поверхности. Получить на поверхности сжимающие остаточные напряжения можно поверхностным наклепом (дробеструйная, пескоструйная, ультразвуковая и другие обработки) и термическим воздействием. Поверхностный наклеп крупногабаритных изделий с внутренней полостью (трубы) 6 трудноосуществим. Термическая обработка для получения контролируемого распределения ОН в нефтепромысловых трубах до настоящего времени не использовалась.

Отсутствуют представления как о величине ОН, обеспечивающих необходимую коррозионную стойкость, так и о технологических режимах их получения. Так же необходимы надежные методы контроля распределения ОН по толщине стенки, особенно для изделий массового производства.

Цель работы и основные задачи исследования.

Цель: Повышение коррозионной стойкости нефтепромысловых труб на основе создания контролируемого распределения остаточных напряжений по стенке трубы.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

1. Отработать методику измерения распределения остаточных напряжений по толщине стенки кольцевых образцов, вырезанных из труб.

2. Провести анализ распределения остаточных напряжений в трубах нефтяного сортамента изготовленных разными производителями и по различной технологии производства.

3. На плоских, кольцевых образцах и трубах установить изменение характера распределения остаточных напряжений в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.

4. Получить зависимости механических и коррозионных свойств металла труб от знака и величины поверхностных остаточных напряжений.

5. Разработать режимы окончательной термической обработки труб (ОТО), обеспечивающие повышенную коррозионную стойкость стальных труб в Н28-содержащих средах.

6. Разработать методику расчета распределения термических ОН для труб различного размера в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.

Научная новизна работы.

1. Впервые показано, что ускоренное двухстороннее охлаждение от температур ниже Ас| позволяет получить на поверхности труб из углеродистых и низкоуглеродистых сталей получить значения сжимающих остаточных напряжений более 200 МПа.

2. Разработана методика расчета распределения остаточных напряжений, в зависимости от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб, учитывающая температурные изменения теплофизических и механических свойств металла.

3. Впервые показана связь коррозионной стойкости труб из углеродистых и низколегированных сталей в Н^-содержащих средах от знака и величины остаточных напряжений. Экспериментально показана возможность повышения коррозионной стойкости металлических труб на основе создания термической обработкой поверхностных сжимающих остаточных напряжений.

На защиту выносятся.

1. Результаты измерения остаточных напряжений в горячекатаных трубах серийного производства разных производителей и разной технологии производства.

2. Методика расчета распределения остаточных напряжений в зависимости • от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб.

3. Метод и режимы получения на поверхности труб сжимающих остаточных напряжений более 200 МПа.

4. Результаты измерений и зависимости коррозионной стойкости в H2S-содержащих средах образцов трубных сталей от знака и величины остаточных напряжений на их поверхности.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработана технология и предложены режимы ОТО, позволяющие получить на поверхности стальных изделий сжимающие остаточные напряжения по величине более 200 МПа (Патент РФ).

2. ОТО значительно уменьшает интенсивность общей коррозии и снижает деградацию металла труб в Н28-содержащих средах (испытание на водородное растрескивание по стандарту NACE ТМ 02-84), что выражается следующими числовыми показателями:

• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33'мм/год;

• падение пластичности после испытаний на водородное растрескивание по относительному сужению (А\|/) уменьшается с 13 до 5 % для низкоуглеродистых сталей и>с 20 до 8 % для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению (А5) соответственно с 19 до 12 % и с 20 до 10 %;

• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4 % для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5 % для среднеуглеродистых сталей;

• падение пластичности по величине условной деформации (АЛ) при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7 % для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12 % для среднеуглеродистых сталей.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: первая международная конференция «Безопасность. Технология. Управление» (Тольятти 2005 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти 2005 г.); III, IV и V Евразийские научно-практические конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва 2006, 2008, 2010 гг.); XVI международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2006 г.); II Международная школа «Физическое материаловедение», XVII Уральская школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2006 г.); Международная конференция «Взаимодействие дефектов неупругие явления в твердых телах» (Тула 2007 г.); V и VI Международные конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург 2008, 2010 гг.); III международная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти 2008 г.); XVII международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2009 г.); XLVIII Школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2009 г.); 9

50 Международный научный симпозиум«Актуальные проблемы прочности» (Витебск 2010 г).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, среди которых 2 в изданиях рекомендованных ВАК и 1 патент РФ.

