автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка составов сталей и технологических режимов, обеспечивающих производство насосно-компрессорных и обсадных труб гарантированных групп прочности

На правах рукописи

Горожанин Павел Юрьевич

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ СТАЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВО НАСОСНО-КОМИРЕССОРНЫХ И ОБСАДНЫХ ТРУБ ГАРАНТИРОВАННЫХ ГРУПП ПРОЧНОСТИ

Специальность 05.02,01 — Материаловедение а машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2007

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

доктор технических наук, профессор Фарбер Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Сорокин Виктор Георгиевич, Центральный научно-исследовательский институт металлов и материалов; кандидат технических наук, доцент Швейкин Владимир Павлович, ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет- УПИ»;

Ведущая организация: Институт машиноведения РАН

Защита диссертации состоится в час, 12 ноября 2007 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 11 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ,

профессор, доктор технических наук В А. Шилов

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Динамичное развитие нефтегазовой отрасли страны, являющейся потребителем значительного объема продукции, выпускаемой трубными заводами, требует изготовления труб заданных групп прочности, что гарантирует их эксплуатационную надёжность Интенсивные разработки в этом направлении, проводимые большинством трубных заводов России, связаны с отысканием оптимальных композиций (марок) сталей и рациональных технологий производства

Результатом многолетних научно-производственных исследований в этом направлении, проводимых на ОАО «Синарский трубный завод» (СинТЗ), явилось существенное повышение эффективности производства бесшовных труб, благодаря применению высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) — контролируемой прокатки, позволяющей изготавливать трубы повышенных групп прочности*5

Использование ВТМО особенно эффективно для горячего проката из углеродистых сталей с микродобавками сильных карбидообразователей (V, N1), Т1) Исходя из этого, в данной диссертации, которая является логическим продолжением научно-производственных исследований, проводимых на СинТЗ, изучена перспективность использования микролегированных сталей для бесшовных труб нефтяного сортамента, изготовляемых с использованием контролируемой прокатки

Целью диссертации явилась разработка новых материалов (марок сталей) и технологии изготовления на СинТЗ горячеде ф ормир ов анных и термомеханически упрочненных насосно-компрессорных и обсадных труб групп прочности Д К, Б

*' В соответствии с ГОСТ 633(632>80 трубы по уровню механических свойств (с„ 5;) подразделяются на группы прочности Д, К, Е и др

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи

- на основе анализа литературных данных, опыта, накопленного на СинТЗ, разработать составы новых марок сталей для насосно-компрессорных и обсадных; труб различных групп прочности и сортамента,

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

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

- выбрать перспективные марки сталей для труб каждой группы прочности и режимы заключительных операций их производства.

Научная новизна По результатам лабораторной горячей прокатки образцов и опытных прокатов труб выявлены особенности влияния температуры и степени горячей деформации, скорости последеформационного охлаждения на микроструктуру и механические свойства среднеуглеродистых низколегированных сталей

Установлена взаимосвязь между характеристиками микроструктуры и механическими свойствами труб из различных марок сталей. Изучен вклад различных структурных параметров (размер ферритного зерна и плотности дислокаций, количества перлита и низкотемпературных продуктов распада аустенита), твердорастворного и дисперсионного упрочнения в формирование требуемого уровня предела текучести сталей

Найдено, что дефекты кристаллического строения, внесенные в аустенит при редуцировании трубы и закрепленные дисперсными частицами специальных карбидов МеС, наследуются ферритом, что способствует измельчению структуры Чем ниже (в пределах аустенитной области)

температурный интервал редуцирования трубы, тем больше этот положительный эффект

Выявлена интенсивность влияния содержания углерода в диапазоне 0,360,48%, легирующих элементов (Мп, Сг), а также микродобавок сильных карбидообразователей (Мо, V, М>) при их различном сочетании на механические свойства и фазовый состав сталей, что позволило разработать марки сталей, обеспечивающие высокую конструкционную прочность определенных категорий и сортамента насосно-компрессорных и обсадных труб

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

Практическая значимость. Сформулированы основные принципы выбора композиций среднеуглеродистых низколегированных сталей для горячедеформированных и термомеханически упрочненных насосно-компрессорных и обсадных труб, а также муфтовой заготовки групп прочности Д, К, Е по ГОСТ 633(632)-80 Обоснована перспективность использования сталей типа 37ХГ (~0,6%Сг и до 0,7%Мп), легированных микродобавками У(~0,08%), №(-0,04%), а также Мо (0,08-0,16%), для производства труб нефтяного сортамента повышенных групп прочности

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

Реализация мероприятий по разработке новых марок сталей для насосно-компрессорных, обсадных труб и муфтовой заготовки, а также технологических режимов их изготовления позволила ОАО «Синарский трубный завод»,

начиная с 2005 года, полностью удовлетворить заказы потребителей этих изделий групп прочности Д, К, Е в широком диапазоне типоразмеров

На защиту выносятся;

- совокупность результатов по влиянию на комплекс механических свойств (сгв, ст0>2, 55, КСУ) температуры и степени деформации образцов, температуры редуцирования (калибровки) и скорости последеформационного охлаждения бесшовных труб из среднеуглеродистых низколегированных сталей, произведенных из трубной заготовки различных металлургических предприятий,

