Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб (варианты)

Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение предназначено для трубного производства для локальной термической обработки методом индукционного нагрева зоны сварного соединения бурильных труб с замками. Преимущественно - при изготовлении бурильных труб из легированных марок стали с требованиями к работе удара сварного соединения.

Известен способ термической обработки сварного соединения бурильных труб с 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 температуры 880-900°C и охлаждают с двух сторон, отпуск при температуре 650-680°C проводят в таких же установках (Блинов Ю.И., Усов В.А., Поповцев Ю.А. и др. Применение водовоздушного охлаждения для закалки сварного соединения бурильных труб. // Сталь, 1989, №3, с.78-81).

Недостатком указанного способа является то, что данный способ термической обработки позволяет получить зону сварки, равнопрочную с телом трубы и замка и соответствующую группам прочности Е и Л, но при этом не обеспечивает достижения требуемых значений работы удара сварного соединения (не менее 16 Дж).

Известен способ термической обработки (нормализация) в индукторе с нагревом 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).

Недостатком указанного способа является то, что при проведении традиционно применяемого режима нормализации при температурах 880-940°C с отпуском или без отпуска сварного соединения труб из углеродистых и низколегированных сталей замка при одинаковых скоростях охлаждения на воздухе образуются разные продукты распада: со стороны трубы формируется феррито-перлитная структура, со стороны замка преимущественно бейнитная структура с участками феррито-перлитной составляющей, что не обеспечивает получение равнопрочности зоны сварки с телом трубы и замка.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату к заявляемому способу термической обработки сварных соединений выбран способ, используемый в ОАО «СинТЗ» в соответствии с технологической инструкцией ТИ 161-Т2-1538 «Термическая обработка зоны сварного соединения бурильных труб», применяемой при термической обработке сварных соединений бурильных труб с замками.

В соответствии со способом по ТИ 161-Т2-1538 после приварки замков из стали 40ХМФА к трубам из хромомарганцевых марок стали зону сварного соединения подвергают термической обработке в последовательно расположенных индукционных установках ИНН-100/24 по следующей схеме:

1. Нагрев в камере индукционного нагрева под нормализацию до температуры 940-960°C,

2. Охлаждение в камере спрейеров с двух сторон сжатым воздухом с температуры 600-750°C до температуры 50-120°C или на спокойном воздухе до цеховой температуры (20-30°C).

3. Отпуск в камере индукционного нагрева.

Недостатком указанного способа является то, что при выполнении прочностных свойств на сварном соединении не обеспечивается гарантированное выполнение требований к работе удара при комнатной температуре испытания (не менее 16 Дж), а также не позволяет достичь требуемую работу удара при снижении температуры испытания до минус 20°C (не менее 42 Дж). Кроме того, температура нагрева под аустенитизацию 940-960°C не является универсальной для всего ряда конструкционных сталей и может привести к перегреву, что ведет к формированию крупных зерен аустенита и, как следствие, охрупчиванию металла в зоне сварного соединения.

Задачей, решаемой предложенными вариантами изобретения, является повышение уровня вязкопластических свойств для соответствия нормативным документам, предъявляющим требования к работе удара сварного соединения, обеспечение эксплуатационной надежности металла в зоне сварного соединения бурильных труб с приварными трением замками в соответствии с требованиями для групп прочности Д, Е, Л, М, Р по отечественным нормативным документам (E, X, G, S по международному стандарту API 5Spec DP/ISO 11961) путем локальной термической обработки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе (по первому варианту) термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб с замками, включающем нагрев под аустенизацию, охлаждение, отпуск, нагрев под аустенизацию осуществляют до температуры Ас₃+(70…120)°C, отпуск проводят в диапазоне температур Ас₁ - 80°C. В способе (по второму варианту) термическая обработка зоны сварного соединения бурильных труб с замками, включает нагрев под аустенизацию до температуры Ас₃+(70…120)°C, охлаждение, дополнительный нагрев в межкритическом интервале температур Ас₁+(20…80)°C и отпуск при температуре не более Ас₁.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение уровня работы удара с получением стабильных значений не менее 16 Дж и при пониженной температуре испытания минус 20°C не менее 42 Дж с целью увеличения эксплуатационной надежности и конструкционного ресурса сварных соединений бурильных труб.

