Способ получения высокопрочных труб

Изобретение относится к технологии производства горячекатаных бесшовных труб поперечно-винтовой прокаткой, в частности к способу получения высокопрочных труб. Способ включает подачу нагретой заготовку в рабочие валки, развернутые на угол подачи не менее 12 градусов, углом раскатки 6-10 градусов, прошивку заготовки оправкой, установленной в калибре, образованном валками с углом входного конуса валков 4-8 градусов и направляющим инструментом. После поперечно-винтовой прошивки заготовки в гильзу ее ускоренно охлаждают до цеховой температуры и ускоренно нагревают в индукционной печи. Затем производят винтовую раскатку нагретой заготовки в двухвалковой клети в направлении, совпадающем с направлением прошивки, с сохранением калибровки валков, угла раскатки и входного конуса, что и при прошивке. Угол подачи валков устанавливают 0,5-0,7 угла подачи валков при прошивке. Раскатку ведут на оправке большего диаметра, чем при прошивке, со степенью деформации стенки трубы на участке раскатки валка в пределах 25-70%. Обеспечивается повышение механических свойств металла трубы в тангенциальном направлении за счет дополнительного винтового закручивания текстуры металла при сохранении высоких механических свойств в продольном направлении. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии производства горячекатаных бесшовных труб поперечно-винтовой прокаткой, преимущественно для изделий с импульсно-взрывной внутренней нагрузкой, в частности при изготовлении корпусов кумулятивных одно- и многоразовых перфораторов, применяемых для вскрытия скважин.

Известен способ получения труб, включающий нагрев заготовки в кольцевой газовой печи, прошивку нагретой заготовки на стане винтовой прокатки, раскатку в трехвалковом стане винтовой прокатки, калибровку труб в трехвалковом калибровочном стане, редуцирование в 12-клетьевом редукционном стане продольной прокатки, охлаждение и термообработку. (Волжский трубный завод, Технический каталог, стр.11-12, 2002).

Недостатком данного способа является то, что в процессе прокатки на редукционном стане продольной прокатки происходит раскатка винтовой текстуры металла трубы в продольном направлении, при этом сильно выраженная продольная текстура металла совпадает с осью трубы, поэтому прочностные и пластические характеристики металла в продольном направлении выше, чем в тангенциальном направлении. При механических испытаниях отношение значений ударной вязкости образцов, вырезанных в тангенциальном направлении (а_н.т), к ударной вязкости образцов, вырезанных в продольном направлении (a_н.пр), составляет 0,3-0,5.

При эксплуатации труб, полученных по данной технологии, в условиях высокой внутренней нагрузки происходит раздутие или разрушение труб.

Известен способ получения труб винтовой раскаткой, включающий деформацию гильзы валками на цилиндрической части оправки во входном конусе и на конической увеличивающегося диаметра части оправки в выходном конусе очага деформации. На цилиндрической части оправки осуществляют деформацию по диаметру, составляющую 1,2-2,5, а по стенке 2,0-20 от деформации на конической части.

Так как деформация гильзы валками во входном конусе на цилиндрической части оправки значительно больше, чем на выходном конусе, винтовые структурные волокна металла вытягиваются в осевом направлении, снижается закрученность текстуры, уменьшаясь по мере выхода из очага деформации. Поэтому трубы, полученные данным способом, не обладают равномерными прочностными свойствами в тангенциальном направлении по длине трубы. (Авторское свидетельство СССР №679266, М. кл. В21В 19/08, 15.08.79).

Известен способ производства бесшовных труб, включающий обжатие нагретой заготовки в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи, составляющий 1,4-4,0, и последующую прошивку заготовки в калибре, образованном оправкой, направляющим инструментом и двумя валками, развернутыми на угол подачи, имеющими участок прошивки. Угол наклона образующей обжимного участка к оси прокатки составляет 1,3-5,6, относительное обжатие составляет 1,6-6,2 соответственно от угла подачи, угла наклона образующей участка прошивки валков к оси прокатки и относительного обжатия перед носком оправки при прошивке. (Патент РФ №2245751, М. кл. В21В 19/04, 10.02.2005).