- особенности формирования структуры и фазового состава труб из среднеуглеродистых (0,37-0,49%С) времнийсодержащих и хромомарганцевых сталей, легированных в различном сочетании микродобавками Мо, V, №>, после различных режимов горячей прокатки,

- закономерности взаимосвязи параметров структуры (морфологии ферритных зерен, доли феррита, перлита, бейнита, плотности дислокаций, количества и морфологии специальных карбидов) и механических свойств трубных сталей различных марок;

температуры редуцирования (калибровки) труб, режимы последеформационного охлаждения, обеспечивающие производство насосно-компрессорных и обсадных труб широкого диапазона типоразмеров гарантированных групп прочности,

- научно-обоснованные и проверенные в цеховых условиях рекомендации по использованию сталей определенных марок для труб различных групп прочности и сортамента

Апробация работы Основные результаты работы были доложены и обсуждены на IV Уральской школе-семинаре металловедов — молодых ученых (Екатеринбург, 2002 г), XVII Всероссийской школе металловедов-термистов (Киров, 2004 г), I Российской конференции «Трубы России-2004» (Екатеринбург, 2004 г), Всероссийской конференции «Проблемы и пути

развития трубной промышленности в свете реализации закона Российской Федерации «О техническом регулировании» (Челябинск, 2004 г), V Международной научно-технической конференции молодых специалистов (Магнитогорск, 2005 г), ХШ Международной научно-практической конференции «Трубы - 2005» (Челябинск, 2005 г), II Международной школе «Физическое материаловедение», ХУШ Уральской школе металловедов-термистов (Тольятти, 2006 г), XIV и XV Международной практической конференции «Трубы-2006» (Челябинск, 2006 г)

Публикации. Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 9 статьях и 6 патентах РФ

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов по каждой главе, заключения и выводов по диссертации в целом

Диссертация содержит 240 страниц, 99 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 59 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования

Первая глава имеет обзорно-аналитический характер. На основе литературных данных, отечественной и зарубежной литературы, нормативной документации изложены вопросы о химическом составе, комплексе механических свойств (в частности, группах прочности) сталей, используемых для изготовления насосно-компрессорных (НК) и обсадных (О) горячедеформированных труб, не подвергаемых термической обработке с отдельного нагрева

Показано, что основным направлением получения высоких механических свойств проката является измельчение зерна в сочетании с дисперсионным упрочнением, что достигается легированием конструкционных углеродистых сталей микродобавками сильных карбидообразователей (V, М>, Ъ) и использованием контролируемой прокатки — разновидности термомеханической обработки (ТМО) Отмечены значительные успехи применения

ТМО при производстве сортового и листового проката, основные моменты использования КП при изготовлении труб

Дано краткое изложение технологии производства горячедеформированных труб нефтяного сортамента на ТПА-80 и ТПА-140 ОАО «СинТЗ»

На основе проведенного анализа делается заключение, что при производстве НК и О труб гарантированных групп прочности (Д, К, Е по ГОСТ 633(632)-80) является перспективным использование элементов контролируемой прокатки, а также сталей, микролегированных Мо, V, №>

Во второй главе описывается материал и методы исследования Рассматривается широкий круг сталей (15 марок), поставляемых на СинТЗ в виде трубной заготовки диаметром 120-156 мм следующих типов катаная после непрерывной (Нижнетагильский металлургический комбинат) и обычной (Орско-Халиловский металлургический комбинат — «Уральская сталь») разливок и непрерывно-литая (Волжский трубный завод) Исследованные стали включали в себя как обычно применяемые на СинТЗ стали Д(сталь 45), 37Г2С, 48Г2БМ, так и разработанные в последние годы составы на Мп-81 и Сг-Мп основе, микролегированные Мо(0,08-0,16%), У(0,02-0,10%), №(-0,04%)

С целью моделирования в лабораторных условиях заключительных этапов изготовления горячекатаных труб (деформации в редукционном стане и последеформационного охлаждения) доводились прокатка (в = 15 и 30%) или термическая обработка образцов, вырезанных из трубных заготовок, сечением 13x13 мм и длиной около 120 мм

Опытно-промьппленный прокат труб осуществлялся по различным режимам в цехах Т-2 (ТПА-140) и Т-3 (ТПА-80) СинТЗ Степень деформации в редукционном (калибровочном) стане, определяемая соотношением диаметров и толщиной стенки черновой и чистовой труб, составляла 4-35%

В качестве варьируемых параметров использовались температура входа в редукционный стан Ты ред, которая задавалась температурой нагрева трубы в установке индукционного нагрева, и температура выхода из него Ткред,

интенсивность последеформационного охлаждения Кроме того, применялся режим, при котором скорость вращения валков редукционного стана уменьшалась на 10%, что приводило к дополнительному снижению температуры трубы, благодаря увеличению времени охлаждения ее в спрейерном устройстве стана

Анализ микроструктуры осуществлялся на сечениях, поперечных оси трубы, реже продольных, на металлографическом микроскопе «REICHERT» Выявление и оценка размера аустенитного зерна проводилась по сетке избыточного феррита, выделившегося по его границам