Выводы

1. Распределение ОН по стенке в горячекатаных трубах нефтяного сортамента зависит от технологии формообразования и режимов используемой термической обработки и изменяется в широких пределах от -210 до +175 МПа, что влияет на коррозионную стойкость.

2. Разработан способ окончательной термической обработки (ОТО), позволяющий получить на обеих поверхностях труб сжимающие ОН по величине превышающие 200 МПа (патент РФ №2299251), заключающийся в нагреве трубы до 600 °С, выдержке и последующем двухстороннем интенсивном охлаждении.

3. Основной эффект воздействия поверхностных сжимающих напряжений заключается в значительном уменьшении интенсивности общей коррозии и в снижении величины деградации металла в Н28-содержащих средах, что выражается следующими числовыми показателями:

• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33 мм/год;

• падение пластичности после испытаний по относительному сужению (А\|/) уменьшается с 13 до 5 % для низкоуглеродистых сталей и с 20 до 8 % для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению (А8) соответственно с 19 до 12 % и с 20 до 10 %;

• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4 % для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5 % для среднеуглеродистых сталей;

• падение пластичности по величине условной деформации (АД) при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7 % для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12 % для среднеуглеродистых сталей.

4. Разработана методика расчета ОН, учитывающая температурные зависимости теплофизических и механических свойств, релаксацию напряжений и влияние сжимаемости. Сравнение показало хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов.

5. ОТО обеспечивает принятые требования по коррозионной стойкости нефтепроводных труб (менее 0,4 мм/год).

6. Применение ОТО дает наибольший эффект повышения коррозионной стойкости в Н28-содержащих средах для среднеуглеродистых стали низколегированных сталей (30ХМА, 37Г2С, 45ГБ) по сравнению с низкоуглеродистыми (10 и 20).

1. Новиков, И.М. Теория термической обработки металлов / И.М. Новиков. -Металлургия, 1974. 400 с.

2. Осгуда, B.P. Остаточные напряжения / В.Р. Осгуда //Сборник статей. М., изд-воИЛ, 1957.-386с.

3. Носков, C.B. Исследование влияния напряженно-деформационного состояния на стресс-коррозионные процессы в трубопроводах: Авт. Дис. канд. техн. наук / C.B. Носков Москва, 2004. - 20.

4. Остаточные напряжения и коррозионный процесс. Цикл статей. Электронный ресурс. Электрон. дан. - URL: http://www.korrosion.ru/ref/ostato2n6minapr9jeni9mi.html (дата обращения 12.04.2008)

5. Калакуцкий, Н.В. Внутренние напряжения в чугуне и стали / Н.В. Калакуцкий. С.П.Б., 1887 г.

6. Давиденков, H.H. К вопросу о классификации и проявлении остаточных напряжений / H.H. Давиденков // «Заводская лаборатория», 1958. №3. С.18-24

7. Николаев, Г.А. Сварные конструкции / Г.А. Николаев. Машгиз, 1953.586с.

8. Подзей, A.B. Технологические остаточные / A.B. Подзей. М.: Машиностроение, 1973. - 318с.

9. Смит, М.К. Основы физики металлов / М.К. Смит. М., Металлургиздат, 1959. (Ч. I). -267с.

10. Манасевич, А.Д. Физические основы напряженного состояния и прочности металлов / А.Д. Манасевич. М.: Машгиз, 1962. - 254с.

11. Коттрелл, А.Х. Дислокация и пластическое течение в кристаллах / А.Х.107

12. Коттрелл. Металлургиздат, 1958. 382с.

13. Головин, Г.Ф. Остаточные напряжения, прочность, и'деформации при поверхностной закалке токами- высокой частоты / Г.Ф. Головин. — JL: Машиностроение, 1973. 144 с.

