Повышение технологических и эксплуатационных свойств высокопрочных трубных сталей за счет рационального легирования и микролегирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Софрыгина, Ольга Андреевна

• Софрыгина, Ольга Андреевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Софрыгина, Ольга Андреевна

Введение.

1. Аналитический обзор.

1.1 Влияние химического состава на устойчивость переохлажденного аустенита среднеуглеродистой стали.

1.1.1 Влияние основных легирующих элементов.

1.1.2 Роль микролегирующих элементов.

1.1.3 Особенности микролегирования бором.

1.2 Влияние химического состава на закономерности отпуска закаленной среднеуглеродистой стали.

1.2.1 Влияние карбидообразующих легирующих элементов.

1.2.2 Особенности микролегирования бором и отпускная хрупкость.

1.3 Упрочнение нарезных труб нефтяного сортамента по средствам закалки с отпуском.

1.3.1 Особенности термической обработки труб.

1.3.2 Влияние химического состава и структуры металла на комплекс механических и эксплуатационных свойств.

1.4 Постановка задачи исследования.

2. Материалы и методики исследования.

2.1 Материалы и технология обработки.

2.2 Методики эксперимента.

3. Исследование хромомарганцевых марок стали с различной системой легирования и микролегирования в закаленном состоянии.

3.1 Оценка устойчивости переохлажденного аустенита и прокаливаемости в лабораторных условиях.

3.2 Изучение особенностей охлаждения труб в спрейере и анализ полученных результатов.

3.3 Исследование микроструктуры борсодержащих марок стали в закаленном состоянии.

4. Исследование хромомарганцевых марок стали с различной системой легирования и микролегирования после закалки с отпуском.

4.1 Анализ механических свойств в зависимости от температурно-временных параметров нагрева при отпуске.

4.2 Оценка хладостойкости и склонности к отпускной хрупкости.

4.3 Кинетика отпускной хрупкости.

4.4 Исследование влияния смешанных структур на хладостойкость и склонность к отпускной хрупкости.

4.4.1 Особенности межкритической закалки с отпуском.

4.4.2 Особенности изотермической закалки с отпуском.

5. Исследование механических свойств борсодержащих марок стали в трубах после термической обработки в промышленных условиях.

5.1 Отработка технологии термической обработки труб и анализ механических свойств.

5.2 Изготовление опытно-промышленных партий и разработка рекомендаций к производству труб нефтяного сортамента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение технологических и эксплуатационных свойств высокопрочных трубных сталей за счет рационального легирования и микролегирования»

В производстве бесшовных труб нефтяного сортамента для обеспечения прочности и повышенной эксплуатационной надежности при воздействии низких температур и коррозионно-активных сред применяются хромомарганцевые марки стали с легирующими добавками молибдена 0,30.0,65 %, упрочняемые закалкой с отпуском. Легирование молибденом обеспечивает высокую устойчивость переохлажденного аустенита, формирование при закалке преимущественно мартенситной структуры в широком диапазоне скоростей охлаждения и высокую ударную вязкость при последующем отпуске, но при этом легирование молибденом ведет к увеличению стоимости материала.

С целью повышения конкурентоспособности продукции актуальна разработка альтернативных, экономически эффективных систем легирования и микролегирования, в том числе бором, хромомарганцевых марок стали, их научное обоснование и оценка возможности обеспечения специальных свойств в условиях современного производства труб.

За счет того, что бор значительно повышает прокаливаемость стали, концепция микролегирования бором широко применяется в машиностроении при производстве крупногабаритных изделий из среднеуглеродистых хромомарганцевых марок стали, обеспечивая при этом снижение содержания дорогостоящих легирующих элементов в стали, в том числе молибдена. В производстве труб микролегирование бором применяется ограничено ввиду жесткой регламентации технологии выплавки борсодержащей стали (микролегирование 0,001 .0,005 % В) и неоднозначного влияния бора на ударную вязкость и хладостойкость.