Электронно-микроскопическое исследование проводили методом тонких фольг на просвечивающем электронном микроскопе ЭВМ-IOOJI при ускоряющем напряжении 100 кВ Заготовки для фольг в виде пластин толщиной 0,2 0,3 мм вырезали поперек оси трубы С целью интерпретации деталей структуры, фазового анализа карбидных частиц с выбранных локальных участков объектов снимались картины микродифракции

Для механических испытаний на растяжение труб использовались плоские образцы длиной 280 мм, вырезанные из стенки трубы, для муфтовой заготовки - цилиндрические с диаметром рабочей части 8 мм, для образцов, подвергнутых прокатке или термообработке в лабораторных условиях, — цилиндрические с диаметром рабочей части 5 мм и длиной 65 мм

Испытания образцов на твердость проводились методом Роквелла по шкалам А и С по ГОСТ 9013-59 Значение твердости определялось как среднее из пяти измерений с погрешностью не выше ± 1 ед HRC. Твердость металла труб и муфтовой заготовки измерялась по наружной, серединной и внутренней дуге четырех квадрантов сечения трубы на установке для измерения твердости Тр 500

Испытания на ударный изгиб проводились по ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре МК-30 при комнатной температуре и при 0°С на образцах с Y-образном надрезом Размеры ударных образцов варьировались в зависимости от диаметра и толщины стенки трубы - для тр>б размером 73x5,51 и

88,9x7,34 мм они составляли 8x5 мм, для труб 88,9x13,0 и 114x10,0 мм - 10x8 мм

Экспериментальные точки на зависимостях механических свойств от исследуемых параметров указывались по данным, относящимся к среднему и заднему концам, а также к середине трубы

В третьей главе излагаются результаты исследования распределения температуры по длине трубы на различных переделах и однородность механических свойств по длине и толщине стенки трубы Работа была проведена в цехе Т-3 СинТЗ, где установлена система мониторинга, позволяющая регистрировать температуру поверхности каждой трубы

Перед установкой индукционного нагрева наблюдается весьма большое различие температуры (60-70°С) по длине трубы, особенно между начальной частью (2-8м) и серединой (8-28м), где имеется достаточно стабильный (в пределах +12°С) средний уровень Индукционный нагрев, повышая температуру трубы до заданного уровня, несколько етлаживает ее перепад между передней частью и серединой трубы, и уменьшает до 25-30"С разброс температуры между отдельными трубами

Примерно такая же картина наблюдается после редукционного стана, хотя температура тех же участков трубы падает на ~ 55°С Сохраняется градиент температуры у концов трубы сравнительно плавный на первых 8 м и очень крутой на ~ 2 м у заднего конца При последующем охлаждении на спокойном воздухе концы трубы, естественно, теряют температуру быстрее, чем середина, но по-прежнему у заднего конца трубы градиент температуры значительно больше, чем у переднего, происходит выравнивание температуры (до 25-25°С) как между отдельными трубами, так и по длине труб в их средней части.

Различие температуры и скорости охлаждения отдельных участков трубы являются причиной разноструктурности и разброса механических свойств

Исходя из этого, для исследования свойств трубы представительные образцы вырезались из различных участков, по крайней мере, от каждого конца и середины трубы

Изучение распределения твердости по окружности стенки и длине труб размером 73x5,5 мм из стали 37Г2С показало, что значения твердости вблизи внутренней и внешней поверхности труб колеблются по сложным кривым в пределах от 87 до 100 ед НКВ при последеформационном охлаждении на спокойном воздухе или со спрейерами Минимальный разброс твердости по окружности трубы наблюдается на середине стенки, откуда и предпочтительнее вырезать образцы для исследования структуры и механических свойств. Во всех сечениях твердость переднего конца труб, имеющего самую низкую температуру по выходу из редукционного стана и на холодильнике, наибольшая (до ~97 ед БЗШ), тогда как твердость середины и заднего конца труб близка (91-93 ед КЕШ)

Глава четвертая занимает ключевое место в диссертации, так как в ней описываются результаты исследований влияния химического состава и режимов заключительных операций проката на структуру и механические свойства труб последовательно групп прочности Д, К, Е

Анализ механических свойств труб, изготовленных в 2004-2005 гг из заготовок НТМК и ВТЗ, показал, что свойством, лимитирующим группу прочности Д, является предел текучести, тогда как уровень остальных нормируемых характеристик (ств, 65) существенно превышает требования ГОСТ 632 (633)-80 У труб из металла ОХМК, имеющего минимальное среди других производителей стали Д содержание углерода (0,41-0,42 %) и марганца (0,660,67 %), а иногда и из металла НТМК наблюдаются провалы по пределу прочности

Установлено, что основным фактором, определяющим получение требуемых механических свойств обсадных и насосно-компрессорных труб групп прочности Д, является химический состав стали Для получения стабильных свойств труб группы прочности Д на ОАО «СинТЗ» была проведена модернизация химического состава стали в направлении повышения содержания углерода до 0,46-0,48%, Мл до ~ 1,0%, а также введения

микродобавок V (0,014-0,070 %), №> (0,03-0,06 %) при сохранении содержания углерода на уровне ~0,42-0,43%С

