Главная / Рефераты / Рефераты по металлургии
Реферат: Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С
Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323
Министерство Образования и Науки Украины
Национальная Металлургическая Академия Украины
Кафедра термической обработки металлов
Реферат
на тему:
?Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С ?
Подготовила ст.гр. МТ-97-2
Черных Е.С.
Проверил преподаватель
Прядко Е.И.
г.Днепропетровск
2001г.
Содержание:
Стр.
Введение..3
1.Назначение обсадных труб4
2.Сортамент и технические требования, предъявляемые к обсадным трубам…5
3.Материал обсадных труб6
4.Технологическая схема производства обсадных труб….7
5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С..8
5.1.Нормализация труб...8
5.2.Закалка и отпуск труб…..12
5.3.Термическая обработка концов труб…..16
6.Термомеханическая обработка обсадных труб16
7.Контроль качества труб после термической и термомеханической обработки….18
Литература…..19
Введение
В отличие от других видов металлопродукции для труб характерны развитая поверхность (наибольшее отношение площади поверхности к массе), наличие внутренней полости, значительный сортамент по геометрическим размерам, способам производства и назначению.
По способу производства трубы подразделяют на литые, бесшовные и сварные. Основной объём производства составляют бесшовные и сварные. По назначению трубы подразделяют: на трубы для нефте- и газодобывающей промышленности, теплоэнергетики, магистральных газо- и нефтепроводов, трубы для производства подшипников, химической промышленности, строительства и т.д.
Условия эксплуатации труб различного назначения позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к материалу для их производства. Так, для труб нефтяного сортамента условия эксплуатации весьма разнообразны: интервал рабочих температур от –60 до 150-200єC, знакопеременные нагрузки (бурильные и насосно-компрессорные трубы), коррозия под напряжением в среде сероводорода. В этой связи трубы для добычи нефти и газа должны обладать высокой прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостному и хрупкому разрушению. Для северных районов требуется высокая хладостойкость металла труб.[1]
1.Назначение обсадных труб
При бурении нефтяных скважин стальные трубы используют для передачи вращения породоразрушающему инструменту, для крепления стенок скважин в процессе бурения и эксплуатации, для транспортировки нефтепродуктов на поверхность и других целей. Стоимость труб в общей стоимости бурового оборудования составляет около 60%.
По своему назначению трубы нефтяного сортамента разделяют на бурильные, утяжелённые бурильные, рабочие (или ведущие) бурильные, обсадные и насосно- компрессорные трубы.
При бурении и эксплуатации скважин из труб этих видов составляют бурильные, обсадные и насосные колонны, в которых отдельные трубы соединяют между собой с помощью специальных резьбовых соединений.
Передачу вращения породоразрушающему инструменту (в случае роторного способа), транспортировку жидкости или газа для очистки забоя скважины от разрушенной породы осуществляют с помощью бурильной колонны.
Для предохранения скважин от обрушения в скважину опускают колонну обсадных труб. Обычно обсадная колонна состоит из следующих элементов
(рис.1):
Направление (а) служит для крепления устья
скважин и направления потока промывочной
жидкости. Направление опускается на глуби-
ны порядка 4-6 м.
Кондуктор (б) служит для перекрытия верх них слабых слоёв пород, для изоляции сква- жин от возможного притока грунтовых вод и обеспечения вертикального направления стволу скважины.
Кондуктор обычно опуска ется на глубину
40-60 м, а в глубоких сква- жинах – до 600 м.
Промежуточные колонны (в) опускают в за- висимости от общей глубины скважины на
2000-3000 м, они в основном служат для ра зобщения пластов.
Эксплуатационная колонна (г) служит для изоляции продуктивного горизонта от дру- гих и обеспечивает доступ к нему. Иногда её используют для извлечения нефти и газа на поверхность.
Обсадные трубы испытывают три вида нагрузок – растяжение, наружное
(сминающее) и внутреннее давление. Растягивающие нагрузки вызываются собственным весом колонны обсадных труб. Обычно напряжения в обсадных трубах соответствуют разности наружного и внутреннего давлений. Но в некоторых случаях трубы могут оказаться под действием только наружного или только внутреннего давления. В этом случае трубы находятся в наиболее тяжёлых условиях работы.
