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 840-860ºC, тогда как после скоростной нормализации оптимальная температура составила 900-960ºC. Сталь 36Г2С после скоростной нормализации была наиболее прочной.
Нормализация труб из стали 36Г2С при температуре нагрева 850ºC и выше с применением скоростного нагрева в секционных печах практически не изменяет предела текучести, уменьшает на 9,8-29,4 Мн/м² (1,0-3,0 кг/мм²) 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 650ºC.
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 850ºС, отпуска 650ºС.
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 40-60ºС.
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 850ºС, отпуска 650ºС, воды 40-60ºС.
Рисунок 6.- Микроструктура стали после закалки и отпуска.×500
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 40-60ºС.
Закалка в ванне труб (299х9мм) из сталей марок С, Д и К с температур 840-850ºС с последующим отпуском при 640-650ºС 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
| Марка стали | Химический состав, % | Механические свойства | Обеспечивает категорию прочности | ||||||
| C | Mn | Si | P | S | Предел прочности, Мн/м² (кг/мм²) | Предел текучести, Мн/м² (кг/мм²) | Относительное удлинение, % | ||
| С | 0,36 | 0,67 | 0,15 | 0,013 | 0,031 | 589,4-642,3 (60,1-65,5) | 407,9-529,6 (41,6-53,9) | 19,9-23,2 | С |
| Д | 0,45 | 0,90 | 0,29 | 0,014 | 0,031 | 693,3-725,7 (70,7-73,9) | 568,8-581,4 (58,0-59,3) | 17,0-22,1 | К |
| К | 0,37 | 1,68 | 0,58 | 0,024 | 0,034 | 745,3-769,8 (75,9-78,5) | 652,1-669,7 (66,5-68,3) | 17,4-20,5 | Е |
Микроструктура всех труб – сорбит различной степени дисперсности.
Скоростной нагрев, закалка в спреере. В настоящее время нет достоверных данных о влиянии на механические свойства металла скоростного нагрева под закалку при различных температурах.
При нагреве стали 36Г2С со скоростью 8 град/сек с увеличением температуры закалки от 870 до 1000ºС прочность и пластичность стали повышаются: предел прочности с 961,0 (98) до 1098 Мн/м² (112 кг/мм²), предел текучести с 813,9 (82) до 1029,6 Мн/м² (105 кг/мм²), относительное удлинение с 14 до 16% и ударная вязкость с 7,84 (8) до 10,8 Мдж/м² (11 кг·м/см²).
Закалка от температуры 800-1000ºС при обычном нагреве с выдержкой практически не изменяет предела прочности и предела текучести.
Ударная вязкость и относительное сужение достигают наиболее высоких значений после закалки от 840ºС. Дальнейшее повышение температуры закалки ведет к понижению пластичности.
Скоростная термическая обработка позволяет получать механические свойства даже несколько более высокие, чем при обычной термической обработке, однако температура нагрева при скоростной закалке должна быть несколько более высокой.
Гладкие обсадные и другие трубы при скоростной закалке подвергают только наружному струйному охлаждению.
Из стали низколегированной марки 36Г2С путем скоростного нагрева в сочетании со струйным охлаждением можно получать трубы марок Л и М.
Трубы размером 73х9х7000мм из стали 36Г2С химического состава С=0,38%, Mn=0,54%, Si=1,52%, P=0,028%, S=0,023%, Cr=0,09%, Ni=0,10% нагревали под закалку в секционной печи со скоростью 4,6 –5,0 град/сек до температуры 860-870ºС.
Охлаждение водой осуществляли в спреере соплового типа. Длина спреера и давление воды обеспечивали охлаждение труб до комнатной температуры за время прохождения их через спреер.
Скорость нагрева труб в секционных печах под отпуск 5,5-6,5 град/сек. Температура отпуска 660ºС. Охлаждение после отпуска на воздухе.
Все обработанные указанным способом трубы удовлетворяли требованиям стандарта марки М (95%) и марки Л (5%) по всем характеристикам механических свойств, за исключением предела прочности.
У основной массы труб (75% из стали 36Г2С) предел текучести превышал 833,6 Мн/м2 (85 кг/мм2), а характеристики пластичности и ударной вязкости не только соответствовали требованиям стандарта для сталей Л и М, но в большинстве случаев значительно превышали их.
Относительное удлинение для 88% из стали 36Г2С было выше 16%, ударная вязкость для 90% труб выше 8,82 Мдж/м (9кг*м/см2).²
Типичной микроструктурой металла труб после термической обработки является сорбит отпуска. Вследствие недостаточного нагрева труб под закалку иногда наблюдалась структура сорбита с ферритной составляющей по границам аустенитных зерен.
Высокая температура горячей деформации труб приводила к крупнозернистой структуре металла труб (балл 2-3), представляющей собой перлит с ферритной сеткой по границам аустенитных зерен. Такая исходная структура затрудняет аустенизацию стали при скоростном нагреве под закалку. Для улучшения качества термообработанных труб целесообразно горячекатаные трубы перед закалкой подвергать нормализации.
Увеличение давления и расхода охлаждающей воды при одностороннем охлаждении не дает положительного эффекта.
Опытные данные показали, что двустороннее охлаждение в спреере обеспечивает сквозную прокаливаемость концов обсадных труб и дает возможность получать из стали 36Г2С обсадные трубы марки Л и М, а из стали Д трубы марки Е и К.
Уменьшение механических свойств высаженных концов термически обработанных труб объясняется не только изгибом волокон, что имеет место и в трубах просто нормализованных, но также и возможной неполной прокаливаемостью стенок. Однако, как показали исследования, в условиях достаточного нагрева и охлаждения при скоростной термической обработке можно получить трубы, у которых механические свойства тела трубы и высаженных концов будут равномерными и достаточно высокими. Этому в значительной мере способствует нормализация обсадных труб перед окончательной термической обработкой, которая измельчает зерно стали, выросшее в процессе высадки. Более дисперсная структура металла, как известно, ускоряет его аустенизацию при нагреве, что особенно важно при скоростной термической обработке.