Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРОМОМОЛИБДЕНОВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термической обработки изделий из малоуглеродистой хромомолибденовой стали и может быть использовано, в частности, для упрочнения труб нефтяного сортамента, например, насосно-компрессорных и обсадных.

Известен способ термической обработки труб из малоуглеродистой хромомолибденовой стали для обеспечения коррозионной стойкости труб и соединительных деталей в средах, содержащих H₂S и СО₂, по схеме двойного цикла, включающего двойную закалку с отпуском:

- первый нагрев до Ас₃-(Ас₃+50)°С, охлаждение в воде, второй нагрев в межкритический интервал температур (Ac₁-Ас₃), охлаждение в воде и нагрев под отпуск до (550+Ac₁)°C с последующим охлаждением на воздухе [пат. РФ №2096495, опубл. 20.11.1997];

- закалка при нагреве в аустенитную область температур выше Ас₃ с выдержкой и последующим охлаждением водой, закалка при нагреве в ферритно-аустенитную область температур в интервале (Ac₁+80)-(Ас₃-30)°С с выдержкой и последующим охлаждением водой и высокий отпуск при температуре (500-Ас₁)°С с выдержкой и последующим охлаждением на воздухе [пат. РФ №2148660, опубл. 10.05.2000];

- первая закалка (920-940)+10°С, вторая закалка 800-830°С и отпуск 600-620°С [Труды XVI Международной научно-технической конференции «ТРУБЫ-2008», г. Челябинск].

Недостатком способа является то, что он не позволяет получить высокий уровень прочностных свойств (предел текучести не более 570 МПа) и имеет низкую производительность процесса из-за проведения второго нагрева в межкритический интервал температур (Ac₁-Ас₃) ферритно-аустенитной области, что ведет к повышению себестоимости готовой продукции.

Также известна сталь, содержащая углерод 0,1-0,35 масс. %, хром 1,0-6,0 масс. % и молибден 0,4-1,0 масс. %, имеющая предел текучести предел текучести не менее 552 МПа и способ термической обработки по схеме: нормализация и двойной отпуск (пат. РФ №2368836, опубл. 27.09.2008).

Недостатком данного способа термической обработки является ограниченное применение в зависимости от содержания хрома в диапазоне 1,0-6,0 масс. %. В частности способ не применим для обработки труб нефтяного сортамента из хромомолибденовой стали с содержанием хрома до 2,0 масс. %, так как не позволяет обеспечить достаточный запас по прочностным свойствам и коррозионной стойкости. Кроме того, цикличность термической обработки, заключающаяся в проведении двойного отпуска, снижает производительность процесса в целом.

Наиболее близким по технической сущности является известный способ термической обработки изделий из комплексно-легированной стали (заявка №2013137543, дата подачи 09.08.2013 г, заявитель ОАО «СинТЗ»), включающий нагрев до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°С, охлаждение водой в спрейере до температуры не более 280°С по длине трубы, и отпуск до температуры не более (Ac₁-15)°С.

Недостатком способа является низкая стойкость изделия против коррозии при эксплуатации в средах, содержащих сероводород и углекислый газ в виду неполных структурных превращений при закалке. Кроме того, применительно к низкоуглеродистой стали низкая температура нагрева под закалку Ас₃-(Ас₃+50)°С и недостаточно полное охлаждение водой не позволяют обеспечить высокий уровень прочностных свойств.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа термической обработки изделий из малоуглеродистой хромомолибденовой стали, в частности, труб для нефтяных скважин, обеспечивающего коррозионную стойкость в агрессивных средах, содержащих сероводород в соответствии с международным стандартом API Spec 5CT/ISO 11961 и углекислый газ, и высокий уровень прочностных свойств (предел текучести от 552 до 800 МПа).

Указанный результат достигается тем, что изделие, изготовленное из хромомолибденовой стали и подвергнутое термической обработке, включающей закалку и отпуск, нагревают под аустенитизацию до температуры Ас₃+(50_…80)°С, выдерживают не менее 30 минут, охлаждают в воде до температуры не более 100°С и нагревают под отпуск до температуры не более (Ac₁-15)°С с выдержкой не менее 30 минут.

Технический результат, обеспечиваемый за счет выбранных температурных и временных параметров термической обработки, определяется следующими факторами:

- нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃+(50…80)°С применительно к низкоуглеродистой хромомолибденовой стали обеспечивает полное аустенитное превращение и начало охлаждения в воде с температуры не ниже, чем Ar₃, что является необходимым условием достижения высокопрочного состояния, исключая образование ферритно-перлитной структуры, а формирование мелкодисперсной однородной микроструктуры - стойкости против сероводородного растрескивания. Кроме того, измельчение аустенитного зерна до размера не крупнее 8 балла, а следовательно, и размеров упрочняющей фазы - эффективный способ повышения сопротивления хрупкому разрушению, в том числе при отрицательных температурах эксплуатации изделия;

- температура конца охлаждения в воде установлена не более 100°С, что ниже температурной области мартенситного превращения, обеспечивает максимальную степень превращения переохлажденного аустенита. В случае завершения охлаждения при более высоких температурах, свыше 100 С, возможно выделение крупных карбидов по границам зерен, что снижает сопротивление металла межкристаллитному хрупкому разрушению;

- максимальная температура нагрева под отпуск ограничивается величиной (Ac₁-15)°С, так как в условиях массового производства (поточной линии термической обработки) проведение отпуска в субкритическом интервале температур опасно, с точки зрения, гарантированного отсутствия перегрева стали выше, чем температура обратного фазового превращения Ас₁;

- применительно к хромомолибденовой стали требуется проведение высокотемпературного отпуска с выдержкой не менее 30 минут для реализации таких процессов как релаксация структурных напряжений, гомогенизация химического состава, карбидные превращения с выделением специальных карбидов хрома и молибдена.

Предлагаемый и известный способы термической обработки были опробованы в условиях Синарского трубного завода при изготовлении труб размером 73,02×5,51 мм. Результаты промышленного изготовления труб в сравнении с прототипом приведены в таблице 1.

Для применяемых хромомолибденовых составов стали термическая обработка труб проводилась в печах с шагающим подом с точностью ведения процесса ±5°С при следующих параметрах: температура нагрева под аустенитизацию 890°С, температура конца охлаждения в воде 50-80°С и отпуск 650-680°С с выдержкой 60 минут. Далее была проведена оценка механических свойств, включая ударную вязкость при температуре испытания минус 60°С и коррозионной стойкости в среде, содержащей сероводород согласно стандарту NACE ТМ0177 и углекислый газ с применением специализированной автоклавной установки, приближающей условия испытания к реальным эксплуатационным в нефтяных скважинах коррозионного фонда.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки позволяет изготавливать изделия, в частности трубы, из низкоуглеродистой хромомолибденовой стали с получением высокого уровня прочностных свойств и ударной вязкости, а также в сравнении с прототипом обеспечить их коррозионную стойкость.