Для транспортировки нефтепродуктов на поверхность используют колонны, составленные из насосно-компрессорных труб.[2]
2. Сортамент и технические требования, предъявляемые к обсадным трубам
Изготовление труб для нефтяной и газовой промышленности производится по специальным стандартам или техническим условиями, в которых строго регламентированы: размеры труб по диаметру и толщине стенки, длина труб, размеры соединений, категория прочности материала, а также точность изготовления труб и резьб, виды и методы испытаний.
В СНГ обсадные трубы изготавливают по ГОСТ-632-57 только бесшовными диаметром 114-426 мм с толщиной стенки 6-14 мм. Длина резьбы на трубах увеличивается с 79,5 до 98,5 мм по мере роста диаметра независимо от толщины стенки. Проект стандарта на обсадные трубы, взамен ГОСТ 632- 57, включает размеры труб по диаметрам (как принятые в практике СНГ, так и за рубежом) с толщиной стенки 6-14 мм. Аналогично APIstd5A в проекте предусмотрено изготовление труб с длинной и нормальной (короткой) резьбой.
Причём длина резьбы такая же, как и в зарубежных стандартах. Для труб диаметром 127; 139,7; 177,8-298 мм с толщиной стенки 6-8 мм предусмотрена укороченная нормальная резьба.
В СНГ разработан проект специального государственного стандарта на сварные обсадные трубы диаметром 426-530 мм с толщиной стенки 8-12 мм. Для крепления неглубоких скважин более экономично применение сварных тонкостенных труб вместо бесшовных. Поэтому необходима организация производства таких труб диаметрами 114-426 мм с толщиной стенки 4-6 мм для скважин неответственного назначения.
Стандарты на трубы нефтяного сортамента не определяют применяемый материал, а задают только минимальные значения показателей механических свойств (?b, ?s, ?, ?, ak).
Таблица 1
Механические свойства материала обсадных труб
Категория Предел прочности,Предел текучести,Удлинение,
прочности Мн/мІ(кг/ммІ) Мн/мІ(кг/ммІ) %
А 411,9 (42) 245,2 (25) 25
С 539,4 (55) 313,8 (32) 18
Д 637,4 (65) 372,6 (38) 16
К 686,5 (70) 490,3 (50) 12
Е 635,5 (75) 539,4 (55) 12
Л 931,6 (95) 637,4 (65) 12
М 980,6 (100) 735,5 (75) 12
Обсадные трубы в обязательном порядке подвергают гидравлическим испытаниям для проверки прочности тела трубы и герметичности резьбового соединения. Стандартом API предусмотрено испытание внутренним гидравлическим давлением обсадных труб диаметром до 245мм, вызывающим в теле трубы напряжения, равные 80% от предела текучести материала, а труб большого диаметра – 60%. Для высокопрочных труб, идущих на глубокие скважины, рекомендуют доводить напряжения в теле трубы до 95% от предела текучести материала [3].
3.Материал обсадных труб
Техническими условиями на трубы нефтяного сортамента химический состав сталей, за исключением серы и фосфора, не оговаривается и марка стали выбирается изготовителем по технико-экономическим соображениям и регламентируется в технологической документации. Максимальное содержание элементов определяется применяемым исходным сырьём и способом выплавки стали и находится в пределах 0,030-0,065% для серы и 0,035-0,110% для фосфора.
