Способ легирования внутренней поверхности горячекатаных труб

Изобретение относится к области машиностроения, точнее к трубопрокатному производству и может быть использовано для повышения коррозионной стойкости горячекатаных труб вообще и насосно-компрессорных труб в частности. Способ включает предварительный подогрев обрабатываемой поверхности, последующую обработку сфокусированным лазерным лучом вплоть до плавления поверхностного слоя и введение в расплав легирующих добавок. Изобретение предусматривает в качестве предварительного подогрева трубы использовать штатный промежуточный нагрев трубной заготовки при ее прокатке, после последнего передела трубной заготовки ограничивать доступ кислорода во внутреннюю полость трубы, последующую обработку лазерным лучом проводить при температуре трубы не ниже 850 градусов, а в состав легирующей смеси добавлять раскислители.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для защиты труб, в частности насосно-компрессорных труб (НКТ), от коррозии.

Проблема повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов, существовавшая с начала развития машиностроения, сохраняет свою актуальность до настоящего времени.

Из многообразия известных способов защиты от коррозии наиболее прогрессивными могут считаться те, что связаны с технологиями нанесения на материал защитных покрытий. Покрытие, исключающее доступ коррозионноактивной среды к защищаемому материалу, может быть металлическим, керамическим, полимерным или стеклянным (см., например, АС №1609457, С23С 4/04, 23.11.90, В.И.Анурьев «Справочник конструктора-машиностроителя», Москва, Машиностроение, 1980, стр.688-712).

Общими недостатками указанных покрытий при их использовании в трубах являются разные коэффициенты термического расширения защищаемых и защищающих материалов, а также невысокая адгезия между ними. При эксплуатации в условиях изменяющихся температур и механических нагрузок это приводит к отслаиванию покрытия от защищаемой основы, возникновению ее контакта со средой и уменьшению ресурсных характеристик вследствие коррозии. Кроме того, в случае применения электропроводящих материалов из-за разницы электрохимического потенциала материала слоев биметаллической трубы начинается электрохимическая коррозия при попадании влаги в зону контакта слоев.

Известен способ производства труб, заключающийся в формировании коррозионностойкого слоя на частично расплавляемой внутренней поверхности трубы, изготовленной из углеродистой или низколегированной стали. Коррозионностойкий слой выполняют электрошлаковой наплавкой нержавеющим электродом (см. Чепурко «Биметаллические трубы», стр.220).

Недостатками указанного способа являются большой расход энергии на нагрев и плавление части объема трубы и материала электрода, а также ограничение применимости способа при внутреннем диаметре трубы, меньшем некоего порогового значения, определяемого габаритами оборудования для электрошлаковой наплавки.

В более широком диапазоне диаметров возможно использование известного способа создания защитного слоя на внутренней поверхности труб, заключающегося в лазерном легировании поверхности. Способ включает предварительный подогрев обрабатываемого изделия с последующим плавлением обрабатываемой поверхности фокусированным лазерным лучом (см., например, патент РФ №2032512, В23К 26/00).

Недостатком известного способа при использовании его для защиты изделий с большой площадью поверхности является низкая производительность и высокое энергопотребление во время технологического процесса вследствие малого отношения площади пятна лазерного нагрева к площади обрабатываемой поверхности и низкого КПД большинства лазерных технологических установок.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности обработки при снижении энергопотребления в процессе лазерного легирования.

Указанная задача достигается тем, что осуществляют лазерное легирование горячекатаных труб в процессе прокатки, при этом выполняют предварительный подогрев обрабатываемой поверхности, в качестве предварительного подогрева трубы используют штатный промежуточный нагрев трубной заготовки при формировании окончательного поперечного размера трубы, ограничивают ее теплообмен с окружающей средой и доступ кислорода во внутреннюю полость трубы, обработку лазерным лучом с плавлением поверхностного слоя и введением в расплав легирующих добавок, включающих раскислители, при этом обработку лазерным лучом проводят при температуре трубы не ниже 850 градусов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

На участке горячей прокатки труб трубопрокатного производства после прошивки исходной заготовки и ее раскатки до определенного промежуточного размера трубную заготовку подвергают нагреву в индукционной печи до температуры 900…1000 градусов. Разогретую заготовку прогоняют через редукционный стан, ролики которого формируют окончательный внутренний диаметр трубы. Часть энергии, выделяемой при силовом взаимодействии роликов с трубной заготовкой, передается телу трубы и, тем самым, замедляя процесс ее остывания.

