Разработка химических составов и режимов термической обработки высокопрочных труб в сероводородостойком исполнении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Тихонцева, Надежда Тахировна

• Тихонцева, Надежда Тахировна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тихонцева, Надежда Тахировна

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Изготовление бесшовных труб

1.1.1 Производство трубной заготовки

1.1.2 Прокат труб

1.1.3 Термическая обработка труб

1.2 Высокопрочные трубы в сероводородостойком исполнении

1.3 Карбонитридные фазы и их влияние на свойства и структуру сталей

1.3.1 Свойства карбонитридных фаз

1.3.2 Выделение дисперсных фаз при отпуске мартенсита

1.4 Образование аустенита при нагреве

1.5 Мартенситное и бейнитное превращения

1.6 Прокаливаемость стали

1.7 Отпуск стали

1.8 Применение рентгеноструктурного анализа для исследования тонкой структуры металлов

1.9 Механизм коррозионного растрескивания стали в сероводородсодержащих средах

1.9.1 Факторы влияющие на коррозионное растрескивание в среде сероводорода

1.9.2 Стадийность накопления водородной повреждаемости сталей, содержащих неметаллические включения

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материал и режимы обработки

2.2 Методики испытаний

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ 73 3.1 Металлургическое качество

3.2 Рост аустенитного зерна

3.3 Анализ кривых прокаливаемости

3.4 Микроструктура трубной заготовки 82 Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРУБ

4.1 Термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита

4.2 Исследование микроструктуры и механических свойств труб после различных переделов

4.2.1 Горячедеформированное состояние

4.2.2 Закаленное состояние

4.2.3 После термоулучшения 100 Выводы

5 ИЗУЧЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТРУБ 126 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка химических составов и режимов термической обработки высокопрочных труб в сероводородостойком исполнении»

ОАО "Синарский трубный завод" выходит на мировой уровень, успешно осваивая крупносерийное производство бесшовных труб по стандартам API 5СТ, API 5L, API 5D, DIN, DIN EN, ASTM, а также по отечественным техническим условиям как в обычном, так и в хладо- и коррозионностойком исполнениях. В последние годы наряду с необходимостью удовлетворения потребности внутреннего рынка наблюдается рост экспортных поставок.

Достижение требуемых параметров, в частности, при производстве труб повышенной сероводородостойкости требует постоянного поиска путей оптимизации химического состава стали и технологии обработки [1].

В настоящее время на предприятиях нефтяного комплекса велика потребность в высокопрочных сероводородостойких трубах. Это связано с освоением новых месторождений, среды которых содержат значительное количество сероводорода, а также с необходимостью добычи нефти на поздних стадиях разработки месторождений, когда нефть отличается высокой степенью обводненности и насыщена сероводородом.

Российские трубные предприятия начали освоение производства данного вида труб сравнительно недавно и нефтедобывающие предприятия в основном приобретают указанную продукцию зарубежом. Отсюда вытекает актуальность представленной работы и востребованность ее результатов как для производителей труб, так и для их потребителей в общероссийском масштабе.

Целью данной диссертационной работы явилась разработка составов и технологии термической обработки труб и муфтовой заготовки групп прочности L80 и С90 по API 5СТ/ ISO 11960 с дополнительными требованиями по стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением.

Исходя из поставленной цели, в работе решались следующие задачи;

1. Исследовать однородность структуры непрырывно-литой заготовки, устойчивость переохлажденного аустенита, склонность к росту аустенитного зерна металла заготовки для производства данного вида труб.

2. Изучить микроструктуру и механические свойства труб после различных переделов: горячего проката, закалки и отпуска при различных температурах.

3. Провести испытания образцов, вырезанных из труб и муфтовой заготовки, на стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением и выделить основные факторы, ответственные за коррозионную стойкость труб в сероводородсодержащих средах.

4. Разработать рекомендации по серийному выпуску на ОАО «СинТЗ» труб нефтяного сортамента с повышенным уровнем механических свойств в сероводородостойком исполнении.