При этом феррито-перлитная микроструктура труб из стали Д всех поставщиков трубной заготовки слабо зависит от их сортамента и состава стали, режимов проката и последеформационного охлаждения Изменяется лишь морфология феррита от замкнутой сетки, сформировавшейся по границам бывших аустенитных зерен, до разомкнутой сетки и образованием отдельных зерен

Для изготовления насосно-компрессорных труб группы прочности К на протяжении многих лет на СинТЗ используется сталь 37Г2С Она обеспечивает механические характеристики труб весьма близкие к минимальному уровню свойств по ГОСТ 633-80, а при отдельных режимах производства и сортаменте труб, преимущественно толстостенных, ниже его

Это предопределило необходимость проведения опытно-промышленных исследований в следующих направлениях

- детальное изучение потенциальных возможностей стали 37Г2С и причин провала механических свойств,

- разработки новых экономнолегированных сталей, гарантированно обеспечивающих изготовление труб всей номенклатуры размеров, выпускаемых на СинТЗ

Исследование образцов из стали 37Г2С, прокатанных на лабораторном стане или аустенитизированных по тем же режимам без деформации, показало, что они имеют весьма близкий комплекс механических свойств, на который некоторое влияние оказывает температура деформации (аустенитизации)

При деформации с £ = 15 или 30% или аустенитизации при 950-1000°С предел текучести, который лимитирует группу прочности К, находится в опасной близости к минимальному уровню, тогда как значения других механических свойств (ств, 85, \|/, КСУ) вполне удовлетворительны Ускоренное охлаждение образцов дает некоторое увеличение ст0д, максимально на 20-30

МПа, так что только Та = 850°С и ускоренное охлаждение надежно обеспечивают весь комплекс механических характеристик

Эти заключения совпадают с данными, полученными при исследовании труб из данной марки стали различных типо-размеров (73x5,5, 73x11,0, 89x6,5, 88,9x13,0, 101,6x6,5 мм), редуцированных в широком диапазоне температур (830-1070°С)

Сопоставление результатов лабораторных и цеховых прокатов показывает, что в промышленных условиях удается весьма глубоко использовать потенциал механических свойств стали 37Г2С В то же время заложенный в ее природе относительно невысокий уровень прочности обусловлен слабым совокупным действием таких упрочняющих факторов, как твердорастворное и дислокационное, зернограничное и перлитное упрочнения, а также отсутствием субзеренного и дисперсионного упрочнений Увеличивать твердорастворную компоненту упрочнения путем повышения содержания в стали Бг нельзя из-за ее сильного охрупчивающего действия Оказались благоприятными рост перлитной составляющей при переходе от стали 37Г2С (0,37% С) к стали 38Г2С (до 0,39% С) и микролегирование сильными карбидообразователями № (0,05мас %) и V (0,04 мае %)

Прочностные свойства стали 38Г2СФ заметно выше, чем у стали 37Г2С практически после всех температур обработки в аустенитной области Так, при ускоренном охлаждении а0,2 находится выше 600 МПа, что значительно превышает уровень по группе прочности Е, а при охлаждении на воздухе Со г £ 559 МПа (наименьшее значение по группе прочности К ст0д = 490 МПа) Относительное удлинение 65 также соответствует группам прочности К и Е при удовлетворительных величинах \|/ и КСУ

Опытно-промышленный прокат труб различного сортамента, включая толстостенные (88x13,0 мм), из стали 38Г2СФ показал повышенный уровень механических свойств, соответствующий требованиям группы прочности К (рис 1)

Механические свойства труб (73x11 мм) из стали 38Г2СФ

Столбики слева направо отвечают свойствам переднего конца, середины и заднего конца трубы

Рис. 1.

Электронно-микроскопические исследования обнаруживаю!' в стали 38Г2СФ дисперсные выделения размером ~ 150 А как в избыточном феррите, так и в феррите твтсктойда. Частицы связаны с дислокациями, плотность которых более высокая, чем в стали без ванадия.

Последе форм а ционное спрейерное охлаждение труб из стали 38Г2СФ не дает существенн(Ш повышения прочностных свойств по сравнению с охлаждением на воздухе. Ударная вязкость образцов, вырезанных из труб,

изготовленных по различным режимам, составляет КСУ = 60-70 Дж/см2, механизм разрушения вязко-хрупкий

Для насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности Е на ОАО «СинТЗ» традиционно используется сталь 48Г2БМ. Электронно-микроскопические исследования образцов стали 48Г2БМ, вырезанных из стенки трубы, обнаруживают частицы №>С трех типов

- крупные (1500-2000 нм) кубической формы, не растворившиеся, вероятно, при первичной аустенитизации (Т„>1100°С);

- ограненные размером 250-700 нм, выделившиеся в аустените, -дисперсные (80-100 нм), зародившиеся на дислокациях в феррите, но

расположенные сравнительно редко, и то - % зерен избыточного феррита

Эти наблюдения позволяют сделать заключение о сравнительно небольшом вкладе выделений №>С в дисперсионное твердение в стали 48Г2БМ, хотя крупные частицы №С эффективно контролируют рост аустенитного зерна

