Способ индукционной термической обработки сварного соединения

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве труб. Способ индукционной термической обработки сварного соединения бурильных труб включает нагрев под аустенизацию до температуры не более 970°С с выдержкой 15-30 с на 1 мм поперечного сечения сварного соединения, охлаждение и отпуск при температуре Aс1 ± 30°С с выдержкой, увеличенной до трёх раз по отношению к выдержке при аустенизации. При обработке в поточной линии увеличение времени выдержки при отпуске может быть реализовано за счет установки дополнительного реле времени. Предлагаемый способ позволяет сократить количество технологических операций и проводить индукционную термическую обработку сварного соединения в один цикл, при этом гарантировать эксплуатационные характеристики бурильной трубы с замком из высокопрочных сталей. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при производстве труб, а именно при проведении индукционной термической обработки зоны сварного соединения высокопрочных бурильных труб с замками.

Известен способ производства бурильных труб с приваренными замками без проведения отдельной операции термической обработки путем организации самоотпуска зоны сварного соединения в процессе приварки. Самоотпуск реализуется за счет укрытия внутреннего грата, образующегося в процессе приварки, в проточке специальной втулки и тем самым аккумуляции тепла грата и последующей его отдачи [пат. РФ №2268815, опубл. 27.01.2006].

Недостатком данного способа является то, что проведение самоотпуска не обеспечивает выполнение требований международного стандарта API Spec 5DP/ISO 11961 по величине работы удара сварного соединения (не менее 16 Дж), для чего необходимо проведение отдельной операции термической обработки.

Известен способ термической обработки, включающий аустенизацию, охлаждение и двойной отпуск при температурах 750°С и 700-720°С, который обеспечивает оптимальное сочетание прочности и вязко-пластических свойств металла в зоне сварного соединения высокопрочных бурильных труб [Труды XIV Международной научно-практической конференции «Трубы-2006», 2006, с. 253-261, г. Челябинск].

Недостатком данного способа термической обработки является снижение производительности поточной линии термической обработки сварного соединения бурильных труб с замками из-за необходимости проведения второго цикла термообработки, предусматривающего повторную загрузку труб в поточную линию для проведения второго отпуска.

Наиболее близким по существу является способ термической обработки сварного соединения бурильных труб с замками в поточной линии на индукционных установках ИНН-100/24 по следующим вариантам [пат. РФ №2537633, опубл. 10.01.2015]:

- вариант 1: аустенизация при температуре Ас3 + (70…120)°С, охлаждение, отпуск в диапазоне температур Ac1 - 80°С (один цикл);

- вариант 2: аустенизация при температуре Ас3 + (70…120)°С, охлаждение, дополнительный нагрев в межкритический интервал (МКИ) температур Ac1 + (20…80)°С, охлаждение, отпуск при температуре не более Ac1 (два цикла).

Недостатком указанного способа термической обработки является то, что требуемые значения работы удара (не менее 16 Дж) зоны сварного соединения трубы и замка и твердость в зоне термического влияния (не более 37 HRC) высокопрочных бурильных труб из хромомолибденовых марок стали с пределом текучести 1138 МПа и менее достигаются только при проведении термической обработки в два цикла (вариант 2 прототипа), что снижает производительность поточной линии ввиду необходимости повторной загрузки труб в начало поточной линии (т.е. на второй цикл термообработки, включающий отпуск), что в свою очередь приводит к увеличению себестоимости продукции. А при проведении термической обработки в один цикл (аустенизация, охлаждение, отпуск) в соответствии с известным способом (вариант 1 прототипа) установлено, что кратковременного индукционного нагрева при отпуске хромомолибденовых марок стали с пределом текучести 1138 МПа и менее не достаточно для разупрочнения металла в зоне сварного соединения трубы и замка, в результате чего наблюдаются несоответствия требованиям нормативных документов (ГОСТ Р 54383 и международный стандарт API Spec 5DP/ISO 11961) по величине работы удара и твердости (отдельные значения твердости превышают 37 HRc).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение работы удара не менее 16 Дж и твердости не более 37 HRc металла в зоне сварного соединения при проведении индукционной термической обработки сварного соединения в один цикл (т.е. сокращение количества операций процесса индукционной термической обработки сварного соединения при производстве высокопрочных бурильных труб с замками).