В известном способе при прошивке заготовки в калибре с меньшим углом раскатки и меньшим входным конусом относительно параметров обжатия нагретой заготовки в трехвалковом калибре, происходит несовпадение винтовых структурных волокон металла, образовавшихся при первой и второй деформации заготовки, за счет чего уменьшается винтовое закручивание текстуры металла. Поэтому трубы не обладают достаточной прочностью в тангенциальном направлении при внутренней импульсно-взрывной нагрузке, что является недостатком при их использовании в корпусах кумулятивных перфораторов для вскрытия скважин.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ производства труб, при котором производят поперечно-винтовую прошивку нагретой заготовки, которая включает подачу нагретой заготовки в рабочие валки, развернутые на угол подачи и раскатки, и прошивку заготовки оправкой, установленной в калибре, образованном валками и направляющим инструментом. Прошивку осуществляют при величине угла подачи не менее 12°, угла раскатки 6-10° с обжатием в пережиме 21-35%, при этом используют валки, угол входного конуса которых составляет 4-8°. Величина относительного обжатия заготовки перед носком оправки регламентирована математической зависимостью. (Патент №2250147 М. кл. В21В 19/04, 20.04.2004., Прототип).

При заданных параметрах прошивки структурные волокна металла получаемой гильзы приобретают форму объемных винтовых линий. Однако при последующей деформации гильзы на редукционных станах, автоматах-станах и др. эффект закрученной текстуры нивелируется в связи с вытягиванием текстуры в осевом направлении. Такие трубы при внутренней импульсно-взрывной нагрузке обладают низкими эксплуатационными свойствами, что является недостатком способа.

Задачей, решаемой изобретением, является получение высокопрочных труб, которые могут работать при высоких внутренних импульсно-взрывных нагрузках.

Указанная задача решается тем, что в способе получения высокопрочных труб, включающем подачу нагретой заготовки в рабочие валки, развернутые на угол подачи не менее 12°, углом раскатки 6-10°, прошивку заготовки оправкой, установленной в калибре, образованном валками с углом входного конуса валков 4-8° и направляющим инструментом, после поперечно-винтовой прошивки заготовки в гильзу проводят ускоренное охлаждение гильзы до цеховой температуры и ускоренный нагрев, а затем производят винтовую раскатку в двухвалковой клети в направлении, совпадающем с направлением прошивки, на оправке большего диаметра со степенью деформации стенки трубы на участке раскатки валка в пределах 25-70%, с сохранением калибровки валков, угла раскатки и входного конуса, а угол подачи валков устанавливают 0,5-0,7 угла подачи валков при прошивке.

Ускоренное охлаждение гильзы производят водовоздушной смесью. Ускоренный нагрев гильзы проводят со скоростью 5-8°С в секунду в индукционной печи.

Ускоренное охлаждение и ускоренный нагрев замедляют процессы рекристаллизации и способствуют сохранению винтовой структуры. При более высоких скоростях нагрева, чем 5-8°С в секунду, возникают высокие температурные напряжения и возможно появление трещин,

Последующая винтовая раскатка направлена на увеличение полученной винтовой текстуры металла гильзы, полученной при прошивке. При проведении операции раскатки в двухвалковой клети в том же направлении, на валках той же калибровки, с сохранением углов раскатки и входного конуса, что и при прошивке, сохраняется направление текстуры металла, что и при прошивке. Винтовая текстура металла не нарушается.

При раскатке стенки трубы с уменьшением частных обжатий за счет уменьшения угла подачи валков относительно углов подачи при прошивке значительно снижается течение металла в осевом направлении и возрастает в тангенциальном, что приводит к дополнительному скручиванию металла, при этом винтовая текстура значительно увеличивается. При угле подачи валков, составляющем менее 0,5 угла подачи валков при прошивке, происходит снижение прочностных свойств труб в осевом направлении за счет резкого увеличения винтовой текстуры металла.