14. Смирнов, М.А. Основы термической обработки стали / М.А. Смирнов,

15. B.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев. М.: Наука и технология, 2002. 519 с.

16. Сулима, A.M. Труды МАИ / A.M. Сулима и др. // вып. 140. М., Оборонгиз, 1961.-325с.

17. Fujimura, К. Nihon kikai gakkai ronbunshu / Kensei Fujimura, Hironobu Nisitani, Satio Fukuda // A = Trans. Jap. Mech. Eng. A. 1993. - 59, №568. - C.3006-3013.

18. Nian, L. Влияние остаточных напряжений, вызванных механической обработкой, на усталостную прочность стали 40CrNiMo / Li Nian и др. // Zhongguo jixie gongcheng=China Mech. Eng. 1996. - 7, № 4.- C. 99-102.

19. Адоян, Г.А. Особенности коробления литых и сварных деталей при повышенных температурах под действием остаточных напряжений / Г.А. Адоян,

20. C.А. Шевчук // Металловед, и терм, обраб. мет, 1999. №3. С. 34-35;

21. Debrus, L. Influence dune contrainte mecanique sur la resistance a l'oxydation et a la corrosion dun superalliage revetu / Debrus L, Bertheau D., Manesse D., Petit J. // Ann. chim. Sci. mater.- 1999.- 24, № 4-5.- С 363-375.

22. Phillips, C.E. Influence of the sizes of a detail on character of corrupting/ C.E. Phillips, Heywood R.B. Proc. J., Mech E., Heywood R.B. Aircraft engineering, 1951.Oct. 5; 172, p.444-448.

23. Потак, Я.М. Хрупкие разрушения стали и стальных деталей / Я.М. Потак. Оборонгиз. 1955. 251с.

24. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов / Я.Б. Фридман. -Оборонгиз 1952. 362с.

25. Иванов, С.Ю. Производство сертифицированных рабочих средств измерения остаточных напряжений- в металлах и сплавах / С.Ю. Иванов, Н.И. Климеко, Л:В. Крыленков, Н.Е. Светова//Металлообработка, 2001'. №1. с. 67-72.

26. Иванов, С.Ю. Экспресс метод определения ОН в автомобилестроении / С.Ю. Иванов // Технологическое и конструкционное обеспечение высоко эффективного производства в автомобилестроении. Л.:ЛДНТП. 1990. с.34-35;

27. Иванов, С.Ю. Контроль ОН измерением АЧХ поверхностного слоя / С.Ю. Иванов // ОН резерв прочности машиностроения. - Р-на-Д.: РИСХМ. 1991. с. 149-151.

28. Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей / И.И. Василенко, Р.К. Мелехов-К.: Наук думка, 1977.

29. Ботвина Л.Р. Закономерность повреждаемости низколегированных сталей в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах / Л.Р. Ботвина, Т.В. Тетюева, С.А. Крупнин // Физико-химическая механика материалов. 1990. № 2. С. 27-33

30. Тетюева Т.В. Стадийность множественного разрушения низколегированных сталей в среде сероводорода / Т.В. Тетюева, Л.Р. Ботвина, A.B. Иоффе // МиТОМ. 1998. №2. С. 14 22.

31. Стеклов О.И. Испытания сталей и сварных соединений в наводорожи-вающих средах / О.И. Стеклов, Н.Г. Бодрихин, В.М. Кушнаренко и др. М.: Металлургия, 1992.

32. Карпенко Г.В. Коррозионное растрескивание сталей / Г.В. Карпенко, И.И. Василенко К.: Техшка, 1971.

33. Соркин, Л.С. Определение остаточных напряжений в цилиндре переменной толщины / Л.С. Соркин // Заводская лаборатория, 1996.- №7. с. 41-43.

34. Соркин, Л:С. Определение остаточных напряжений ,в двухслойных анизотропных дисках и цилиндрах / Л.С. Соркин, В.И. Семенов, B.C. Мокеев // Заводская лаборатория, 1995. №8. с. 52-54.

35. Соркин, Л.С. Определение поверхностных остаточных напряжений в109