При разработке альтернативных систем легирования и микролегирования, в том числе бором, хромомарганцевых марок стали взамен дорогостоящего легирования молибденом применительно к производству бесшовных труб нефтяного сортамента требуется комплексное исследование: кинетики распада переохлажденного аустенита, характеристик прокаливаемости, микроструктуры и механических свойств, в том числе хладостойкости, после закалки и отпуска.

Современные технологии обеспечивают массовое производство стали высокого качества, в первую очередь, низкое содержание вредных примесей (Р < 0,015 %, 8 < 0,010 %). В литературе отсутствуют данные о проведении исследований проявления обратимой отпускной хрупкости в хромомарганцевых марках стали с низким содержанием фосфора, упрочняемых закалкой с отпуском в условиях современного производства труб. Однако ввиду ужесточения условий эксплуатации труб нефтяного сортамента представляет интерес изучить особенности возможного проявления обратимой отпускной хрупкости в хромомарганцевых марках стали с различными системами легирования и микролегирования для гарантированного обеспечения высокой надежности при воздействии низких температур.

Автор признателен научному руководителю профессору, д.т.н. Пышминцеву Игорю Юрьевичу, к.т.н. Хадыеву Мансуру Сабировичу, коллективам металловедов - термистов ОАО «РосНИТИ» и центральной заводской лаборатории ОАО «СинТЗ» под руководством Мальцевой Анны Николаевны и к.т.н. Жуковой Светланы Юльевны за помощь в проведение исследований.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Софрыгина, Ольга Андреевна

Выводы:

1. По результатам промышленного опробования борсодержащих марок стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА при изготовлении труб с толщиной стенки от 5,5 до 22,5 мм, упрочняемых закалкой с отпуском, установлено, что:

1.1 Уровень механических свойств (ов, ат, 8) удовлетворяет требованиям групп прочности Е (N80 ranQ), J1 (С95), М (Р110), Q125, Р (Q135) по ГОСТ 632, ГОСТ 633, ГОСТ Р 53366, API 5СТ, ISO 11960: 2004.

1.2 Значения работы удара при температуре испытания 0 °С согласно API 5СТ, ISO 11960: 2004, ГОСТ Р 53366 удовлетворяют требованиям для всех групп прочности от N80 ranQ до Q135 на марках стали с легирующими добавками молибдена 0,16 % 32ХГМРА, 32ХГМФРА в трубах с толщиной стенки до 22,5 мм и на марках стали 32ХБРА, 32ХФРА в трубах размерами 73х5,5 мм, 73x9,2 мм. Для марок стали 32ХБРА, 32ХФРА с увеличением толщины стенки труб до 13 мм выявлено снижение значений работы удара ниже нормы 41 Дж.

1.3 Значения ударной вязкости при температуре испытания минус 60 °С согласно требованиям к хладостойкости на марках стали с легирующими добавками молибдена 0,16 % 32ХГМРА, 32ХГМФРА достигнуты в трубах с толщиной стенки до 22,5 мм групп прочности М (Р110), Л (С95), Е (N80 ranQ) и на марках стали 32ХБРА, 32ХФРА достигнуты в трубах размером 73x5,5 мм групп прочности Л (С95), Е (N80 ranQ). С увеличением толщины стенки значения ударной вязкости снижаются и для марок стали с легирующими добавками молибдена 0,16 % 32ХГМРА, 32ХГМФРА в трубах размерами 132,1х 19 мм, 159x22,5 мм групп прочности М (Р110) выполнение требований к хладостойкости критично.

2. В промышленных условиях проведен эксперимент по схеме двойной закалки с отпуском и прерывистой закалки с отпуском на «толстостенных» трубах, на которых обнаружено проявление отпускной хрупкости: 89х 13 мм для марок стали 32ХБРА, 32ХФРА и 132,1x19 мм, 159x22,5 мм для марок стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА. Ударная вязкость при температуре испытания минус 60 °С согласно требованиям к хладостойкости в «толстостенных» трубах достигнута на марках стали 32ХБРА, 32ХФРА, 32ХГМРА, 32ХГМФРА для групп прочности M (PI 10) после термической обработки по схемам двойной закалки с отпуском и прерывистой закалки с отпуском. Данные схемы термической обработки легко реализуемы в условиях действующей организации участков термической обработки на СинТЗ.

