Поточная линия термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб

Поточная линия термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб

Реферат

Изобретение относится к трубному производству и может быть использовано для производства бурильных труб с приваренными соединительными замками.

Одной из основных проблем при производстве термоупрочненных бурильных труб с приваренными соединительными замками является обеспечение требуемых прочностных и пластических свойств металла в зоне сварного соединения (ЗСС) путем локальной термической обработки.

Известна поточная линия для изготовления бурильных труб с приваренными соединительными замками, где после приварки к трубам из стали 32Г2С замков из стали 40ХН зону сварного соединения шириной 50 мм нагревают в двух последовательно расположенных индукционных установках ИНН-100/24 до 880-900°С и охлаждают с двух сторон, отпуск при 650-680°С проводят в таких же установках (Блинов Ю.И., Усов В.А., Поповцев Ю.А. и др. Применение водо-воздушного охлаждения для закалки сварного соединения бурильных труб. // Сталь, 1989, №3, с.78-81).

Известен способ изготовления высокопрочных труб, реализованный в поточной линии, в которой к трубам приваривают соединительные замки, трубу в зоне сварки подвергают местной закалке с последующим отпуском (авт. св. СССР №186587, кл. 21 H, 32/10, опубл. БИ 1966, №19).

Известна линия, в которой участок соединения сразу же после сварки подвергают термической обработке (нормализации) в индукторе с нагрева токами высокой частоты (Колесник Б.П., Гузеватая Л.И., Скульский Ю.В. Производство бурильных труб с приваренными соединительными замками // Черная металлургия. Обзорная информация института "Черметинформация". Серия 8 (трубное производство). Информация №5. - Черметинформация. - 1969 - с.7.

Известна линия, в которой после приварки замков зона сварного шва подвергается термической обработке на длине 80-100 мм в двух индукторах: в первом - нормализации, во втором - отпуску (Стрижак В.И., Василенко С.Е. Производство высокопрочных труб за рубежом // Черная металлургия. Обзорная информация института "Черметинформация". Серия 8 (Трубное производство). Выпуск №2. - Черметинформация. - 1977, - с.8).

Известна линия, в которой после сварки каждая бурильная труба H-Series компании Grant Prideco подвергается запатентованному процессу термообработки TUFF-WELD с закалкой и отпуском зоны сварного шва, подвергавшейся действию высоких температур во время сварки. Участок, перекрывающий зону сварки, нагревается индукционным способом до определенной температуры аустенизации. Форсунки для подачи воздуха располагаются у наружной и внутренней поверхностей, и закалка производится с принудительной подачей воздуха. Для получения гарантии полного отпуска более широкий участок подвергается повторному нагреву до соответствующей температуры отпуска при помощи индукционной катушки (Руйтнер Я., Мурадов А. Бурильные трубы Н-Series компании Grant Prideco. Влияние конструкции, материалов и процесса производства на эксплуатационные качества бурильных труб // Нефтяное хозяйство. -1995, №9, с.12-13).

Основным недостатком этих поточных линий является их малая производительность.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является поточная линия для термической обработки ЗСС бурильных труб с приваренными соединительными замками, установленная в цехе Т-2 ОАО Синарский трубный завод (СинТЗ), (чертеж СинТЗ, МЧ 44673СБ "Дооборудование участка приварки замков и термообработки сварного шва бурильных труб", 1986, архив СинТЗ), включающая последовательно расположенные и связанные транспортными средствами машины приварки трением замковых соединений с одного и другого концов труб (см. чертеж фирмы "Thompson" - Англия. "Thompson Friction Welding, title "General Layout of Model 250 Friction Welding Drill Pipe Line", Drawing Number 21531/-, 21532/-SK1, 1984, архив СинТЗ), пост набора пакета из восьми труб и выравнивания в нем положения ЗСС перед термообработкой, камеру индукционного нагрева под нормализацию, камеру охлаждения с водяными или воздушными спрейерами, камеру индукционного нагрева под отпуск ЗСС - с одной стороны пакетов труб; пост выравнивания положения ЗСС перед термообработкой и аналогичные камеры индукционного нагрева под нормализацию, охлаждения, индукционного нагрева ЗСС под отпуск - с другой стороны пакетов труб (см. чертеж фирмы "Mannesman Demag Meer" "Transporteinrichtung Verguterei I und II", №03.01.309-00.000, 1986, архив СинТЗ). Повышение производительности в сравнении с вышеописанными линиями достигается за счет одновременной термической обработки в каждой из камер линии пакета из восьми труб.

Недостатками известной поточной линии, выбранной за прототип, являются: ограниченные возможности по режимам (только нормализация и отпуск), применяемым маркам стали, значительный разброс начальной температуры ЗСС бурильных труб, собранных в пакет перед термообработкой, что не позволяет получить стабильные прочностные и пластические свойства металла в ЗСС.