Механические свойства труб из стали 48Г2БМ размером 73x5,5 и 89x6,5 мм, испытавших последеформационное охлаждение на воздухе, проявляют крайне низкую чувствительность к температуре редуцирования в интервале 850-1050°С После всех изученных режимов проката они имеют высокий уровень механических свойств (о"в = 880-890 МПа, СТ02- 580-600 МПа, Стод/Ов = 0,67, 85= 16-19%), отвечающий требованиям группы прочности Е Для труб из стали 48Г2БМ характерна феррито-перлито-бейнитная структура, в которой, в зависимости от режимов изготовления, содержание низкотемпературных продуктов распада аустенита может меняться от нуля до нескольких процентов Отсюда — сравнительно невысокий уровень пластичности труб (65 = 16-19%), находящийся в опасной близости к требованиям ГОСТ 633-80 (85=13%)

Это побудило необходимость разработки группы новых сталей на Ст-Мп-Мо основе (типа 37ХГМ), микролегированных в различном сочетании №(~0,04%) и У(0,08-0,10%)

Параллельно с опытно-промышленным производством и изучением труб из новых марок сталей проводились широкие исследования металла трубной заготовки производства НТМК, а также образцов, прокатанных или термообработанных в лабораторных условиях

По структуре, формирующейся при горячей пластической деформации и последующим охлаждении, комплексу механических свойств сталь 37ХГМ весьма близка стали 37Г2С Она не обладает дисперсионным твердением, без которого, как видно на примере стали 38Г2СФ, надежно достигнуть группы прочности К удается только путем ускоренного охлаждения трубы

Исследование труб сортамента 73x5,5 мм из стали 37ХГБМ, охлажденных после редукционного стана на воздухе, показало, что по комплексу механических свойств (аБ = 760-800 МПа, <уг= 540-610 МПа, 55= 15-21%) они соответствуют группе прочности Е Более высокий уровень прочности обеспечивает последеформационное спрейерное охлаждение При всех режимах изготовления труб происходит формирование однородного мелкого зерна аустенита <1срг 50 мкм) и продуктов его распада по первой ступени, выделение дисперсных частиц №>С, плотность которых выше, чем в стали 48Г2БМ Это связано с более глубоким растворением частиц №>С, так как растворимость карбидных фаз возрастает при уменьшении содержания углерода и наличии других карбидообразователей (в данном случае Сг) в аустените (в стали)

При изучении сталей типа 37ХГФ с содержанием 0,08 и 0,16% Мо была выявлена роль молибдена, как «регулятора» устойчивости переохлажденного аустенита, и, следовательно, типа и количества низкотемпературных продуктов его распада

В стали с 0,16% Мо после редуцирования при температурах 840-1080°С и охлаждения на воздухе происходит образование игольчатой микроструктуры (рис 2,а), состоящей по электронно-микроскопическим данным из верхнего и нижнего бейнита, а также мартенсита Это связано со столь высокой

устойчивостью переохлажденного аустенита по первой ступени, что распад его происходил в широком интервале температур, исключительно ниже 550°С

Трубы сортамента 73x5,5 мм, изготовленные из данной стали, имеют высокий комплекс механических свойств (ств = 820-940 МПа, <з0,2= 580-650 МПа, 65= 17-20%), отвечающий требованиям группы прочности Е

В трубах сортамента 73x5,5 и 114x7,4 мм из стали 37ХГФМ с пониженным содержанием Мо (0,08%) происходит формирование феррито-перлитной структуры, представляющей собой сочетание перлитных колоний зерен и избыточного феррита (q,^ = 6-16%), выделившегося в виде сетки и отдельных зерен (рис 2,6) В ферритных кристаллах обнаруживаются дисперсные частицы VC размером ~ 100Ä, которые выделились на дислокациях, имеющих повышенную плотность Механические свойства труб соответствуют группе прочности Е, причем после редуцирования при ТреЯ> 920°С трубы из стали с 0,08% Мо, содержащие в структуре продукты распада по первой ступени, имеют большую прочйость, чем трубы из стали с 0,16% Мо с игольчатой структурой Сравнительно большая для труб с феррито-перлитной структурой величина а0д/св = 0,69-0,73 свидетельствует о значительной величине дисперсионного и дислокационного упрочнения С этим, очевидно, связано и то, что у труб из сталей типа 37ХГФМ варьирование всех изученных параметров проката, включая последеформационное охлаждение, крайне слабо влияет на уровень механических свойств

Трубы размера 73x5,5 мм из стали 37ХГФБМ после всех изученных режимов изготовления имеют механические характеристики (св = 950-975 МПа, сг0,2= 650-680 МПа, 65= 19-23%), превышающие уровень свойств труб из стали 37ХГФМ и требования группы прочности Е Сталь имеет в основном феррито-перлитную структуру С ростом температуры редуцирования от 850 до 1065°С наблюдается монотонный рост размера аустенитного зерна (от 9 до 16 мкм), количества избыточного феррита {от 9 до 16%) и толщины его сетки (от 4 до 10 мкм)

Микроструктура труб (73x5,5 мм)

б

а - сталь 37X1 'ФМ-1 (О, ] 6% Мо), х 200; б - сталь 37ХГФМ-2 (0,08% Мо), х 100.

Рис, 2.