Таблица 2
Химический состав сталей для обсадных труб, применяемых в СНГ
КатегориХимический состав, %
я
прочност
и (марка
стали)
С Mn Si Cr Ni Mo W S Р
макс макс
А 0,18-00,3-0,0,15-0- - - - 0,045 0,045
,25 6 ,23
С 0,3-0,0,65-00,2-0,- - - - 0,045 0,045
37 ,9 35
Д 0,43-00,7-0,0,15-0- - - - 0,045 0,045
,53 9 ,3
К 0,32-01,5-1,0,4-0,- - - - 0,045 0,045
,43 6 7
0,33-00,75-10,17-00,4-0,0,4-0,0,3-0,- 0,045 0,045
,43 ,05 ,37 7 7 4
Е
0,43-01,15-10,25-00,4-0,0,3-0,0,05-0- 0,045 0,045
,48 ,4 ,35 7 7 ,15
0,35-00,7-0,0,15-0- - - - 0,045 0,045
,42 9 ,3
Л 0,32-01,4-1,0,4-0,- - - 0,25-00,045 0,045
,38 8 7 ,4
0,3-0,1,25-10,4-0,- - - - 0,045 0,045
43 ,6 7
М 0,32-01,5-1,0,4-0,- - - - 0,045 0,045
,43 8 7
Для получения труб более высоких категорий прочности возможны два пути [4]:
1)применение легированных сталей с последующей сравнительно простой термической обработкой (нормализация или нормализация и отпуск);
2)применение простых углеродистых или низколегированных сталей с последующей закалкой и отпуском.
4.Технологическая схема производства обсадных труб
Технология производства труб нефтяного сортамента определяется видом труб, категорией прочности и применяемым для их изготовления материалом. По категории прочности трубы нефтяного сортамента можно разделить на три группы: обычной прочности с пределом текучести до 490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ), высокой прочности с пределом текучести 539,3-735,5 Мн/мІ (55-75 кг/ммІ), особо высокой прочности – более 735,5 Мн/мІ(75 кг/ммІ).
Рисунок 2.- Технологическая схема производства обсадных труб
Обсадные трубы обычной прочности с минимальным пределом текучести до
490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ) изготавливают по следующей технологической схеме
(рис.2). Горячая прокатка 1, обрезка концов и снятие фасок 2, нарезка резьбы 9, навёртка муфт 10, гидроиспытание 11 и покраска 12. Термическая обработка этих труб (нормализация) производится только в случае получения неудовлетворительных механических свойств. Опыт эксплуатации труб категории прочности К (минимальный предел текучести 490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ)
)показывает, что трубы этой категории необходимо подвергать нормализации, так как эти трубы имеют неравномерные механические свойства по длине вследствие местной подкалки при прокатке.
Обсадные трубы высокой прочности в зависимости от применяемого материала могут изготавливаться по двум технологическим схемам. Для легированных сталей технологическая схема следующая: после прокатки 1 и обрезки концов 2 трубы подвергают нормализации в печи 3 и отпуску в печи 5. Иногда для труб категории прочности Е применяют нормализацию с прокатного нагрева. После термической обработки трубы калибруют по наружному диаметру 6. Однако в этом случае операцию калибровки опускают вследствие отсутствия калибровочных станов в потоке печей и после термообработки трубы направляют прямо на правильные станы 7. После правки контролируют состояние наружной поверхности труб 8, нарезают резьбу 9 и навинчивают муфты 10. Трубы с муфтой проверяют на прочность и герметичность резьбового соединения путём гидравлических испытаний на прессах 11. После гидроиспытаний трубы окрашивают, маркируют и направляют на склад готовой продукции.
Технологическая схема изготовления высокопрочных труб из углеродистых и низколегированных сталей отличается от описанной выше только термической обработкой. После обрезки концов на станках 2 трубы нагревают до температур закалки в печи 3, охлаждают в специальных устройствах 4 и затем подвергают отпуску в печи 5. При применении закалки и отпуска вследствие искажения точности поперечного сечения и увеличения кривизны операции калибровки и правки обязательны. Для снижения прочности материала труб при калибровке и правке эти операции должны выполняться при температурах 200-500єC. После правки труб выполняют операции, обозначенные на рис.2 позициями 8-12.[2]
5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С
Термическая обработка – важнейшая составная часть технологии производства различных видов стальных труб.