Устанавливаемые в камере охлаждения воздушные спрейеры позволяют в темпе работы линии охладить ЗСС только до температуры 450-550°С, что не обеспечивает полного распада аустенита в легированных Cr-Mo марках стали, применяемых для изготовления высокопрочных труб. Поэтому для охлаждения ЗСС до температуры завершения превращения перед отпуском требуется дополнительное технологическое время, что снижает производительность процесса. При использовании водяного охлаждения для закалки труб из легированных Cr-Мо марок стали существует опасность образования закалочных трещин.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении возможности линии термической обработки по обрабатываемому сортаменту, применяемым маркам стали, видам термической обработки и повышении уровня и стабильности достигаемых свойств ЗСС.

Поставленная задача решается за счет того, что поточная линия термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб, включающая последовательно расположенные и связанные транспортными средствами машины приварки трением замковых соединений с одного и другого концов труб, пост набора пакета и выравнивания положения ЗСС перед термообработкой, камеру индукционного нагрева под нормализацию, камеру охлаждения, камеру индукционного нагрева под отпуск ЗСС - с одной стороны труб, набранных в пакет, пост выравнивания положения ЗСС перед термообработкой, аналогичные камеры индукционного нагрева под нормализацию, охлаждения, индукционного нагрева под отпуск ЗСС - с другой стороны труб, набранных в пакет, снабжена системами водяного ламинарного охлаждения, размещенными на постах выравнивания положения ЗСС перед термообработкой, а в камерах охлаждения установлены спрейеры регулируемого двухстороннего водо-воздушного охлаждения ЗСС, в камерах нагрева под нормализацию размещены спрейеры ускоренного регулируемого охлаждения ЗСС, после первой машины приварки трением замковых соединений размещен спрейер охлаждения ЗСС.

Размещение на постах выравнивания положения ЗСС систем водяного ламинарного охлаждения (первая схема выравнивания температуры ЗСС) позволяет ликвидировать разброс температур ЗСС от трубы к трубе в пакете, наблюдаемый при запуске линии и в результате различных технологических остановок, при этом использование ламинарных струй снижает расход воды на охлаждение.

Установка в камерах охлаждения спрейеров регулируемого двухстороннего водо-воздушного охлаждения ЗСС бурильных труб позволяет осуществить регламентированное охлаждение ЗСС до завершения распада аустенита. Скорость охлаждения определяется соотношением воды и воздуха в смеси, количеством и длительностью циклов, что позволяет регулировать скорость охлаждения в зависимости от толщины высадки и марки стали.

Установка в камерах нагрева под нормализацию спрейеров ускоренного регулируемого охлаждения ЗСС позволяет после индукционного нагрева закалить ЗСС, что расширяет технологические возможности линии и повышает качество термообработки.

Установка спрейера охлаждения ЗСС в потоке линии после первой машины приварки трением муфтового замкового соединения позволяет увеличить производительность линии при термообработке ЗСС с толщиной стенки более 20 мм. Так как при поточной работе линии длительность охлаждения ЗСС в позиции первого поста выравнивания ЗСС, где пакет набирается поштучно, меньше, чем в позиции второго, к которому направляют уже собранный пакет, то для охлаждения в позиции первого поста ЗСС труб с толщиной высадки более 20 мм необходимо дополнительное время, и установка спрейера после первой машины приварки трением позволяет в темпе работы линии обеспечить дополнительное необходимое охлаждение ЗСС со стороны муфты для труб с толщиной высадки более 20 мм без снижения производительности (вторая схема выравнивания температуры ЗСС).

На фиг.1 изображена предлагаемая поточная линия термической обработки ЗСС бурильных труб. В линии последовательно установлены: стол 1 загрузки труб-заготовок с высаженными концевыми участками, машина 2 приварки трением муфтовых замковых соединений (муфт) с одного конца трубы (МСТ-1), наклонная площадка 3 с укладчиком труб, стол 4 с цепным транспортером, наклонная площадка 5 с укладчиком труб, рольганг 6 позиционирования труб, спрейер 7 охлаждения ЗСС, стол 8 загрузки труб, машина 9 приварки трением ниппельных замковых соединений (ниппелей) с другого конца трубы (МСТ-2), наклонная площадка 10 с укладчиком труб, наклонный стол-накопитель труб 11, рольганг 12 позиционирования и передачи труб на участок термообработки ЗСС, пост 13 набора пакета и выравнивания положения ЗСС со стороны муфтовой части замка перед термической обработкой с системой водяного ламинарного охлаждения 14, камера 15 индукционного нагрева ЗСС под нормализацию или закалку со спрейерами ускоренного регулируемого охлаждения для закалки ЗСС, камера 16 со спрейерами водо-воздушного охлаждения, камера 17 индукционного нагрева под отпуск ЗСС с одной стороны труб в пакете; пост 18 выравнивания положения ЗСС со стороны ниппельной части замка перед термической обработкой с системой водяного ламинарного охлаждения ЗСС 19, камера 20 индукционного нагрева под нормализацию или закалку со спрейерами ускоренного регулируемого охлаждения ЗСС, камера 21 со спрейерами регулируемого двухстороннего водо-воздушного охлаждения ЗСС, камера 22 индукционного нагрева под отпуск ЗСС с другой стороны труб в пакете. Передача труб на участке термообработки ЗСС в каждую из позиций: поста набора пакета, камер нормализации (закалки), охлаждения и отпуска производится последовательно единым цепным транспортером, а из потока термообработки ЗСС со стороны муфты в поток термообработки ЗСС со стороны ниппеля - многосекционным рольгангом.

