Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗОНЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ (ВАРИАНТЫ)

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.