Способ термической обработки труб

Способ термической обработки труб

Реферат

Изобретение относится к области термообработки полых изделий, в частности труб, работающих в агрессивных средах нефтяных месторождений.

Одной из наиболее распространенных причин разрушения стальных конструкций является наличие в них неконтролируемых остаточных напряжений. Существующая технология производства бесшовных труб приводит к возникновению на их поверхностях остаточных растягивающих напряжений, которые, суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, ускоряют коррозионные процессы и вызывают разрушение труб при напряжениях значительно ниже расчетных. В то же время известно, что формирование на поверхностях труб остаточных сжимающих напряжений позволяет значительно повысить стойкость труб против коррозионно-механического разрушения.

Известен способ термической обработки деталей со сквозным отверстием, в соответствии с которым для создания сжимающих остаточных напряжений как на внутренней, так и на внешней поверхности деталей осуществляют закалку, высокий отпуск и охлаждение с температуры отпуска всей детали на воздухе до достижения на внешней поверхности температуры 550-250°С, а затем внутреннюю поверхность охлаждают водой (авторское свидетельство СССР №1210463, МПК C21D 9/08). Данный способ предназначен для обработки крупногабаритных деталей с толщиной стенки более 100 мм, требует больших энергозатрат и имеет ограниченные возможности снижения уровня остаточных напряжений и обеспечения их распределения по поверхности и толщине стенки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является способ термической обработки труб, описанный в патенте РФ №2229524, МПК C21D 9/08, согласно которому для формирования на поверхностях трубы остаточных сжимающих напряжений ее нагревают путем пропускания тока высокой плотности с одновременным охлаждением наружной и внутренней поверхностей охлаждающим агентом. Однако низкий уровень сформированных на поверхностях остаточных сжимающих напряжений, а также невозможность регулирования физико-механических характеристик обрабатываемых труб не позволяют обеспечить их требуемые коррозионно-механические свойства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества и надежности труб, предназначенных для работы в средах нефтяных месторождений, за счет улучшения их коррозионно-механических показателей.

Для решения поставленной задачи предлагается способ термической обработки труб, согласно которому осуществляют нагрев трубы путем пропускания тока высокой плотности и охлаждение ее поверхностей охлаждающим агентом, но в отличие от прототипа используют ток плотностью до 15 А/мм², нагрев ведут до температуры, не превышающей Ac₁, после чего делают выдержку при этой температуре в течение не более 20 мин, а затем осуществляют охлаждение со скоростью 75-100°С/сек. Для создания регламентированных остаточных напряжений сжатия на внешней поверхности трубы осуществляют охлаждение внутренней поверхности. Для создания таких напряжений на внутренней поверхности охлаждение ведут со стороны внешней поверхности.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в том, что предлагаемые режимы термообработки позволяют достичь необходимых температурных перепадов и соответствующих пластических деформаций в микрообластях по толщине стенок трубы. При этом происходит одновременная оптимизация остаточных напряжений тангенциального и продольного направления, повышается однородность картины распределения остаточных напряжений по поверхности и толщине стенок, на поверхности труб ликвидируются остаточные растягивающие напряжения и заменяются остаточными сжимающими напряжениями. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что предлагаемый способ позволяет получить на наружной и внутренней поверхностях на глубине 0,3-1,0 мм сжимающие напряжения от 50 до 390 МПа. Благодаря всему вышеуказанному снижается неравномерность скоростей коррозионно-механического разрушения и значительно повышается предел длительной коррозионной прочности трубной продукции.

При этом, поскольку максимальная температура нагрева не превышает температуру предшествующего отпуска, то обеспечивается сохранение основных механических свойств. Увеличение плотности тока свыше 15 А/мм² нецелесообразно с точки зрения энергозатрат при термообработке труб нефтяного сортамента, имеющих фиксированные длину и площадь сечения. Увеличение времени выдержки свыше 20 минут не приводит к существенному возрастанию сжимающих напряжений, но увеличивает энергозатраты. При осуществлении охлаждения со скоростью менее 75°С/сек уровень остаточных напряжений изменяется недостаточно и не дает существенного улучшения эксплуатационных свойств труб. Увеличение скорости охлаждения выше 100°С/сек не приводит к значительному увеличению уровня остаточных сжимающих напряжений, но может привести к короблению и разрушению труб.

Предлагаемый способ может быть проиллюстрирован следующим примером. Насосно-компрессорную трубу (ГОСТ 633-80) диаметром 73 мм, толщиной стенки 5,5 мм, длиной 10000 мм из стали марки 23Г2А нагревали путем пропускания электрического тока плотностью 15 А/мм². Нагрев трубы контролировали пирометром. Охлаждение водой осуществляли через перфорированную штангу, вставленную внутрь трубы по всей длине. Контроль остаточных напряжений проводили с помощью ИВК «Ситон», который позволяет электроконтактным неразрушающим методом осуществлять измерение остаточных напряжений в поверхностном слое изделий из токопроводящих металлов и сплавов. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице. При этом, поскольку максимальная температура нагрева не превышала температуру предшествующего отпуска, обеспечивалось сохранение основных механических характеристик изделий: δ до обработки составляло 13,51%, после обработки - 14,1%; σ_0,2 до обработки - 726 МПа, после обработки - 732 МПа; σ_В до обработки - 828 МПа, после обработки - 835 МПа. Полученные результаты (табл.) также подтверждают, что охлаждение со скоростью ниже 75°C/сек (варианты 1, 2) снижает уровень остаточных напряжений, однако величина изменения напряжений недостаточна для существенного изменения эксплуатационных свойств труб. Увеличение скорости охлаждения внутренней поверхности до 75-100°С/сек позволило получить снижение напряжений на внешней поверхности на 150-200 МПа без существенного изменения напряжений на внутренней поверхности. Таким образом, при использовании предложенных режимов термообработки труб возникают возможности управления остаточными напряжениями на одной из поверхностей трубы и создания необходимого уровня остаточных сжимающих напряжений и их оптимального распределения по сечению трубы, отвечающих условиям ее эксплуатации.

№	Температура нагрева, °С	Время выдержки, мин	Скорость охлаждения, °С/сек	Остаточные напряжения, МПа
Наружная поверхность	Внутренняя поверхность
До обработки	После обработки	До обработки	После обработки
1	500	5	10 (воздух с наруж. поверх.)	- 180	- 235	175	230
2	600	5	10 (воздух с наруж. поверх.)	- 170	- 250	160	18
3	550-600	5	75 (вода внутрь)	- 170	- 280	65	50
4	550-600	5	75 (вода внутрь)	- 170	- 320	65	95
5	550-600	5	100 (вода внутрь)	- 170	- 370	65	120
6	550-600	5	100 (вода внутрь)	- 170	- 320	65	240
7	600	7	85 (вода)	- 60	- 365
8	600	20	85 (вода)	- 60	- 395

1. Способ термической обработки труб, включающий нагрев трубы путем пропускания тока высокой плотности и охлаждение поверхностей охлаждающим агентом, отличающийся тем, что трубу нагревают током плотностью до 15 А/мм² до температуры, не превышающей Ac₁, выдерживают при этой температуре не более 20 мин, а затем осуществляют охлаждение со скоростью 75-100°С/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют охлаждение внутренней поверхности трубы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют охлаждение наружной поверхности трубы.