Предлагаемая поточная линия в зависимости от сортамента и требуемого вида термообработки ЗСС бурильных труб работает по следующим основным технологическим схемам.

I. Нормализация и отпуск ЗСС бурильных труб с толщиной высадки менее 20 мм (используется первая схема выравнивания температуры ЗСС в пакете перед термообработкой).

Со стола загрузки 1 трубы-заготовки с высаженными и обточенными концевыми участками (после термической обработки на необходимую группу прочности тела трубы и высадки) по одной загружают в машину 2 приварки трением муфтовой части замка, после приварки и удаления грата трубу выдают на площадку 3, передают на стол 4 с цепным транспортером, с которого укладывают на площадку 5, затем на рольганг 6, позиционируют по второму выезженному концу, перекладывают на стол 8 и загружают в машину 9, где к ней приваривают ниппель. После приварки и удаления грата трубу выдают на площадку 10, с которой сбрасывают на наклонной стол-накопитель 11 и далее по одной укладывают на рольганг 12, позиционируют по упору со стороны муфтовой части замка и по одной передают на цепной транспортер участка термообработки ЗСС. После набора в позиции поста 13 пакета из восьми труб производят выравнивание положения ЗСС в одной плоскости и охлаждение водой до комнатной температуры в системе водяного ламинарного охлаждения 14 (первая схема охлаждения ЗСС перед термообработкой). Затем пакет труб транспортером последовательно передают в позиции камер индукционного нагрева под нормализацию 15, охлаждения 16, индукционного нагрева под отпуск 17, где осуществляются соответственно нормализация, охлаждение и отпуск ЗСС со стороны муфты. После отпуска пакет труб по рольгангу передают в позицию поста 18, выравнивают ЗСС со стороны ниппельной части и охлаждают водой до комнатной температуры в системе водяного ламинарного охлаждения 19. Затем последовательно осуществляют аналогичные нормализацию, охлаждение и отпуск ЗСС со стороны ниппеля в позициях камер 20, 21 и 22 соответственно. После этого трубы передают в отделение отделки.

II. Закалка с отдельного нагрева и отпуск ЗСС бурильных труб с толщиной высадки менее 20 мм.

После приварки муфтовой и ниппельной частей замков трубы по одной перекладывают на цепной транспортер участка термообработки ЗСС. После набора пакета труб, выравнивания и охлаждения ЗСС в позиции поста 13 (первая схема охлаждения ЗСС перед термообработкой) пакет транспортером последовательно передают в позиции камер 15, 16 и 17, где осуществляют термообработку ЗСС со стороны муфты: в камере 15 - индукционный нагрев под закалку и ускоренное регулируемое охлаждение ЗСС до температуры 600-650°С (температуры самоотпуска) или до цеховой температуры, в камере 16 - окончательное охлаждение ЗСС (при необходимости), в камере 17 - индукционный нагрев под отпуск. После этого пакет передают в позицию поста 18, выравнивают, охлаждают ЗСС в системе водяного ламинарного охлаждения 19 и при последовательном перемещении в линии проводят аналогичные операции термической обработки ЗСС со стороны ниппельной части замка - закалку, охлаждение и отпуск в позициях камер 20, 21 и 22 соответственно.

III. Нормализация или закалка и отпуск ЗСС перед термообработкой бурильных труб с толщиной высадки более 20 мм (используется вторая схема выравнивания температур ЗСС в пакете перед термообработкой).