Поставленная задача решается за счет того, что в способе индукционной термической обработки сварного соединения бурильных труб с замками, включающем аустенизацию, охлаждение и отпуск, аустенизацию проводят при температуре не более 970°С, а отпуск проводят при температуре Ac1±30°С, при этом время выдержки при аустенизации задают из расчета от 15 секунд до 30 секунд на 1 мм поперечного сечения сварного соединения, а при отпуске время выдержки увеличивают до 3 (трех) раз по отношению к времени выдержки при аустенизации.

Технический результат обеспечивается за счет температурных и временных параметров заявленного способа индукционной термической обработки.

Приварка замков к бурильным трубам осуществляется трением, то есть путем пластической деформации нагретых трением торцов замка («хвостовика» замка) и высаженной части трубы. В результате данного процесса металл в зоне сварного соединения характеризуется значительной неоднородностью микроструктуры, высокими остаточными напряжениями, неудовлетворительным комплексом механических свойств. Для формирования однородной микроструктуры и оптимального комплекса механических свойств металл зоны сварного соединения подвергают индукционной термической обработке, включающей аустенизацию, охлаждение и отпуск.

Из существующего уровня техники известно, что нагрев при аустенизации необходимо проводить значительно выше критической точки Ас3, поскольку при скоростном нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) процессы растворения карбидных частиц и гомогенизации аустенита смещены в область более высоких температур, чем при обычном (печном) нагреве.

Экспериментальным путем нами установлено, что при индукционном нагреве выше 970°С значительно увеличивается риск роста зерна аустенита и в результате снижается вязкость металла сварного соединения. Таким образом, аустенизацию необходимо проводить при температуре не более 970°С.

Выдержка при проведении аустенизации высокопрочных сталей обеспечивает насыщение аустенита легирующими элементами и формирование однородной микроструктуры при последующем охлаждении. Для протекания данных процессов при скоростном нагреве ТВЧ выдержка должна составлять не менее 15 секунд на 1 мм поперечного сечения сварного соединения. Для исключения перегрева поверхностных слоев металла опытным путем нами определено максимальное время выдержки - 30 секунд на 1 мм поперечного сечения сварного соединения.

Установленные нами максимальные параметры проведения аустенизации металла сварного соединения, а именно температура нагрева 970°С и выдержка из расчета 30 секунд на 1 мм поперечного сечения, обеспечивают наиболее полное снятие напряжений и получение однородной микроструктуры. В случае превышения температуры нагрева более 970°С или выдержки более 30 секунд на 1 мм поперечного сечения при максимально допустимой температуре (970°С) наблюдается интенсивное укрупнение зерна аустенита, что приводит к неоднородности микроструктуры и ухудшению комплекса свойств металла сварного соединения.

Для формирования конечного комплекса прочностных свойств и выполнения требований к работе удара металла после аустенизации и охлаждения требуется проведение высокого отпуска. В случае скоростного нагрева ТВЧ определено, что допустимо вести нагрев при максимально возможной температуре отпуска - вблизи критической точки фазовых превращений Ас1. Для исключения протекания обратного фазового превращения с образованием аустенита в металле экспериментально определен допустимый интервал температур нагрева при отпуске: Ac1±30°С.

Для наиболее полного протекания процессов разупрочнения металла в зоне сварного соединения и обеспечения требуемого комплекса свойств при нагреве ТВЧ высокопрочных хромомолибденовых сталей предложено вести процесс не только при максимально допустимых температурах отпуска, но и с увеличением выдержки. Увеличение выдержки при отпуске позволило реализовать в более полной мере процессы коагуляции карбидов и тем самым повысить работу удара металла в зоне сварного соединения. Время выдержки определено экспериментально в зависимости от толщины поперечного сечения сварного соединения. Во избежание разупрочнения прилегающих зон (высаженная часть трубы и «хвостовик» замка) выдержка при отпуске может быть увеличена не более чем в 3 (три) раза по отношению к выдержке при аустенизации.

Заявленный способ может быть осуществлен в поточной линии термической обработки сварного соединения бурильных труб с замками, которая включает в себя две станции камер индукционного нагрева ИНН-100/24 (первая станция аустенизации и вторая станция отпуска) и станцию охлаждения между ними. Все три станции расположены на одной платформе и связаны единым механизмом транспортировки труб.

Для реализации заявленного способа в поточной линии применяют схему управления станциями индукционного нагрева с измененной последовательностью операций относительно стандартной (применяемой в прототипе):

1) закладка труб в станции аустенизации и отпуска одновременно,

2) включение нагрева в станции отпуска,

3) по истечении определенного времени (с задержкой) включение нагрева в станции аустенизации (при стандартной схеме управления в поточной линии станции аустенизации и отпуска включаются/отключаются одновременно),

4) отключение нагрева в станциях аустенизации и отпуска одновременно,

5) передача труб от станции аустенизации на станцию охлаждения,

6) передача труб от станции охлаждения на станцию отпуска.