Увеличивающиеся действие этих смягчающих структурных параметров слабо сказывается на уровне механических свойств, вероятно, из-за перекрывающего влияния дисперсионного твердения

Пятая глава посвящена анализу производства на ОАО «СинТЗ» насосно-компрессорных и обсадных труб из новых марок сталей Приводятся результаты опытно-промышленных прокатов, проведенных в 2005-2006 годах, когда эти марки сталей и технологические режимы только опробовались в производстве, и данные массового выпуска труб за первые пять месяцев 2007 года

Опытно-промышленное изготовление НК и О труб всех типоразмеров, включая наиболее толстостенные 166x16,5 мм, группы прочности Д из сталей с 0,43-0,46% С, 0,74-0,76% Мп, микролегированные V или №>, показало по результатам цеховой сдачи 100% выход годного по механическим свойствам

По результатам цеховых и лабораторных испытаний наиболее перспективной для труб группы прочности К оказалась сталь 38Г2СФ, которая обеспечивает 100% выход годного даже для труб наибольшего размера 188,9x13 и 114,3x7,4 мм

Наиболее высокие значения механических свойств группы прочности Е имеют трубы размером 73x5,5 мм из комплексно легированной стали 37ХГФБМ. Трубы размером 73x5,5, 114,3x7,4 и 101,6x6,5 мм из стали 37ХГФМ (содержание Мо =0,08 %) также обладают удовлетворительным для группы прочности Е уровнем а0>2 Поскольку комплексно легированная сталь дороже, чем сталь 37ХГФМ, то к использованию для труб этой группы прочности рекомендуется сталь 37ХГФМ и только для толстостенных труб и муфтовых заготовок - сталь 37ХГФБМ Стали 37ХГФМ и 37ХГФБМ способны успешно заменить сталь 48Г2БМ, которая из-за значительного содержания углерода обладает невысокой эффективностью действия №> и склонностью к пониженной пластичности при появлении в структуре бейнита

Массовый выпуск НК и О труб, а также муфтовой заготовки, освоенный на СинТЗ в последние годы, подтвердил результаты опытных прокатов Так,

согласно статистическим данным за первые пять месяцев 2007 года, выход годного по труб размером 73x5,5 мм группы прочности Д из стали ДФ производства ТАГМЕТ, ВТЗ и НТМК составил 100%

Аналогичная картина наблюдается для труб группы прочности К: сталь 38Г2СФ всех производителей заготовок обеспечивает практически 100% выход годного по стод в первые месяцы 2007 года при относительно низком уровне этого показателя для труб, прокатанных из стали 37Г2С в 2006 г.

Для труб группы прочности Е сталь 37ХГФМ имеет неоспоримые преимущество по Сто,2 перед сталью 48Г2БМ Они тем более значимы, если сопоставить вязкопластические характеристики труб из обеих сталей

В заключении диссертации подытоживается, что, согласно результатам настоящей работы, основным фактором, определяющим механические свойства (в первую очередь сто,г) труб нефтяного сортамента, упрочненных в линии стана, является химический состав стали Здесь перспективными явились среднеуглеродистые дисперсионно-твердеющие стали, микролегированные V, № иМо

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

Снижение температуры деформации в межкритический интервал темперагур (750°С) и ниже А1 (680°С) нецелесообразно, так как при определенном повышении прочности пластичность (вязкость) сталей уменьшается, иногда ниже допустимого уровня

Исследование микроструктуры сталей типа 37ХГФМ, 37ХГБМ, 37ХГФБМ показало, что дефекты, внесенные в аустенит при редуцировании (калибровке) трубы, закрепленные дисперсными частицами специальных карбидов МеС, наследуются ферритом, что способствует измельчению структуры Чем ниже температурный интервал редуцирования трубы (в пределах аустенитной области), тем больше этот положительный эффект, что обуславливает

необходимость регламентации температур начала и конца редуцирования трубы, даже если это не приводит к значительному повышению стод, но способствует сохранению требуемого уровня вязкопластических характеристик В данном плане трубы из дисперсионно-твердекнцих сталей (с добавками V, №>), упрочненные в линии стана, могут рассматриваться, согласно ГОСТ 633-80 (632-80), как испытавшие термомеханическую обработку, даже при последеформационном охлаждении на спокойном воздухе

На основе исследований, приведенных в данной работе, и литературных данных, сформулированы основные положения по выбору композиций сталей для горячедеформированных насосно-компрессорных и обсадных труб, а также муфтовой заготовки групп прочности Д, К, Е по ГОСТ 633(632)-80 Они заключаются в следующем

- стали должны иметь феррито-перлитную структуру, формирующуюся в нижнем .интервале температур распада переохлажденного аустенита по I ступени, при воздушном или спрейерном охлаждении трубы это реализуется при определенном соотношении в стали углерода (0,35-0,48%), Мп (~ 0,8%) или Мл + Сг (-1,2%), а также Мо (< 0,1%);

- путем регулирования дисперсионной, дислокационной и зернограничной компонент упрочнения при микролегировании сталей У(~ 0,08%), №> (0,04%), а также Мо (~ 0,1%) достигается требуемое значение а0>2, лимитирующее заданную группу прочности,