После приварки муфты в машине 2, удаления грата, транспортировки в линии по площадке 3, столу 4, площадке 5 и укладки на рольганг 6 трубу реверсом задают в спрейер 7 и производят охлаждение ЗСС со стороны муфты до необходимой температуры. Затем трубу рольгангом 6 выдают из спрейера, позиционируют по второму высаженному концу, приваривают ниппель, удаляют грат и передают на участок термообработки ЗСС. В позиции поста 13 набирают пакет труб, выравнивают и проводят окончательное охлаждение ЗСС со стороны муфты в системе водяного ламинарного охлаждения 14. Затем пакет труб транспортером последовательно передают в позиции камер 15, 16, и 17, где осуществляют соответственно нормализацию или закалку, охлаждение и отпуск ЗСС, после чего передают в позицию поста 18 для выравнивания и охлаждения ЗСС со стороны ниппельной части замка в системе водяного ламинарного охлаждения 19 и далее передают на аналогичную термическую обработку ЗСС: нормализацию или закалку, охлаждение и отпуск в позиции камер 20, 21 и 22 соответственно.

Таким образом, состав оборудования и его размещение в предлагаемой поточной линии позволяют существенно повысить уровень термической обработки ЗСС за счет увеличения числа возможных технологических операций и осуществить для широкого сортамента бурильных труб из различных марок стали следующие виды обработки: закалку + отпуск; нормализацию, нормализацию + отпуск. Это наряду с выравниванием температуры ЗСС бурильных труб в пакете перед последующей термической обработкой значительно повышает ее качество с точки зрения обеспечения требуемого стабильного комплекса прочностных и пластических свойств металла ЗСС бурильных труб, в том числе и в хладостойком исполнении.

Работа предлагаемой поточной линии для термической обработки ЗСС бурильных труб (по п.1 формулы) опробована в цехе Т-2 ОАО "СинТЗ". Для этого в существующей поточной линии бурильного участка (взятой за прототип) на постах выравнивания ЗСС перед термообработкой были дополнительно смонтированы системы водяного ламинарного охлаждения, а в камерах охлаждения - водо-воздушные спрейеры. В поточной линии осуществляли термическую обработку на группу прочности Х95 бурильных труб размером 73,0×9,19 мм. Тело трубы из стали марки 32ХМА, замок - сталь марки 40ХМФА, толщина зоны высадки 17 мм. После приварки замков и удаления грата в позициях постов выравнивания охлаждали ЗСС в системе водяного ламинарного охлаждения, при этом разброс температур ЗСС от трубы к трубе в пакете уменьшился со 120-150°С до 5-10°С. Затем ЗСС подвергали термической обработке: нормализации при температуре 950°С с последующим двухсторонним регулируемым циклическим водо-воздушным охлаждением ЗСС до температуры 30-50°С. Охлаждение осуществляли за пять циклов - по 40 с водо-воздушной смесью, по 20 с - сжатым воздухом, отпуск ЗСС проводился при температуре 680°С.

Результаты сравнительных испытаний термической обработки ЗСС бурильных труб показали, что предлагаемая поточная линия за счет сокращения технологического времени охлаждения ЗСС перед отпуском имеет производительность на 50 % выше, чем по прототипу. При этом улучшился комплекс механических свойств сварного соединения в результате измельчения структуры при ускоренном охлаждении и уменьшения разброса значений (таблица).

Таблица
Свойства сварного соединения после термической обработки в существующей и предлагаемой поточных линиях
	Механические свойства
Поточная линия	σв, кгс/см2	σт, кгс/см2	δ5, %	ψ, %	KV+21 футов/фунтов
Прототип	78,1-89,3	59,7-76,8	16,3-17,3	62-72	7,0-15,0
Предлагаемая	85,4-91,2	72,6-80,0	18,0-18,6	67-69	47,5-50,2
Требования API 5D Х95	-	≥41,55	-	-	≥12,0

1. Поточная линия термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб, включающая последовательно расположенные и связанные транспортными средствами машины приварки трением замковых соединений с одного и другого концов труб, пост набора пакета и выравнивания положения зон сварных соединений перед термообработкой, камеру индукционного нагрева под нормализацию, камеру охлаждения, камеру индукционного нагрева под отпуск зон сварных соединений - с одной стороны труб, набранных в пакет, пост выравнивания положения зон сварных соединений перед термообработкой, аналогичные камеры индукционного нагрева под нормализацию, охлаждения, индукционного нагрева под отпуск зон сварных соединений - с другой стороны труб, набранных в пакет, на постах выравнивания положения зон сварных соединений перед термообработкой размещены системы водяного ламинарного охлаждения, а в камерах охлаждения установлены спрейеры регулируемого двухстороннего водо-воздушного охлаждения зон сварных соединений.

2. Поточная линия по п.1, отличающаяся тем, что в камерах нагрева под нормализацию размещены спрейеры ускоренного регулируемого охлаждения зон сварных соединений.

3. Поточная линия по п.1 или 2, отличающаяся тем, что после первой машины приварки трением замковых соединений размещен спрейер охлаждения зоны сварного соединения.