При обработке в поточной линии увеличение времени выдержки в станции отпуска реализовано за счет установки дополнительного реле времени в цепь управления станцией аустенизации, функция которого состоит в том, чтобы удерживать работу преобразователя и по истечению заданного времени переводить в положение «заданная мощность». Таким образом, нагрев в станции аустенизации осуществляется с задержкой, а отключение нагрева в станциях аустенизации и отпуска происходит одновременно.

Предлагаемый способ индукционной термической обработки реализован в Публичном акционерном обществе «Синарский трубный завод» (ПАО «СинТЗ») в поточной линии термической обработки сварного соединения в трубопрокатном цехе №2 (Т-2) при изготовлении промышленных партий бурильных труб из хромомолибденовой марки стали 32ХГМА с приваренными замками:

- по ГОСТ Р 54383 размером 88,9×8,0 мм (толщина сварного соединения 23,5 мм) группы прочности G (предел текучести металла трубы 724-931 МПа);

- по API Spec 5DP/ISO 11961 размером 88,9×9,35 мм (толщина сварного соединения 25,2 мм) группы прочности S (предел текучести металла трубы 931-1138 МПа).

В индукционных установках ИНН-100/24 выполнен нагрев и выдержка при температурах 950°С в станции аустенизации (что соответствует не более 970°С) и 730°С в станции отпуска (что соответствует Ac1±30°С).

Время выдержки в станции аустенизации при температуре 950°С:

- 8 минут для труб с толщиной сварного соединения 23,5 мм (из расчета 21 секунда на 1 мм поперечного сечения);

- 9 минут для труб с толщиной сварного соединения 25,2 мм (из расчета 22 секунды на 1 мм поперечного сечения).

При этом включение нагрева в станции аустенизации выполнено с задержкой в 7 минут с момента включения нагрева в станции отпуска.

Время выдержки в станции отпуска при температуре 730°С:

- 15 минут для труб с толщиной сварного соединения 23,5 мм;

- 16 минут для труб с толщиной сварного соединения 25,2 мм.

Время выдержки при отпуске подобрано экспериментально на основании результатов механических испытаний металла сварного соединения. Увеличение выдержки при отпуске составило примерно в 2 (два) раза по отношению к выдержке при аустенизации.

Результаты механических испытаний сварного соединения бурильных труб после проведения термической обработки по предложенному способу и существующему способу (взятому за прототип) приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, выполнение установленных требований к механическим свойствам металла в зоне сварного соединения: значения работы удара не менее 16 Дж и твердость не более 37 HRc, обеспечивается в результате термической обработки по предложенному способу в один цикл и по существующему способу (взятому за прототип), состоящему из двух циклов. Однако проведение второго цикла термической обработки ведет к значительной потере производительности поточной линии и экономически нецелесообразно.

Предлагаемый способ позволяет сократить количество технологических операций и проводить индукционную термическую обработку сварного соединения в один цикл, и при этом гарантировать эксплуатационные характеристики бурильной трубы в сборе с замком из высокопрочных сталей.

1. Способ индукционной термической обработки сварного соединения бурильных труб, включающий нагрев зоны сварного соединения под аустенизацию, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что нагрев под аустенизацию осуществляют до температуры не более 970°С с выдержкой 15-30 с на 1 мм поперечного сечения зоны сварного соединения, а отпуск проводят при температуре Ac1±30°С с выдержкой, время которой устанавливают с увеличением до трех раз по отношению к времени выдержки при аустенизации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управляют временем выдержки при отпуске с помощью реле времени.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термической обработки. Для увеличения долговечности рельса согласно настоящему изобретению устройство термической обработки для снятия напряжений рельса, который сварен, содержит катушку индукционного нагрева, которую размещают на боковой поверхности шейки рельса на расстоянии от центра сварного шва рельса от 20 до 300 мм в продольном направлении рельса.

Изобретение относится к способу лазерно-порошковой наплавки защитного покрытия на входную кромку рабочей лопатки паровой турбины из стали марки 13Х11Н2В2МФ-Ш, или 15Х11МФ-Ш, или 20X13.