Основные цели термической обработки труб следующие: обеспечение различных эксплуатационных свойств (трубы для добычи нефти и газа, трубы для котлов теплоэнергетических установок и др.); подготовка структуры и свойств для дальнейшей обработки в различных областях машиностроения (трубы для подшипников); восстановление пластичности металла для возможности дальнейшего деформирования в процессе передела (трубы промежуточных размеров); создание диффузионной связи между различными слоями в биметаллических, многослойных и свертных паяных трубах; выравнивание структуры и свойств металла сварных и литых труб переменной геометрии по длине (например, бурильных труб с высаженными концами).[5]
5.1.Нормализация труб
При производстве труб нефтяного сортамента нормализацию как термическую операцию применяют в тех случаях, когда требуемые механические свойства металла труб (предел текучести до 539,4 Мн/мІ (55 кг/ммІ) можно получить из стали простой, дешёвой марки типа 36Г2С).
Нормализацию труб следует производить после полного их потемнения после прокатки. В этом случае крупнозернистая и неоднородная структура стали, полученная в результате высокого нагрева перед прокаткой, подвергается по существу перекристаллизации в процессе охлаждения и последующего нагрева под нормализацию.
Температура нормализации труб марки 36Г2С находится в пределах 830-
890єC. Если после нормализации предел текучести или предел прочности ниже обусловленных ГОСТом норм, то температуру повторной нормализации следует повысить на 20-30єC. Неудовлетворительные результаты испытаний по относительному удлинению, относительному сужению или ударной вязкости можно исправить снижением температуры на 20-30єC.
Заметное влияние на изменение механических свойств оказывает скорость охлаждения труб. Для труб из стали 36Г2С применение ускоренного охлаждения обдувкой воздухом повышает предел прочности высаженных концов на 4,5%, предел текучести на 5,4%, ударную вязкость на 13,7%, относительное удлинение практически остаётся без изменения.
Точные режимы термической обработки устанавливают при помощи лабораторных и цеховых экспериментов с учётом термической характеристики печи, условий охлаждения и специфичности свойств данной стали. Температура нормализации для стали данной марки должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить получение гомогенно-бейнитной структуры, являющейся основой для получения после отпуска высоких прочностных и пластических свойств.
Если температура нормализации является универсальной для стали данной марки, то температуру отпуска часто устанавливают индивидуально для отдельной плавки в зависимости от её химсостава.
Контроль температуры труб при нагреве и выдержке в методических печах производят термопарой, вставляемой в трубу. Температура печи контролируется по боковым и сводовым термопарам, а температура выдаваемых труб – с помощью оптического пирометра или других приборов. Боковые термопары устанавливают так, чтобы их показания были выше температуры металла на 20-30єC.
На величину зерна и механические свойства нормализуемых труб, кроме температуры нагрева металла и скорости охлаждения, оказывает также влияние время нагрева и выдержки металла в печи. Для получения мелкозернистой структуры время выдержки не должно превышать определённо величины.
Общая продолжительность нагрева в методических печах с наклонным подом для труб с толщиной стенки от 7 до 30 мм колеблется от 70 до 140 мин, время выдержки от 10 до 25 мин. Меньшее время соответствует трубам меньшими стенкой и диаметром.
Нормализация с охлаждением на воздухе обсадных труб из стали 36Г2С не обеспечивает требований ГОСТа на обсадные трубы марки Е.
Рисунок 3.- Микроструктура стали 36Г2С после нормализации.Ч400
Микроструктура металла таких труб (рис.3) состоит из крупных, строчечно- расположенных выделений феррита и сорбитообразного перлита. Такая структура свидетельствует о недостаточном охлаждении труб при нормализации. Пределы прочности и текучести имеют низкое значение. Более сильное охлаждение в производственных условиях струёй сжатого воздуха повышает предел прочности и относительное удлинение, однако предел текучести при этом находится на границе норм.
Макроструктура этой стали после охлаждения струёй сжатого воздуха
(рис.4) имеет более мелкое зерно, направленность структурных составляющих отсутствует.