3. Борсодержащие марки стали рекомендованы к производству бесшовных труб нефтяного сортамента:

- из марок стали 32ХБРА, 32ХФРА с толщиной стенки до 20 мм с гарантированным выполнением требований для групп прочности Е, Л, M в обычном исполнении;

- из марок стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА с легирующими добавками молибдена 0,16 % во всем диапазоне толщин стенок (до 30 мм) с гарантированным выполнением требований для групп прочности Е (N80 tmiQ), Л (С95), M (PI 10), Q125, Р (Q135) в обычном исполнении и хладостойком исполнении до групп прочности M (PI 10), в том числе всего сортамента бурильных труб групп прочности Е, Л (X), M (G), Р (S).

Внедрение борсодержащих марок стали позволит сократить марочный состав, поскольку достигается выполнение требований для всех групп прочности и толщин стенок труб и снизить себестоимость продукции за счет снижения или исключения легирования дорогостоящим молибденом.

4. Борсодержащие марки стали 32ХГМРА, 32ХГМФРА выдержали испытания на стойкости против сульфидного коррозионного разрушения по стандарту NACE ТМ 0177-2005 в течение 720 часов без разрушения под напряжением, равном 80 % от минимального гарантируемого предела текучести для групп прочности С90, Т95 по API 5СТ в трубах размером 89х 13 мм.

Заключение

Настоящим гсл'мгр'Адаси что образцы, изготовленные из гроката для муфт размерам из спгапк 32.КГМРА (N1 пгшаи ЗМбТТ', № сфазчз 53-7, состиекпйую! тре&эмниям АР( 5СТ РбЫ ло гюказатепрм стойхости к супьегдидиу кяррезтени-оиу кастрсс-швзнкю гкд нагорье че-ем дяв фунль» 112<;1<-т£Г<;| Т&5

Начальник сектора х.оррозионных исследований N испытаний Л ч у *

Костицына И. В. г,7$гьчлхммчны.', испытаний № '-ГвЗет1; 12 ¿910

071Р 2 |Л> ?

Потери в связи с переходом на марки стали с дополнительным легированием и микролегированием при изготовлении бесшовных труб нефтяного сортамента взамен марке стали 32ХГ и объемы производства в 2011 году

Сортамент труб Марка стали (система дополнительного легирования) Увеличение стоимости трубной заготовки при введении дополнительного легирования Объемы производства труб в 2011 г, тн.

Толщина стенки, мм Группа прочности 16 Е (N80 THnQ), J1 (С95) 32ХГ -

16,1 - 18 < 18 Е (N80 thiiQ), Л (С95) М(Р110) ЗОХМА (0,15-0,25 % Мо) 23,8 % 13702,44

18,1-25 <25 Е (N80 ranQ), Л (С95), М (Р110) Q125, Р (Q135) 32ХГМА (0,30-0,40 % Мо) 47,7 % 5757,171

25 Е (N80 thhQ), Л (С95), М (Р110), Q125, Р (Q135) 32ХМА-3 (0,50-0,65 % Мо, 0,30-0,40 % N0 56,8 % 52,42

20 Е, Л, М 32ХБРА (0,05-0,08 % N5, 0,002-0,004 % В) 4,4 % весь размерный ряд Е (N80 THnQ), Л (С95), М (PI 10), Q125, Р (Q135) 32ХГМРА (0,15-0,20 % Мо, 0,002-0,004 % В) 11,1 %

1. Расчет ожидаемого годового экономического эффекта от применения марки стали 32ХГМРА вместо 32ХГМА при изготовлении бурильных труб.

JVs п.п. Размер груб Группа прочности Объем продукции, выпушенной в 201 li., тн Сквозной расходный коэф-т Цена заготовки м/ст 32ХГМА (ОАО "ВТЗ" в мае 2012г.), руб./тн Цена заготовки м/ст 32ХГМРА (ОАО "ВТЗ" в мае 2012г.), руб./тн Экономическ ий эффект ("-" экономия, "+" убыток), руб.