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

- для производства труб группы прочности Е перспективно использование дисперсионно-твердеющих сталей на Сг (~ 0,6%) — Мп (~ 0,8%) основе, имеющих достаточную устойчивость переохлажденного аустенита при содержании -0,35% углерода и - 0,1 % молибдена

выводы

1. На основе сформулированных положений по выбору композиций сталей для горячедеформированных насосно-компрессорных и обсадных труб, разработаны новые марки сталей, обеспечивающие при использовании рациональных технологических режимов 100% выход годного по механическим свойствам и высокую эксплуатационную надежность Такими для труб группы прочности Д являются стали с 0,43-0,46% С, 0,74-0,76% Мл, микролегированные V или Nb

Для труб всех сортаментов и муфтовой заготовки группы прочности К, включая наибольших размеров 88,9x13, 114,3x7,4 мм, наилучшие показатели имеет сталь 38Г2СФ

2 Стали типа 37ХГФМ гарантированно обеспечивают производство труб сортамента 75x5,5 мм группы прочности Е С увеличением диаметра труб с 73 до 101,6 мм, и, особенно, их толщины от 5,5 до 13,0 мм прочностные свойства заметно снижаются, и для толстостенных труб группы прочности Е рекомендуется сталь 37ХГФБМ Стали 37ХГФМ и 37ХГФБМ могут успешно заменить сталь 48Г2БМ, которая обладает склонностью к понижению пластичности при появлении в структуре бейнита

3 Установлено, что среди исследованных технологических параметров производства горячедеформированных труб температурный интервал редуцирования (калибровки) выше Аг3 является слабым и неоднозначно действующим на механические свойства труб параметром Температура редуцирования играет заметную роль в тех случаях, когда Оо,2 лежит вблизи минимального уровня предела текучести для определенной группы прочности или когда (То,2 понижается с повышением температуры редуцирования, что типично для труб из стали 37Г2С

4 Для труб из изученных марок сталей применение ускоренного (спрейерного) последеформационного охлаждения, как и усиление охлаждения в валках редукционного стана (за счет замедления скорости вращения валков), позволяет менее жестко контролировать температуру редуцирования Его

целесообразно использовать, когда для труб, например, из сталей Д, 37Г2С необходимо несколько повысить предел текучести

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Горожанин ПЮ 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

2 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

3 Тихонцева НТ Изыскание составов и режимов термической обработки обсадных и насосно-компрессорных труб высокой прочности / Н Т Тихонцева,

II.Ю Горожанин, С Ю Жукова, М Н Лефлер, В.М Фарбер // Сталь 2006, №8, с 70-73.

4 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» Днепропетровск ПГАСА, 2004, с 41-48

5 Марченко Л Г Термомеханическая обработка труб из малоуглеродистых и низколегированных сталей / ЛГ Марченко, А И Грехов, ПЮ Горожанин, С Ю Жукова, Е С Велик // Достижения в теории и практике трубного производства Мат. 1 Росс конф по труб, пр-ву «Трубы России-2004» Екатеринбург ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2004, с 404-406

6 Горожанин ПЮ Основные направления совершенствования технологии производства труб нефтяного сортамента/ П Ю Горожанин, С Ю Жукова, Е.С Беляк // Всероссийская конференция «Проблемы и пути развития трубной

промышленности в свете реализации закона РФ «О техническом регулировании» тематический сборник научи трудов Челябинск ОАО «РосНИТИ». 2004, с 200-203

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

8 Фарбер В М Влияние параметров проката на структуру и механические свойства горячекатаных труб / В М. Фарбер, С Ю Жукова, П Ю Горожанин // Труды XIII Международной научно-практической конференции « Трубы-2005» Сборник докладов Челябинск ОАО «РосНИТИ». 2005, с 238-242

9 Горожанин ПЮ 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

10. Патент РФ № 2245375 Способ термомеханической обработки труб, приор 03 02 2004, МПК С 2Ш 8/10 - опубл БИ, 2005, №3

11 Патент РФ № 2254189. Устройство для охлаждения труб в многоклетьевом прокатном стане, приор 03 02 2004, МПК В 21В 45/02 Опубл, БИ, 2005, № 17

12 Патент РФ № 2291903 Способ прокатки труб с термомеханической обработкой, приор 15 07 2005, МПК С 2Ш 8/10 Опубл БИ, 2007, №2

13 Патент РФ № 2291905 Способ охлаждения труб, приор 15 07 2005, МПК с 2Ю 8/10. Опубл БИ, 2007, №2

14 Патент РФ №2291906 Устройство для охлаждения труб, приор 15.07 2005, МПК С 21В 8/10 -Опубл БИ, 2007, №2

15 Патент РФ № 2295579 Устройство для воздушного охлаждения, приор 15 07 2005, МПК С 2Ш 1/667 Опубл. БИ, 2007, №8

Формат 60*84 1/16 Бумага шючая

Плоская печать Тираж 110 Заказ №1228

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. Стали для насосно-компрессорных и обсадных труб.

1.1.1. Химический состав.

1.1.2. Устойчивость переохлажденного аустенита и структура.

1.1.3. Микролегирование ванадием, ниобием и титаном.

1.2. Технология производства горячедеформированных труб.

1.2.1. Изготовление труб на ТПА-80.