Рисунок 4.-Микроструктура стали 36Г2С после охлаждения струёй сжатого воздуха.Ч400
Возможно, что достаточно сильное охлаждение по всей длине труб при условии их вращения позволит наладить получение обсадных труб из стали
36Г2С марки Е. Об этом свидетельствует мелкозернистая микроструктура стали
(рис.5), полученная при интенсивном охлаждении патрубков струёй воздуха.
Соответствующие этой структуре механические свойства надёжно гарантируют получение обсадных труб марки Е.
Рисунок 5.- Микроструктура стали 36Г2С после интенсивного воздушного охлаждения с вращением трубы.Ч400
В таблице 3 приведены механические свойства обсадных труб после нормализации и отпуска при различных температурах.
Таблица 3
Механические свойства обсадных труб после нормализации и отпуска
ТемператуМеханические свойства в продольном направлении
ра
отпуска,
єC
Предел Предел ОтносителСужение ОтношениеУдарная
прочноститекучестиьное площади предела вязкость,
, Мн/мІ , Мн/мІ удлинениепоперечнотекучестиМдж/мІ
(кг/ммІ) (кг/ммІ) , % го к пределу(кгм/смІ)
сечения, прочности
% , %
После 882,6(89,601,1(61,23,0 44,8 67,5 4,71(4,8)
нормализа9) 3)
ции
500 878,6(89,594,2(60,24,0 48,8 67,5 5,69(5,8)
6) 6)
550 869,8(88,581,4(59,23,0 48,8 66,5 5,29(5,4)
7) 3)
600 824,6(84,552,1(56,22,0 48,0 67,0 5,98(6,1)
1) 3)
650 767,8(78,513,8(52,26,0 47,6 67,0 6,18(6,3)
3) 4)
680 739,3(75,483,4(49,27,0 52,2 65,5 6,67(6,3)
4) 3)
Микроструктура обсадных труб после нормализации состоит из смеси троостита с мелкопластинчатым перлитом и разорванной ферритной сетки. С повышением температуры отпуска в структуре стали появляется сфероидизированный цементит.
Нагрев поверхности трубы и прогрев её по сечению в современных печах скоростного нагрева протекает весьма интенсивно с высокой производительностью. Однако в таких печах весьма трудно, а подчас невозможно осуществить технологическую выдержку, необходимую для протекания диффузионных процессов и фазовых превращений в металле.
Поскольку скорость диффузионных процессов зависит не только от времени, но и от температуры, возникает возможность сократить во времени технологическую выдержку труб при нагреве повышением температуры.
По данным исследования Б.П.Колесника [6], механические свойства стали марки 36Г2С после нормализации с применением скоростного нагрева (1,8-8 град/сек) получаются такими же, а в некоторых случаях и более высокими, чем после нормализации с нагрева с технологической выдержкой. При нормализации с выдержкой наиболее высокие механические свойства у исследованных сталей получали при температуре 840-860єC, тогда как после скоростной нормализации оптимальная температура составила 900-960єC. Сталь 36Г2С после скоростной нормализации была наиболее прочной.
Нормализация труб из стали 36Г2С при температуре нагрева 850єC и выше с применением скоростного нагрева в секционных печах практически не изменяет предела текучести, уменьшает на 9,8-29,4 Мн/мІ (1,0-3,0 кг/ммІ) временно сопротивление, несколько увеличивает значения относительного удлинения и сужения, а также снимает внутреннее напряжение. Возможно, что более интенсивное охлаждение изменит указанные показатели.[2]
5.2.Закалка и отпуск труб
Наивысшие показатели прочностных и пластических характеристик труб можно получить путём закалки с последующим отпуском.
Применение закалки с отпуском позволяет улучшить свойства труб из углеродистой или низколегированной стали до уровня или даже несколько выше свойств нормализованных труб из стали, легированной марганцем, молибденом, ванадием и др.
Внедрение в промышленности закалки с отпуском вместо нормализации позволяет при производстве высокопрочных труб нефтяного сортамента сэкономить большое количество марганца, молибдена, вольфрама и других легирующих элементов при одновременном улучшении свойств труб.