Кроме того, это приводит к снижению скорости прокатки в осевом направлении и, как следствие, к увеличению времени контакта оправки с горячей заготовкой. При этом происходит интенсивный разогрев оправки и падение стойкости, также падает производительность. При угле подачи валков, составляющем более 0,7 угла подачи валков при прошивке, происходит увеличение частных обжатий и снижение эффекта закручивания текстуры за счет повышения осевого течения металла.

Деформация стенки трубы на участке раскатки валка в пределах 25-70% обеспечивается увеличением диаметра оправки с меньшего при прошивке на больший при раскатке и обжатием наружного диаметра гильзы валками, при этом осевое течение металла уменьшается за счет увеличения диаметра оправки и увеличивается в тангенциальном направлении. Это приводит к дополнительному винтовому закручиванию текстуры металла. Снижение степени деформации менее 25% недостаточно для получения винтовой текстуры по всей толщине стенки, а при повышении степени деформации более 70% по толщине стенки, при раскатке труб с соотношением наружного диаметра к толщине стенки в пределах 10-12 происходит кольцевой разрыв стенки трубы. Кроме этого, происходит интенсивный износ оправки и валков на участке раскатки.

Механические испытания образцов, вырезанных из труб в поперечном и продольном направлениях, показали, что прочностные характеристики (пределы прочности и текучести) сохраняются на высоком уровне (140-160) кгс/мм². Значения ударной вязкости увеличиваются в 1,5-1,6 раза в тангенциальном направлении.

Таким образом, техническим результатом является повышение механических свойств металла трубы в тангенциальном направлении за счет дополнительного винтового закручивания текстуры металла при сохранении высоких механических свойств в продольном направлении.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1.

Из мерных заготовок проката стали 30ХРА диаметром 115 мм были получены трубы диаметром 108 мм и толщиной стенки 22 мм по следующей технологии.

Заготовку из проката нагревали до температуры горячей деформации 1160°С. Нагретую заготовку прошивали на стане поперечно-винтовой прокатки ПВП-120 в размер диаметром 110 мм с толщиной стенки 36 мм на оправке диаметром 35 мм. Технологические характеристики прошивки: угол подачи 12°, угол раскатки 7,5°, угол входного конуса 5°, обжатие в пережиме 15%. Охлаждение полученных гильз проводили поштучно водовоздушной смесью до температуры цеха. Полученные гильзы, нагретые в индукционной печи до 1160°С со скоростью нагрева 5-8°С в секунду, были раскатаны на этом же стане ПВП-120 до диаметра 108 мм с толщиной стенки 22 мм на оправке диаметром 61 мм. Технологические параметры винтовой раскатки: угол раскатки 7,5°, угол входного конуса 5°, угол подачи 8°. Термообработка труб проводилась по известной схеме: закалка 870°, вода, отпуск 200°, воздух. Из полученных труб были изготовлены корпуса многоразового перфоратора ПК-105-7 и проведены эксплуатационные испытания зарядами ЗПК105Н-01 и ЗПК105Н-БО в условиях Киенгопского нефтяного месторождения. Количество залпов до критического раздутия составляет 46-48 залпов. Испытания аналогичных корпусов перфораторов, изготовленных из трубы диаметром 108 мм и толщиной стенки 22 мм по технологии Волжского трубного завода из стали 38ХН3МФА, составили 20-25 залпов, допустимое критическое раздутие корпуса 4 мм. Кроме того, из полученных труб были вырезаны образцы в продольном и в тангенциальном направлениях. Прочностные характеристики определяли по методике ГОСТ 1497-87. Предел прочности составлял 140-160 кгс/мм², предел текучести 100-120 кгс/мм². Испытания на ударную вязкость образцов проводили по методике ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре. Технологические параметры способа и результаты испытаний представлены в табл.1. Оптимальными являются варианты 2, 3, 4.