1 2 3 4 5 6 7 8=Р-б)*4*5

1 73x9,19 Л 1,669 1.1680 34 871 29 092 -11 265

2 89x8 Е 4,838 1,1322 34 871 29 092 -31 656

3 89x9,35 л 43,048 1,1599 34 871 29 092 -288 548

4 89x8 Л 1 613,254 1,1322 34 871 29 092 -10 555 840

5 89x8 M 397,471 1,1322 34 871 29 092 -2 600 731 б 60x7 M 44,988 1,1478 34 871 29 092 -298 402

7 89x9 Л 238,239 1.1270 34 871 29 092 -1 551 641

8 89x9 M 1 038.548 1.1270 34 871 29 092 -6 764 020

9 89x9,4 Л 30,406 1.1599 34 871 29 092 -203 810

10 89x9,4 M 1 138.807 1,1599 34 871 29 092 -7 633 354

11 89x11 M 39,043 1,1270 34 871 29 092 -254 285

12 102x8 M 464,521 1,1158 34 871 29 092 -2 995 415

13 73,02x9,19 G 11,085 1,1680 34 871 29 092 -74 821

14 89x9,35 G 14,684 1,1599 34 871 29 092 -98 426

15 89x9,35 S 19,226 1,1599 34 871 29 092 -128 871

Итого 5 099,827 -33 491 085

2. Расчет ожидаемого годового экономического эффекта о г применения марки стали 32ХГМРА вместо 32ХМА-3 при изготовлении бурильных труб.

N» п.п. Размер груб Группа прочности Объем продукции, выпушенной в 2011г., тн Сквозной расходный коэф-т Цена заготовки м/ст 32ХМА-3 (ОАО "ВТЗ" в мае 2012г.), руб./тн Цена заготовки м/ст 32ХГМРА (ОАО "ВТЗ" в мае 2012г.), руб./тн Экономнческ ий эффект ("-" экономия, "+" убыток), руб.

1 2 3 4 5 6 7 8~(7-6)*4*5

1 73x6,5 Л 3,007 1,1554 38 240 29 092 -31 784

2 73x9 Л 0.769 1,1680 38 240 29 092 -8 216

3 73x9,2 Л 14,699 1.1680 38 240 29 092 -157 053

4 89x9,4 Е 9,820 1,1898 38 240 29 092 -106 888

5 89x9,4 M 5,387 1,1599 38 240 29 092 -57 159

6 89x9,35 S 15,914 1,1599 38 240 29 092 -168 857

Итого 49,596 -529 957

Общий итог 5 149,423 -34 021 042 0

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «СИНАРСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД» г. Каменск-Уральский

ВЫПИСКА из РАСПОРЯЖЕНИЯ № 497 от 18.05.2012г о расширении области применения экономнолегированных сталей

3 По марке стали 32ХГМРА взамен 32ХГМА, 32ХМА-3: 3.1 начальнику ЦЗЛ Тихонцевой Н.Т.:

3.1.1 внести изменения в ТК 161-0-04 по применению марки стали 32ХГМРА совместно с марками стали 32ХГМА, 32ХМА-3 при производстве бурильных труб;

3.1.2 разработать технологический регламент (ТР) на производство бурильных труб из марки стали 32ХГМРА;

3.1,3 направить запрос в ОАО «СТЗ» по проработке возможности изготовления марки стали 32ХГМРА, в случае положительного ответа, разработать и согласовать техническое соглашение (ТС) на поставку трубной заготовки;

3.2 начальнику ПРО Суворову H.A. обеспечить выполнение текущих заказов на бурильные трубы в максимально возможном объеме из марки 32ХГМРА производства ОАО «ВТЗ» с учетом поставки (наличия) заготовки и возможности обеспечения поставщиками требуемых длин,

31.05.2012

31.05.2012

31.05.2012 ладный инженер Директор по производству

Ю.В. Бодров

Д.В. Овчинников

РАСПОРЯЖЕНИЕ ГОТОВИЛ Начальник административного отдела s-tf™ ,