В промышленности имеют место следующие основные технологические приёмы улучшения стали: методический нагрев в проходных печах – закалка в ваннах – отпуск в методических печах, скоростной нагрев в секционных печах – закалка в спреере – отпуск в секционных или роликовых печах. Встречается также нагрев под закалку и отпуск в индукционных нагревательных устройствах и другие сочетания указанных способов нагрева.
Методический нагрев, закалка в ваннах. Закалка труб в ваннах не получила большого применения и вряд ли следует ожидать развития этого способа закалки в будущем.
Прочностные и пластические показатели при закалке труб в ванне, впрочем как и при других способах закалки, в сильной степени зависят от температуры закалки и, особенно, от температуры отпуска. Температура закалочной среды также оказывает заметное, хотя и в меньшей степени, влияние на показатели механических свойств.
Исследования (по Ф.В.Вдовину) прочностных и пластических свойств обсадных труб из стали 36Г2С, закалённых в ванне, показали, что предел прочности и предел текучести в сильной степени зависят от температуры отпуска.
С увеличением температуры отпуска для всех режимов нагрева и температур закалочной среды пределы прочности и текучести заметно снижаются, но не настолько, чтобы при самых высоких температурах отпуска не удовлетворять требованиям, предъявляемым к трубам марки Е. Величина относительного удлинения при этом достигает наибольших значений при температуре отпуска
650єC.
При повышении температуры закалки предел прочности после отпуска понижается. Такая же картина наблюдается и по пределу текучести.
Наибольшие показатели относительного удлинения также зависят от температуры закалки и отпуска и, например, для стали 36Г2С могут быть получены при температуре закалки 850єС, отпуска 650єС.
С увеличением температуры закалочной среды предел текучести стали после отпуска понижается, тогда как предел прочности почти не изменяется.
Относительное удлинение достигает максимальных значений при закалке в воде, подогретой до температуры 40-60єС.
Подбирая режим термической обработки, можно получить при определенных условиях наилучшие показатели механических свойств для стали данной марки.
Так для стали 36Г2С такими условиями являются: температура закалки 850єС, отпуска 650єС, воды 40-60єС.
Рисунок 6.- Микроструктура стали после закалки и отпуска.Ч500
Структура закаленной и отпущенной стали в этом случае состоит из мелкодисперсного сорбита (рис.6) без свободных выделений феррита, что свидетельствует о переходе при нагреве за критическую точку Ас3, а следовательно, о полной закалке стали.
Высокие пластические и прочностные свойства, соответствующие требованиям марки Е, а по переделу текучести марки Л, обеспечивает полная термическая обработка труб, полученных с автоматического стана из катаной заготовки стали марки 36Г2С.
В данном случае нагрев труб под закалку осуществляли в методической проходной печи с наклонным подом, а отпуск – в камерной печи с выдержкой порядка 2ч.
Закалку производили в ванне с водой, подогретой до температуры 40-60єС.
Закалка в ванне труб (299х9мм) из сталей марок С, Д и К с температур
840-850єС с последующим отпуском при 640-650єС обеспечивает механические свойства более высокого класса, чем труб из этих же сталей, но термически не обработанных (табл.4).
Таблица 4
Механические свойства обсадных труб, закаленных в ванне
МаркаХимический состав, % Механические свойства Обесп
стали ечива
ет
катег
орию
прочн
ости
C Mn Si P S Предел Предел Относите
прочности, текучести, льное
Мн/мІ Мн/мІ удлинени
(кг/ммІ) (кг/ммІ) е, %
С 0,360,670,150,0130,031589,4-642,3 407,9-529,6 19,9-23,С
(60,1-65,5) (41,6-53,9) 2
Д 0,450,900,290,0140,031693,3-725,7 568,8-581,4 17,0-22,К
(70,7-73,9) (58,0-59,3) 1
К 0,371,680,580,0240,034745,3-769,8 652,1-669,7 17,4-20,Е
(75,9-78,5) (66,5-68,3) 5
Микр...
ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!
Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:
|
|
|
Добавлено: 2010.10.21
Просмотров: 2090
|
Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21
При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательная! |