После получения окончательного внутреннего диаметра трубы ограничивают ее теплообмен с окружающей средой, для чего, например, трубу обдувают горячим инертным газом.

При другом способе ограничения теплообмена трубу помещают внутрь контейнера, снабжаемого кольцевым слоем теплоизолирующего материала, фиксируют коаксиально его оси и транспортируют контейнер к месту лазерной обработки. Контейнер снабжают крышкой, хотя бы часть которой выполнена из оптически прозрачного для лазерного излучения материала.

Наличие теплоизолирующего элемента позволяет удерживать в трубе температуру обрабатываемой поверхности при лазерной обработке выше температуры фазового перехода из аустенита в феррит, т.е. 800 - 850 градусов для большинства марок сталей, используемых при изготовлении труб. Последующую лазерную обработку проводят без извлечения трубы из контейнера через оптически прозрачную крышку. Тем самым исключают затраты энергии, необходимой не только для нагрева обрабатываемой детали, но и, как минимум, для двукратной перестройки структуры кристаллической решетки стали в процессе фазового перехода.

Не допуская снижения температуры ниже указанной, исключают возможность образования горячих трещин в переходной зоне между создаваемым аустенитным легированным слоем и перлитной основой обработанной трубы в процессе ее остывания.

Размещая трубу в контейнере, ограничивают объем окружающего трубу воздуха внутренним пространством самого контейнера и, следовательно, количество, образующихся на поверхности обрабатываемого изделия окислов, имеющих значительно более высокую температуру плавления, что потребовало бы дополнительных энергозатрат, которые снижаются в предлагаемом решении. Для минимизации содержания кислорода возможно заполнение контейнера инертным газом. Положительным побочным эффектом является уменьшение трудоемкости очистки остывшей трубы от окалины.

Режимы лазерной обработки в рамках поставленной задачи создания промышленного способа легирования неразрывно связаны с мощностью технологических установок, которые способна производить современная промышленность. При ежегодной потребности в десятки миллионов насосно-компрессорных труб время обработки одной трубы представляет промышленный интерес при продолжительности не более 10-12 минут.

Сама по себе мощность лазерной установки не является достаточным условием для определения энергоемкости предлагаемого способа. Для более точного составления теплового баланса важнейшей величиной является количество тепла, подводимого к единице поверхности за единицу времени, т.е. плотность мощности подводимой энергии, которая определяет перепад температуры при распространении тепла внутри обрабатываемого изделия.

Указанное обстоятельство обусловливает необходимость проведения легирования сфокусированным лазерным лучом. Концентрируя лазерный луч на меньшей площади, можно повысить плотность мощности. Оптимальным вариантом является плотность мощности, при которой температура наружной поверхности трубы не изменилась бы при плавлении внутренней поверхности.

Искомая плотность мощности q_s определяется из соотношения: q_s=q₁/3,14 d_вн., a q₁ - плотность мощности, приходящаяся на единицу длины трубы, находится из решения уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки:

q₁=6,28×K×(Т_вн.-Т_нар.)/ln d_нар./d_вн., где

- К - коэффициент теплопроводности, принимаемый для стали равным 20 Вт/м град;

- Т и d - соответственно, температура и диаметр наружной и внутренней поверхностей.

Задав перепад температур 1500(треб.)-850(исх.)=650 градусов, определяем q₁=510500 Вт/м и получаем q_s=2,14·10⁶ Вт/м² или 214 Вт/см².