1.2.2. Изготовление труб на ТПА-140.

1.2.3. Производство труб нефтяного сортамента.

1.3. Термомеханическая обработка сталей.

1.3.1. Термомеханическое упрочнение проката.

1.3.2. Виды контролируемой прокатки.

1.3.3. Применение ВТМО в производстве проката и труб.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Стали.

2.2. Лабораторная прокатка и термообработка образцов.

2.3. Режимы опытно-промышленного проката труб.

2.4. Методы исследования структуры.

2.5. Методики механических испытаний.

3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПО ДЛИНЕ И СЕЧЕНИЮ СТЕНКИ ТРУБЫ.

3.1. Температурное поле труб на различных переделах.

3.2. Неоднородность механических свойств по длине и толщине стенки трубы.

ВЫВОДЫ.

4. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛЕЙ И РЕЖИМОВ ПРОКАТА

НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРУБ.

4.1. Трубы группы прочности Д.

4.2. Трубы группы прочности К.

4.2.1. Кремнийсодержащие стали.

4.2.2. Хромо-марганцевые стали.

4.3. Трубы группы прочности Е.

4.3.1. Сталь 48Г2БМ.

4.3.2. Сталь 37ХГБМ.

4.3.3. Стали типа 37ХГФМ.

4.3.4. Сталь 37ХГФБМ.

ВЫВОДЫ.

5. ПРОИЗВОДСТВО НА СинТЗ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ ИЗ НОВЫХ МАРОК СТАЛЕЙ.

ВЫВОДЫ.

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

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

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

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

Д, К, Е.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

ВЫВОДЫ

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

2. Трубы сортамента 73x5,5 мм или близкого к ним размера из стали 37Г2С могут достигать группы прочности К при использовании спрейерного последеформационного охлаждения или в случае поддержания оптимального температурного интервала редуцирования.

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

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

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

88,9x13,114,3x7,4 мм.

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

Стали типа 37ХГФМ гарантированно обеспечивают производство труб сортамента 75x5,5 мм группы прочности Е. С увеличением диаметра труб с 73 до 101,6 мм, и, особенно, их толщины от 5,5 до 13,0 мм прочностные свойства заметно снижаются, и для толстостенных труб группы прочности Е рекомендуется сталь 37ХГФБМ. При возрастании количества сильных карбидообразователей (V+Nb), а также МО (до- 0,4%), благодаря сильному дисперсионному и дислокационному упрочнению существенно снижается ударная вязкость стали (от - 90 до 20 и даже 89 Дж/см) при преобладающем хрупком механизме разрушения. В то же время пластичность труб из изученных сталей остается удовлетворительной для всех категорий прочности (85>14%). Стали 37ХГФМ и 37ХГФБМ могут успешно заменить сталь 48Г2БМ, которая обладает склонностью к понижению пластичности при появлении в структуре бейнита.

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

8, °Л

30

700

800

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

2 ПО

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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,

3. A.А. Шевченко, В.И. Стрижак, Ю.С. Пикинер // М.: Металлургия, 1986.

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

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

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

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

8. 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.

9. Горожанин П.Ю. Влияние состава и режимов проката на механические свойства труб из среднеуглеродистых низколегированных сталей / П.Ю. Горожанин, Е.С. Черных,

10. B.А. Хотинов, С.Ю. Жукова, В.М. Фарбер // Производство проката. 2005. №12. С. 27-31.

11. 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.

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

13. 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.

14. Горожанин П.Ю. Разработка композиций сталей для труб нефтяного сортамента групп прочности «Д» и «К» / П.Ю. Горожанин,

15. Е.С. Черных, С.Ю. Жукова, В.А. Хотинов, К.А. Лаев, В.М. Фарбер // Там же. С. 85-86.

16. Патент РФ № 2245375. Способ термомеханической обработки труб, приор. 03.02.2004, МПК С 21D 8/10. Опубл.: БИ, 2005, №3.

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

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

19. Патент РФ № 2291905. Способ охлаждения труб, приор. 15.07.2005, МПК с 21D 8/10. Опубл.: БИ, 2007, №2.

20. Патент РФ № 2291906. Устройство для охлаждения труб, приор. 15.07.2005, МПК С 21D 8/10. -Опубл.: БИ, 2007, №2.

21. Патент РФ № 2295579. Устройство для воздушного охлаждения, приор. 15.07.2005, МПК С 21D 1/667. Опубл.: БИ, 2007, №8.

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

23. Курдюмов Г.В. Превращения в железе и стали / Г.В. Курдюмов, Л.М. Утевский, Р.И. Энтин // М.: Изд. «Наука», 1977. 236 с.

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

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

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

27. 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.

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

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

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

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

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

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

34. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский, Л.М. Капуткина. М.: Металлургия, 1983.480 с.

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

36. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин и др..; Под общей ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

37. 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. С. 15-19.

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

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

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

41. Камасацу 10. Тенденции развития технологии контролируемой прокатки ЛО. Камасацу, Х.Кадзи, К. Иноуэ // Токусюко, Spec.Steel.1981. v. 30. № 7.С.6-13.

42. 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.

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

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

45. 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.

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

47. 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.

48. 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.

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

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

51. 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.

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

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

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

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

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

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