Научная новизна

1. Для вновь разработанных сталей типа 26ХМФА с содержанием Мо от 0,17 до 0,53%, как и для стали 32ХМА, построены диаграммы распада переохлажденного аустенита, определены критические точки, критические скорости закалки, оценена склонность к росту аустенитного зерна при нагреве.

2. Выявлены характеристики микроструктуры и уровень микроискажений в исследованных сталях после высокотемпературного отпуска и влияния на них содержания молибдена.

3. Установлены корреляционные связи между механическими свойствами и параметрами структуры труб из исследованных сталей после термоулучшения.

4. Получена совокупность данных по влиянию однородности структуры и уровня микроискажений на стойкость труб к сульфидному растрескиванию под напряжением.

5. Представлены новые экспериментальные результаты по возрастанию плотности дислокаций и величины микроискажений в сталях в ходе коррозионного воздействия под напряжением и предложена их интерпретация.

Практическая значимость работы

На основе результатов проведенных исследований разработана и внедрена в производство технология изготовления труб и муфт к ним повышенных групп прочности (Ь80 и С90) с толщиной стенки от 5,5 до 21 мм . По результатам испытаний в ООО "ВНИИГАЗ" трубы аттестованы на соответствие сероводородостойкому исполнению. На ОАО «СинТЗ» выпущена промышленная партия (300,6 т) насосно-компрессорных труб группы прочности С90 по API 5СТ, химический состав и технология изготовления которых соответствуют разработанным в диссертации рекомендациям. С учетом накопленного положительного опыта приняты заказы на изготовление труб в сероводородостойком исполнении, которые будут выполнены в ближайшее время. Акт о внедрении в производство результатов работы приведен в приложении.

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов Уральского государственного технического университета -УПИ и в ОАО «СинТЗ».

Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых специалистов на ОАО «СинТЗ» ( Каменск-Уральский, 2003); XVII уральской школе металловедов-термистов ( Киров, 2004); XIII Международной научно-практической конференции «Трубы-2005» ( Челябинск, 2005); II международной школе «Физическое материаловедение» ; XVIII Уральской школе металловедов термистов «Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов» ( Тольятти, 2006г.); V конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России ( Королев, 2006), XVI Международной научно-практической конференции «Трубы-2007» (Челябинск, 2007).

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю профессору кафедры ТО и ФМ доктору технических наук Фарберу В.М. за становление автора, как специалиста, за помощь в постановке задач исследований и обсуждении их результатов, сотрудникам кафедры «Термической обработки и физики металлов» УГТУ-УПИ за содействие в работе. Также выражаю благодарность генеральному директору ОАО «РосНИТИ», доктору технических наук Пышминцеву И.Ю., директору филиала ОАО «РосНИТИ» в г.

Екатеринбурге, кандидату технических наук Веселову И.Н., доценту кафедры «Термической обработки и физики металлов», кандидату технических наук Хотинову В.А. за помощь в проведении ряда экспериментов. Считаю своим долгом выразить глубокую признательность коллективу центральной заводской лаборатории ОАО «СинТЗ», в особенности, начальнику Горожанину П.Ю., заместителю начальника по новым видам продукции Лефлеру М.Н., начальнику лаборатории металловедения и термической обработки, кандидату технических наук Жуковой С.Ю. за постоянную поддержку и помощь на всех этапах проведения данной работы.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Тихонцева, Надежда Тахировна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследование трубных заготовок из вновь разработанных сталей типа 26ХМФА с содержанием Мо 0,17, 0,27 и 0,53%, а также стали 32ХМА с 0,50-0,65% молибдена показало, что они обладают необходимой для сероводородостойкого исполнения металлургической чистотой (пониженным содержанием цветных металлов As, Pb, Sn, серы (0,006%) и фосфора (0,010%), газов и неметаллических включений). Стали, являясь природномелкозернистыми, имеют устойчивость переохлажденного аустенита, достаточную для образования при закалке в специальной спрейерной установке 90% мартенсита в трубах с толщиной стенки не более 14 мм из стали 26ХМФА с 0,17% Мо и трубах с толщиной стенки до 21 мм включительно из аналогичной стали с 0,53% Мо.