Температурные режимы термической обработки определены в указанных диапазонах, чтобы в зоне сварки обеспечить получение однородной равномерной мелкозернистой структуры, состоящей из феррита и отпущенного мартенсита, так как после сварки структура сварного соединения характеризуется значительной неоднородностью, заключающейся в наличии тонкой мелкозернистой прослойки в зоне стыка и прилегающей к ней крупнозернистой области, в которой размер зерна вследствие протекания процессов вторичной рекристаллизации возрастает в 3-5 раз. Проведенные эксперименты показали, что для получения после термической обработки однородной мелкозернистой структуры:

- температура нагрева под аустенизацию должна составлять Ас₃+(70…120)°C. Процессы образования аустенита при высокоскоростном индукционном нагреве смещаются в область более высоких температур, что обусловлено их диффузионным механизмом превращения. Следовательно, при более низких температурах нагрева в структуре сварного соединения сохраняется ферритная оторочка по границам исходного крупного зерна аустенита, а в случае значительного перегрева возможен повторный рост зерна аустенита.

- отпуск после аустенизации в интервале Ас₁ - 80°C оказывает следующий эффект: разупрочнение с получением структуры сорбита с глобулярной формой карбидной фазы.

- температура нагрева в межкритическом интервале Ас₁+(20…80)°C позволяет получить эффект разупрочнения с получением структуры сорбита с глобулярной формой карбидной фазы и измельчения зерен структуры за счет образования новых равномерно расположенных равноосных зерен феррита размером до 10 мкм (Рис.1).

Таким образом, повышение комплекса вязкопластических свойств сварного соединения определяется следующими факторами:

- измельчением зерна;

- глобулярной формой карбидной фазы.

Способ по первому варианту осуществляется следующим образом:

1. Зону сварного соединения трубы с замком локально нагревают в камере индукционного нагрева под аустенитизацию до температуры Ас₃+(70…120)°C.

2. Проводят охлаждение зоны сварного соединения трубы с замком до температуры не более 280°C.

3. Проводят отпуск в камере индукционного нагрева в диапазоне температур Ас₁ - 80°C.

Способ по второму варианту осуществляется следующим образом:

1. Зону сварного соединения трубы с замком локально нагревают в камере индукционного нагрева под аустенитизацию до температуры Ас₃+(70…120)°C.

2. Проводят охлаждение зоны сварного соединения трубы с замком до температуры не более 280°C.

3. Зону сварного соединения нагревают в камере индукционного нагрева в межкритическом интервале температур Ac₁+(20…80)°C.

4. Проводят отпуск в камере индукционного нагрева.

Пример конкретного осуществления.

Предлагаемый способ (по первому варианту) локальной термической обработки сварных соединений бурильных труб был применен при изготовлении промышленных партий размером 88,9×9,35 мм группы прочности G по API 5Spec DP/ISO 11961 из хромомарганцевых сталей марок 30ХМА для труб и марки 40ХМФА для замков на бурильном участке цеха Т-2 ОАО «СинТЗ». Для этого по существующей схеме термической обработки (взятой за прототип) температура нагрева под аустенитизацию составила 910°C (Ac₃+90°C) и отпуск 740°C.

Предлагаемый способ (по второму варианту) локальной термической обработки сварных соединений бурильных труб был применен при изготовлении промышленных партий размером 88,9×9,35 мм группы прочности S по API 5Spec DP/ISO 11961 из хромомарганцевых сталей марок 32ХГМА для труб и марки 40ХМФА для замков на бурильном участке цеха Т-2 ОАО «СинТЗ». Для этого в существующую схему термической обработки (взятой за прототип) после охлаждения с температуры аустенитизации 900°C (Ac₃+90°C) введен нагрев 780°C в межкритическом интервале температур (Ac₁+50°C).

Сравнительные данные приведены в таблице 1. Как видно из данных, значения работы удара при стандартизированных температурах испытания 21°C и минус 20°C соответствуют API 5Spec DP/ISO и имеют достаточно высокий уровень 49-94 Дж при температуре 21°C и 58-65 Дж при температуре минус 20°C относительно минимально установленных норм не менее 16 Дж и 42 Дж соответственно.

1. Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб с замками, включающий нагрев под аустенизацию, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что нагрев под аустенизацию осуществляют до температуры Ac₃+(70÷120)°C, а отпуск проводят в диапазоне температур Ac₁÷80°C.

2. Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб с замками, включающий нагрев под аустенизацию, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что нагрев под аустенизацию осуществляют до температуры Ac₃+(70÷120)°C, а перед отпуском проводят дополнительный нагрев в межкритическом интервале температур Ac₁+(20÷80)°C.