Full Text

Введение Структура и состав стали существенно влияют на процессы сварки и наплавки. Современные транспортируемые среды большинства нефтяных месторождений характеризуются наличием растворенных CO2, H2S. Исходя из этого, стоят задачи получения прочной, надежной и однородной, с повышенной коррозионной стойкостью структуры стали [1, 2]. Трубы обычно изготовляют из сплавов системы Fe-Mn-Si-(V), стали типа 09Г2С, 20Ф, 09ГСФ, 17Г1С, 14Г2, имеют невысокий уровень механических характеристик и низкую коррозионную стойкость в средах с CO2. Наибольшую стойкость к коррозионно-механическому разрушению имеет сталь 08ХМФА, характеристики которой можно еще несколько улучшить микролегированием [3]. Структура низкоуглеродистых сталей, применяемых для сварки, ферритно-перлитная (ФПС). ФПС шва и зоны термического влияния (ЗТВ) получают после сварки в широких интервалах варьирования температуры нагрева и скорости охлаждения. Стали с содержанием углерода до 0,25-0,3 % обеспечивают качественные сварные швы, равномерное распределение участков перлита и феррита в сердцевине свариваемых деталей и в ЗТВ. Радикальным способом повышения прочности является применение перлитных сталей (ПС). Для низколегированных сталей рост прочности Δσ за счет увеличения доли перлита может быть определен из выражения где П - объемная доля перлитной составляющей, %. Другим фактором, определяющим прирост прочности, является дисперсность ПС. В легированных сталях образуется псевдоперлит с содержанием углерода меньше эвтектоидного [4]. Качество бурильных труб зависит от двух основных показателей: коррозионной стойкости [5, 6] и конструкционной прочности [7-13]. В свою очередь, структурный состав стали определяет эксплуатационные свойства [14-21]. Работоспособность изделий во многом также определяет конструкция [22-25]. ПС имеют более высокую прочность по сравнению с ФПС, и предпочтительным способом их соединения является сварка трением. Цель работы - определение структуры ЗТВ, сердцевины, наплавки и области ее соединения с поверхностью трубы после сварки трением перлитных сталей. Методы исследования и эксперимента Сварку осуществляли с помощью аппарата для сварки трением Thompson-125Т при частоте вращения 1100 об / мин, давление при нагреве составляло 80 кН, давление при сварке 160 кН. В процессе трения свариваемые участки заготовок нагревали до пластического состояния и соединяли под давлением, обеспечивающим образование металлической связи. Термическую обработку стыковых швов проводили на установке индукционного нагрева: температура нагрева - 650 °C, продолжительность нагрева - 60 с, продолжительность выдержки - 15 с. Наплавку осуществляли с помощью сварочного аппарата Castolin DS-XM с вращателем и шаговым двигателем продольного перемещения производства ООО «ПЛАТИНУМ-Сервис», допускающим автоматические режимы наплавки. Для наплавки использовали сварочную проволоку диаметром до 3 мм, газовую смесь типа Ar/(15-25)CO2, обратную полярность; продольная подача горелки 5-10 мм/об в мин, скорость подачи проволоки 5-8 м/мин; расход газа определяли по ротаметру: 10-15 л/мин. Анализ содержания углерода и серы проводили кулонометрическим методом с помощью экспресс-анализатора АН-7529М (на углерод) и АС-7932М (на серу). Состав сталей исследовали химическим анализом и рентгеноспектральным методом на электронном микроскопе MIRA 3 TESCAN OXFORD INSTRUMENTS X-MAX. Химический состав материала исследуемых деталей представлен в табл. 1. Для определения механических свойств материала бурильной трубы высаженной части, сварного шва, наплавки и основного материала трубы проведены испытания на растяжение продольных пятикратных образцов типа III № 7 на разрывной машине УЭМ-10Т при комнатной температуре, скорости нагружения 5 мм/мин и масштабе записи 25 в соответствии с ГОСТ 1497-84 с учетом требований ASTM A370; испытания ударной вязкости стандартных образцов типа 11 - при температуре +20 °С на маятниковом копре КМ-30 в соответствии с ГОСТ 9454-78 с учетом требований ASTM E23; измерение твердости по методу Бринелля - в соответствии с ГОСТ 9012-59, по Роквеллу вдавливанием конуса - по ГОСТ 9013-59 и микротвердости на приборе ПМТ-3 - по ГОСТ 9450-71; металлографический анализ - на Neophot-32 и цифровом инвертированном микроскопе Zeiss Axiovert 40MA, электронно-микроскопический анализ на Hitachi S-3400N и Phenom Pro X. Результаты и их обсуждение Как следует из табл. 1, для изготовления трубы и замка использовали близкие по составу и механическим свойствам низколегированные стали с достаточно высоким пределом прочности (на уровне 1000 МПа) и ударной вязкостью KCV не менее 120 Дж/см2 (табл. 2). Таблица 