Пример 2.

Из мерных заготовок проката З0ХРА диаметром 60 мм была изготовлена партия трубных заготовок с наружным диаметром 50 мм и толщиной стенки 5 мм по следующей технологии. Технологические характеристики прошивки: угол подачи 16°, угол раскатки 7,5°, угол входного конуса 5°, степень деформации в пережиме 18%. Было прошито три типоразмера гильз: диаметром 53 мм с толщиной стенки 6,5 мм, диаметром 53 мм с толщиной стенки 9 мм, диаметром 53 мм с толщиной стенки 18 мм на оправке диаметром 36 мм, 33 мм, 15 мм соответственно. Охлаждение гильз поштучное водовоздушной смесью до температуры цеха. Затем проводили скоростной нагрев в индукционной печи со скоростью 5-8°С в секунду до температуры 1160°С. Далее проводили винтовую раскатку на двухвалковом стане ПВП-120 со следующими параметрами: угол раскатки 7,5°, угол входного конуса 5°, угол подачи 8°, степень деформации по стенке трубы составила соответственно 23%, 44%, 72% на оправке диаметром 38 мм.

После раскатки проводили подстуживание до температуры 850-870°С, закалку в воду и отпуск 200°С. Из этих груб были вырезаны образцы в продольном и в тангенциальном направлениях. Прочностные характеристики определяли по методике ГОСТ 1497-87. Предел прочности составлял 160-170 кгс/мм², предел текучести 120-140 кгс/мм². Испытания на ударную вязкость образцов проводили по методике ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре. Оптимальным является вариант 2. Из полученных труб изготовили корпуса одноразового перфоратора ПКТ-50 и провели эксплуатационные испытания зарядами ЗПКТ-50 с плотностью зарядов 12 на один метр в условиях Киенгопского месторождения. Технологические параметры способа и результаты испытаний представлены в табл.2. Как видно из таблицы, степень деформации по стенке трубы 23% (табл.2, вар.1) недостаточна для образования винтообразной текстуры и, как следствие, недостаточно прочности в тангенциальном направлении, что приводит к раздутию корпуса до 3,5-4,1 мм при допустимой величине раздутия 4 мм. При степени деформации более 70% (табл.2, вар.3) наблюдаются при раскатке разрывы стенки трубы.

Испытания корпусов из труб, изготавливаемых Синарским трубным заводом из стали 30ХМА, раздутие составило 3,8-4,5 мм при допустимой величине раздутия 4 мм.

Предлагаемая технология повышает прочность труб в тангенциальном направлении, что позволяет применять трубы для изделий с импульсно-взрывной внутренней нагрузкой.

1. Способ получения высокопрочных труб, включающий подачу нагретой заготовки в рабочие валки, развернутые на угол подачи не менее 12°, с углом раскатки 6-10°, поперечно-винтовую прошивку заготовки оправкой, установленной в калибре, образованном валками с углом входного конуса валков 4-8° и направляющим инструментом, отличающийся тем, что после поперечно-винтовой прошивки заготовки в гильзу проводят ускоренное охлаждение гильзы до цеховой температуры и ускоренный нагрев, а затем производят винтовую раскатку в двухвалковой клети в направлении, совпадающем с направлением прошивки, на оправке большего диаметра со степенью деформации стенки трубы на участке раскатки валка в пределах 25-70%, с сохранением калибровки валков, угла раскатки и входного конуса, а угол подачи валков устанавливают 0,5-0,7 угла подачи валков при прошивке.

2. Способ получения высокопрочных труб по п.1, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение гильзы производят водовоздушной смесью.

3. Способ получения высокопрочных труб по п.1, отличающийся тем, что ускоренный нагрев гильзы проводят со скоростью 5-8°С в секунду в индукционной печи.