Изобретение может быть использовано для соединения сваркой трением с перемешиванием деталей из дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов. Детали прижимают по линии соединения друг к другу и вводят вращающийся сварочный инструмент в зону соединения деталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к толстостенным стальным трубам, которые могут быть использованы для бурения или транспортировки нефти и природного газа.
Изобретение может быть использовано для повышения технологических и эксплуатационных характеристик сварных конструкций и сложных деталей, изготовленных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием, в частности, при изготовлении различных конструкций для автомобильной промышленности, например для производства дисков автомобильных колес.

Изобретение относится к способу автоматической сварки толстостенных крупногабаритных деталей из сплава на основе Ni-Cr и может быть использовано в производстве ЖРД.

Изобретение относится к области сварки, а именно к технологии сварки толстостенных конструкций. Для повышения стойкости к появлениям трещин во время эксплуатации за счет улучшения механических свойств способ включает наложение циклической нагрузки на кристаллизующийся металл сварочной ванны.

Изобретение относится к высокопрочной стальной трубе с низким отношением предела текучести к пределу прочности, сваренной электрической контактной сваркой, с отношением предела текучести к пределу прочности 80% или менее и TS 655 МПа или более и способ ее изготовления.

Изобретение относится к способу снижения остаточных напряжений и может быть использовано при производстве сварных конструкций. Воздействуют потоком дроби направленным на поверхность сварного соединения.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сваркой оплавлением стальной детали, в частности подшипникового кольца. При осуществлении стыковой сварки производят оплавление и осадку с получением сварного шва (24).

Изобретение относится к области металлургии, нефтяного машиностроения и ремонта подземного оборудования нефтяных скважин и может быть использовано для изготовления и ремонта (восстановления) насосно-компрессорных труб (НКТ).

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения устойчивости к водородному растрескиванию поверхности магистральной трубы, используемой для высокосернистого газа, имеющей толщину 20 мм или более и прочность на разрыв 560 МПа или более, труба выполнена из стали, содержащей химическую композицию С, Si, Mn, Р, S, Al, Nb, Са, N и О, а также один или более компонентов, выбираемых из Cu, Ni, Cr, Mo, V и Ti, в качестве необязательных компонентов, и остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения стойкости к водородному растрескиванию магистральной трубы с толщиной стенки 20 мм или больше и пределом прочности при растяжении, равным 560 МПа или выше, ее выполняют из стали, содержащей С, Si, Mn, Р, S, Al, Nb, Ca, N и О, один или несколько компонентов, выбранных из Cu, Ni, Cr, Mo, V и Ti, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления насосно-компрессорных труб из легированных конструкционных сталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к толстостенным стальным трубам, которые могут быть использованы для бурения или транспортировки нефти и природного газа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной бесшовной стальной трубе, пригодной для применения в нефтяных скважинах. Бесшовная стальная труба выполнена из стали, содержащей в мас.%: С 0,15-0,50, Si 0,1-1,0, Μn 0,3- 1,0, Р 0,015 или менее, S 0,005 или менее, Al 0,01-0,1, N 0,01 или менее, Cr 0,1-1,7, Mo от 0,40-1,1, V от 0,01-0,12, Nb 0,01-0,08, Ti 0,03 или менее, В 0,0005-0,003, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к высокопрочной стальной трубе с низким отношением предела текучести к пределу прочности, сваренной электрической контактной сваркой, с отношением предела текучести к пределу прочности 80% или менее и TS 655 МПа или более и способ ее изготовления.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированной стали для труб нефтепромыслового сортамента. Сталь имеет химический состав, содержащий, в мас.%: С: от 0,56 до 1,00, Si: от 0,05 до 0,50, Mn: от 0,05 до 1,00, Р: не более 0,025, S: не более 0,010, Al: от 0,005 до 0,100, Mo: от 0,40 до 1,00, V: от 0,07 до 0,30, О: не более 0,010, N: не более 0,03, остальное - Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению электросварных труб из высокоуглеродистой стали. Способ изготовления трубы из высокоуглеродистой стали включает получение трубы из высокоуглеродистой стали в качестве исходной трубы из стали, содержащей, мас.%: от 0,25 до 0,60 углерода, от 0,01 до 2,0 кремния, от 0,2 до 3,0 марганца, от 0,001 до 0,1 алюминия, от 0,001 до 0,05 фосфора, от 0,0001 до 0,02 серы, от 0,0010 до 0,0100 азота, от 0,0003 до 0,0050 бора, от 0,0001 до 0,0050 кальция, железо и случайные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных нержавеющих сталей, используемых для изготовления бесшовных труб для нефтяных скважит.
Наверх