1 Химический состав элементов буровой трубы и наплавочной проволоки Название детали Химический состав, мас. % C Si Mn Cr Ni Mo Cu V Mo Al S P Тело трубы 0,26 0,23 1,07 0,99 - - - 0,07 0,30 0,035 0,001 0,007 Тело замка 0,36 0,27 0,93 1,07 0,04 0,30 0,06 - 0,30 - 0,001 0,007 НП (1T46785)* 0,34 1,16 1,01 1,04 0,07 0,01 0,1 0,01 0,01 - 0,006 0,014 Примечание: НП - наплавляемая проволока; * - условное обозначение плавки. Таблица 2 Механические свойства элементов буровой трубы и наплавочной проволоки Механические свойства Название детали Предел текучести σ0,2, МПа Временное сопротивление σB, МПа Относительное удлинение δ, % Ударная вязкость KCV+20, Дж/см2 Твердость, HRC (зона на рис. 1) Тело трубы 1020 1090 21 159 31,8 (8) Сварной шов 810 890 19 120 28,6 (5) Тело замка 1010 1100 21 128 31,7 (1) НП 830 1080 10 - 30,0 Примечание: НП - наплавляемая проволока. Схематическое изображение сварного шва и наплавок показано на рис. 1. Рис. 1. Схематическое изображение сварного шва и наплавок: 1, 5, 8 - место замера твердости на замке, сварном шве и трубе соответственно; 2, 7 - первая и вторая наплавки; 3 - замок; 4 - сварной шов; 6 - труба; 9 - ширина зоны термического влияния (ЗТВ) Результаты измерений механических свойств при испытании на растяжение, распределение твердости (рис. 2) и ударная вязкость указывают на то, что стали имеют структуру перлитного типа. Твердость в поверхностном слое наплавки имеет значения 290-300 НV, что объясняется высокой скоростью охлаждения расплава и формированием сорбито-перлитной структуры. В средней части наплавленного слоя значения монотонно снижаются, что обусловлено замедленным охлаждением. При движении от наплавки к материалу основы замка и тела трубы твердость монотонно повышается до 280-340 HV (см. рис. 2, а, б), изменения твердости в области наплавки видны и в зонах термического влияния. В ЗТВ сохраняется твердость на уровне 260-280 HV, минимальная твердость определена на расстоянии 6 мм от наружной поверхности наплавки. Замеры твердости в продольном направлении (см. рис. 2, в), выполненные в основном материале через весь образец, показали, что при сварке трением зона сварки по твердости несильно отличается от других областей. В ЗТВ сварного шва микротвердость находилась в интервале 209-220 HV. Микроскопически и визуально изменения видны (рис. 3, 4). Небольшой рост твердости вблизи поверхностей и зон термического влияния объясним более высокой скоростью охлаждения. В результате электронно-микроскопических исследований получены следующие данные о структуре (см. рис. 4, табл. 3). Величина среднего действительного размера зерна варьируется в узком интервале от 15 мкм в зоне поверхности наплавки до 44 мкм в зоне основного материала (табл. 4). Результат хорошо согласуется с данными механических испытаний. Стоит отметить, что дефекты металлургического характера типа несплошностей, микротрещин, пор в исследуемых структурах не обнаружены. Выводы 1. Применение сварки трением позволяет соединять стали с перлитной структурой и сохранять в ЗТВ структуру перлитного типа. 2. Высокая скорость охлаждения поверхности после оплавления является причиной образования сорбито-перлитной структуры в поверхностном слое, которая переходит в перлитную в удаленных от поверхности областях. 3. Полученные результаты дают основания для применения среднеуглеродистых низколегированных перлитных сталей в качестве материала бурильных труб. Рис. 2. Изменение микротвердости в замке (а), трубе (б) и при измерении от замка к трубе через зону сварного шва (в) а б в г д Рис. 3. Микроструктура первой (а) и второй (д) наплавок, замка (б), сварного шва (в) и тела трубы (г) а б в г д Рис. 4. Электронно-микроскопические исследования первой (а), второй (д) наплавок, замка (б), сварного шва (в) и тела трубы (г) Таблица 3 Результаты анализа пластинчатой структуры Место анализа Средний размер пластинок Межпластинчатое расстояние, нм феррита, нм цементита, нм Наплавка № 1 (см. рис. 4, а) 190 170 360 Замок (см. рис. 4, б) 275 295 570 Сварной шов (см. рис. 4, в) 270 265 540 Труба (см. рис. 4, г) 240 235 475 Наплавка № 2 (см. рис. 4, д) 680 780 1500 Таблица 4 Результаты анализа зеренной структуры Характеристика места измерения (номер зоны на рис. 1) Номер зерна Средний диаметр зерна, мкм Наплавка № 1 (2) 8-9 15-22 Замок (3) 6-7 31-44 Сварной шов (4) 8 22 Труба (6) 7 31 Наплавка № 2 (7) 8 22

About the authors

S. K Laptev

Perm National Research Polytechnic University

A. A Shatsov

Perm National Research Polytechnic University

S. K Grebenkov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 103

PDF (Russian) - 48

Refbacks

• There are currently no refbacks.