Для перехода металла из твердого в жидкое состояние каждой единице площади поверхности необходимо сообщить дополнительно 260 Дж тепла. Приняв, что это тепло передают поверхности ежесекундно, находим суммарную плотность мощности ЛТУ при лазерной обработке - 474 Вт/см².

Отсюда, определяем мощность лазера как:

N=q_s·S_обр./t_обр.=474·3,14·7,6·1000/720=16 кВт.

Необходимо отметить, что t_oбp. - это не временной параметр, а численно равный времени обработки (в секундах) коэффициент, определяемый отношением общей площади обработки S_oбp. к площади фокусировки (зоны лазерного воздействия - ЗЛВ) лазерного луча искомой мощности и понимаемый, как количество участков, на каждый из которых каждую секунду за общее время обработки необходимо подводить (в данном случае) 474 Дж тепла.

Лазерные технологические установки мощностью 15-20 кВт освоены современной промышленностью и не являются препятствием на пути внедрения предлагаемого технического решения. Задача создания технологической оснастки, работающей при температурах 850-900 градусов при сегодняшнем уровне технологий и существующих материалах также решается методами обычного проектирования. Жаропрочные стали и сплавы, интерметаллидные соединения, керамические и композиционные материалы предоставляют широкий выбор возможностей для создания как отклоняющих зеркал, так и других элементов конструкции технологической оснастки, способных выдержать предлагаемые условия эксплуатации. Поэтому описание устройства для выполнения предлагаемого способа не является необходимой частью настоящего описания.

Легирующие элементы, такие как никель и хром, можно ввести в ванну жидкого металла, например, вдуванием порошка из смеси необходимых добавок в зону лазерного воздействия. Химический состав порошка выбирают из условия содержания хрома и никеля в жидкой ванне на уровне 11-18% и 5-10%, соответственно.

Для восстановления железа, окисляющегося на поверхности разогретой выше 850°С трубы, в состав легирующих добавок включают марганец и кремний, процентное содержание которых составляет примерно 1-3% и 1-2%, соответственно. Тем самым минимизируются дополнительные энергозатраты, связанные с необходимостью плавления различных окислов, образующихся на обрабатываемой поверхности, температура которых значительно выше температуры плавления стали. Снижается также возможность образования газовых пор, получающихся вследствие появления в расплаве оксидов углерода при восстановлении углеродом железа из окислов.

После формирования на внутренней поверхности сплошного коррозионностойкого слоя в поверхностном слое материала тубы скорость окисления поверхности становится пренебрежимо малой. По завершении процесса охлаждения трубы на воздухе сохранится необходимость очистки от окалины только наружной поверхности трубы, что дополнительно снижает энергозатраты уже в технологическом процессе горячей прокатки труб.

Таким образом, при совмещении технологий горячей прокатки труб и лазерного легирования суммарно экономится до 50 процентов всей энергии, расходуемой при существующих технологиях лазерного легирования НКТ и горячей прокатке труб.

С учетом снижения трудоемкости изготовления горячекатаных труб, а также предложенного энергосберегающего способа защиты НКТ от коррозии можно прогнозировать не более чем двукратное увеличение стоимости легированной трубы. При этом лазерное легирование насосно-компрессорных труб позволит увеличить срок их эксплуатации не менее чем в четыре раза и позволит только в отечественной газонефтедобывающей отрасли ежегодно сэкономить порядка 30 миллиардов рублей в год.

Способ легирования внутренней поверхности горячекатаной стальной трубы, включающий предварительный подогрев обрабатываемой поверхности, в качестве которого используют штатный промежуточный нагрев трубной заготовки при формировании окончательного поперечного размера трубы, ограничение ее теплообмена с окружающей средой и доступа кислорода во внутреннюю полость трубы и обработку лазерным лучом с плавлением поверхностного слоя и введением в расплав легирующих добавок, включающих раскислители, при этом обработку лазерным лучом проводят при температуре трубы не ниже 850°С.