2. Наилучшая конструктивная прочность (ав=700-800 МПа, ат= 600700 МПа, KCV"60=250-275 Дж/см2 , б5~30%, вязкая составляющая в изломе более 87%) достигается при отпуске на 700°С (параметре отпуска 19,6). Трубы из сталей типа 26ХМФА имеют конструктивную прочность, превышающую таковую для стали 32ХМА. При высокотемпературном отпуске сталей (ТотП=7000С, тотп =70 мин) на смену реечному строению приходит субзеренная структура почти на 100% в стали типа 26ХМФА, и лишь на ~ 50% в стали 32ХМА. Остаточные микронапряжения полностью снимаются во всех изученных сталях.

3. Широкая гамма механических свойств, которые имеют изученные стали в термоулучшенном состоянии, позволяет изготавливать из них трубы различных групп прочности по ГОСТ 633(632)-80, API 5СТ и нормативным документам на хладостойкие трубы. Для производства труб в сероводородостойком исполнении группы прочности Е (L80) с толщиной стенки 10,54 мм включительно рекомендована сталь 26ХМФА с 0,27% Мо

Т отп=700°С, ТОтп=90 мин), для группы прочности Л (С90) и муфтовой заготовки групп прочности Е (L80) и Л (С90) с толщиной стенки 21,0 мм включительно - сталь 26ХМФА с 0,53%Мо (Т ОТП=700°С, тотп=90 мин для Л(С90), Т отп=710°С, хотп=180 мин).

4. Установлено, что образцы сталей типа 26ХМФА, вырезанные из труб и муфтовой заготовки, выдерживают испытания на стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением по методу A NACE ТМ 01 -77 (96) в случае, когда в них после высокотемпературного отпуска отсутствуют внутренние микронапряжения и формируется достаточно однородная субзеренная структура.

5. В соответствии с разработанными в диссертации рекомендациями по химическому составу и режимам термообработки на ОАО «СинТЗ» выпущена промышленная партия (300,6 т) насосно-компрессорных труб группы прочности С90 по API 5 СТ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тихонцева, Надежда Тахировна, 2007 год

1. Пумпянский Д. А. Состояние и перспективы развития трубного производства в России // Достижения в теории и практике трубного производства: сб. научных тр. — Екатеринбург: УГТУ УПИ, 2004. —523 е., с. 17-202. www. ntmk. ru, Нижний Тагил, 2007 г.

2. Материалы международной конференции Niobium Information-2004. Ссовременная технология производства стали. Москва, 2004.

3. ТИ 161-Т2-1542-2007 Прокат труб на ТПА-140. Каменск-Уральский, 2007. 26 с.

4. Данченко В.Н. Технология трубного производства. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 640 с.

5. ТИ 161-Т4-1829-2007 Термическая обработка труб нефтяного сортамента в цехе Т-4. Каменск-Уральский, 2007. 41 с.

6. Specification for Restricted lend Strength Casing and Tubing// API 5AC , March 1980.12р.

7. Sumitomo Oil Cjuntiy Tubular Goods//№l 1621, April, 1983.-20p.

8. Трубные изделия для нефтяной промышленности// Технический бюллетень фирмы «Nippon-Kokan», февраль 1982.-25с.

9. Материалы 13-го симпозиума по стальным трубам фирмы «Kawasaki Steel Corporation». Москва, ноябрь, 1991.

10. NACE MR 0175/ ISO 15156-2001 Нефтяная и газодобывающая промышленность материалы для применения в H2S - содержащих средах для добычи нефти и природного газа. Первое издание 15.12.2003

11. Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас. Справ. изд./Сокол И .Я., Ульянин Е.А., Фельдгандлер Э.Г. и др. М. ¡Металлургия, 1989,400с.

12. Металловедение и термическая обработка стали: справ, изд.- 3 изд., перераб. и доп. Т II. Основы термической обработки/ Под ред. Берпггейна М.А., Рахштадт А.Г. М.: Металлургия, 1989, 368с.

13. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. М.'.Металлургия, 1979,208с.

14. Роль ванадия в микролегированных сталях. Р.Лагнеборг, Т.Сивецки, С.Заяц, Б.Хатчинсон. Екатеринбург, Гос. научный центр РФ «Уральский институт металлов», 2001,107с.

15. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд.З Новиков И.И. М.: Металлургия, 1978,392с.

16. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для ВУЗов. 6-е изд. перераб. и дополненное. М.: Металлургия, 1986, 544с.

17. Превращение в железе и стали. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. М.: Наука, 1977,239с.

18. Особенности фазовых превращений при нагреве и охлаждении сталей: Учебное пособие/В.М. Фарбер. Екатеринбург: УПИ, 1992. 116с.

19. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969, 496 с.

20. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н.Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Учеб. пособие для вузов.- 3 изд. Доп. И перераб. М.: МиСИС. 1994. 328 с.

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

22. Качанов H.H. Прокаливаемость стали. 2-е изд. М., «Металлургия», 1978.192с.

23. Попова Л.Е., Попов A.A. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета- раствора в сплавах титана: Справочник термиста. 3-е изд., перераб. доп. - М.:Металлургия,1991.-503с.

24. Применение рентгеноструктурнош анализа в металлофизике:учебное пособие/В.М.Фарбер. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006.120 с.

25. Современные методы рентгенографии и электронной микроскопии металлов и сплавов: Учеб. пос./В.М.Фарбер. Свердловск: УПИ, 1988. 60с.

26. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.:Металлургия, 1991.503с.

27. Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. М.¡Металлургия, 1985,408с.

28. JI.P. Ботвина, Т.В. Тетюева, A.B. Иоффе. Стадийность множественного разрушения низколегированных сталей в среде сероводорода «Металловедение и термическая обработка металлов». 1998. № 2. с. 14-22.

29. Технология термической обработки стали : пер. с нем.; под ред. М. JI. Бернштейна — М.: Металлургия, 1981. — 608 с.

30. Стали и сплавы. Марочник: Справ.изд./В.Г.Сорокин и др.;Науч.С77. Ред. В.Г. Сорокин, М.А.Гервасьев М.: «Интермед Инжениринг», 2001. 608с. ил.32 .API 5СТ, восьмое издание. Обсадные и насосно-компрессорные трубы. Технические условия. 2005г.

31. А.А.Дерябин, В.С.Цепелев, И.Г.Горшенин, Б.А.Баум, Е.Е. Барышев. Влияние технологии выплавки и температуры на микростроение и структурно чувствительные свойства жидкой рельсовой стали. «Сталь».2004,№3, с.20-22.

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

33. Тихонцева Н.Т. , Горожанин П.Ю., Лефлер М.Н. ,Жукова С.Ю., Фарбер В.М. Изыскание составов и режимов термической обработкиобсадных и насосно-компрессорных труб высокой прочности. //Сталь. №8, 2006.

34. Д.А.Силин, И.Н. Веселов, С.Ю.Жукова, Н.Т.Тихонцева, В.М.Фарбер. Особенности микроструктуры и распределения химических элементов в неприрывнолитой трубной заготовке. «Известия ВУЗов». 2006. №4. с.37- 40.

35. Ю.И.Матросов, Н.В.Колясникова, А.О. Носоченко, И.В. Ганошенко. Влияние углерода и центральной сегрегационной неоднородности на H2S- стойкость непрерывнолитых сталей. «Сталь». 2002г. №11.с.71-74.

36. Ю.И.Матросов, А.О. Носоченко, В.В.Емельянов, Г.Б. Кирсанова, О.А. Багмет. Исследование центральной неоднородности в непрерывнолитых трубных сталях. «Сталь». 2002г.№3. с. 107-110.

37. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. Перевод с англ. М.: Атомиздат, 1972г. 600с.

38. Херцберг Р.В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов. Перевод с англ. М.: Металлургия, 1989, 516с.

39. Sojka J. Galland J. Hyspecka L/. Tvrdy M. Effects of internal hydrogenon behavior of A508.3 steel at low temperatures // Mehanisms and Mecanics of• th •

40. Damage and failure, Proceedings of the 11 Biennial European Confedence on

41. Fracture ECF 22 - ed.J.Petit.V.2. P.1563-1568.