Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С
Министерство Образования и Науки Украины
Национальная Металлургическая Академия Украины
Кафедра термической обработки металлов
Реферат
на тему:
˝Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С ˝
Подготовила ст.гр. МТ-97-2 Черных Е.С.
Проверил преподаватель Прядко Е.И.
г.Днепропетровск
2001г.
Содержание:
Стр.
Введение………………………………………………………………..3
1.Назначение обсадных труб...………………………………..……...4
2.Сортамент и технические требования, предъявляемые к
обсадным трубам………………………………………………………5
3.Материал обсадных труб……..……………………………….…….6
4.Технологическая схема производства обсадных труб…………….7
5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С…………..8
5.1.Нормализация труб………………………………………………...8
5.2.Закалка и отпуск труб……………………………………………..12
5.3.Термическая обработка концов труб……………………………..16
6.Термомеханическая обработка обсадных труб……………………16
7.Контроль качества труб после термической и
термомеханической обработки……………………………………….18
Литература……………………………………………………………..19
Введение
В отличие от других видов металлопродукции для труб характерны развитая поверхность (наибольшее отношение площади поверхности к массе), наличие внутренней полости, значительный сортамент по геометрическим размерам, способам производства и назначению.
По способу производства трубы подразделяют на литые, бесшовные и сварные. Основной объём производства составляют бесшовные и сварные. По назначению трубы подразделяют: на трубы для нефте- и газодобывающей промышленности, теплоэнергетики, магистральных газо- и нефтепроводов, трубы для производства подшипников, химической промышленности, строительства и т.д.
Условия эксплуатации труб различного назначения позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к материалу для их производства. Так, для труб нефтяного сортамента условия эксплуатации весьма разнообразны: интервал рабочих температур от –60 до 150-200єC, знакопеременные нагрузки (бурильные и насосно-компрессорные трубы), коррозия под напряжением в среде сероводорода. В этой связи трубы для добычи нефти и газа должны обладать высокой прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостному и хрупкому разрушению. Для северных районов требуется высокая хладостойкость металла труб.[1]
1.Назначение обсадных труб
При бурении нефтяных скважин стальные трубы используют для передачи вращения породоразрушающему инструменту, для крепления стенок скважин в процессе бурения и эксплуатации, для транспортировки нефтепродуктов на поверхность и других целей. Стоимость труб в общей стоимости бурового оборудования составляет около 60%.
По своему назначению трубы нефтяного сортамента разделяют на бурильные, утяжелённые бурильные, рабочие (или ведущие) бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы.
При бурении и эксплуатации скважин из труб этих видов составляют бурильные, обсадные и насосные колонны, в которых отдельные трубы соединяют между собой с помощью специальных резьбовых соединений.
Передачу вращения породоразрушающему инструменту (в случае роторного способа), транспортировку жидкости или газа для очистки забоя скважины от разрушенной породы осуществляют с помощью бурильной колонны.
Для предохранения скважин от обрушения в скважину опускают колонну обсадных труб. Обычно обсадная колонна состоит из следующих элементов (рис.1):
Направление (а) служит для крепления устья
скважин и направления потока промывочной
жидкости. Направление опускается на глуби-
ны порядка 4-6 м.
Кондуктор (б) служит для перекрытия верх
них слабых слоёв пород, для изоляции сква-
жин от возможного притока грунтовых вод и
обеспечения вертикального направления
стволу скважины. Кондуктор обычно опуска
ется на глубину 40-60 м, а в глубоких сква-
жинах – до 600 м.
Промежуточные колонны (в) опускают в за-
висимости от общей глубины скважины на
2000-3000 м, они в основном служат для ра
зобщения пластов.
Эксплуатационная колонна (г) служит для
изоляции продуктивного горизонта от дру-
гих и обеспечивает доступ к нему. Иногда
её используют для извлечения нефти и газа
на поверхность.
Обсадные трубы испытывают три вида нагрузок – растяжение, наружное (сминающее) и внутреннее давление. Растягивающие нагрузки вызываются собственным весом колонны обсадных труб. Обычно напряжения в обсадных трубах соответствуют разности наружного и внутреннего давлений. Но в некоторых случаях трубы могут оказаться под действием только наружного или только внутреннего давления. В этом случае трубы находятся в наиболее тяжёлых условиях работы.
Для транспортировки нефтепродуктов на поверхность используют колонны, составленные из насосно-компрессорных труб.[2]
2. Сортамент и технические требования, предъявляемые
к обсадным трубам
Изготовление труб для нефтяной и газовой промышленности производится по специальным стандартам или техническим условиями, в которых строго регламентированы: размеры труб по диаметру и толщине стенки, длина труб, размеры соединений, категория прочности материала, а также точность изготовления труб и резьб, виды и методы испытаний.
В СНГ обсадные трубы изготавливают по ГОСТ-632-57 только бесшовными диаметром 114-426 мм с толщиной стенки 6-14 мм. Длина резьбы на трубах увеличивается с 79,5 до 98,5 мм по мере роста диаметра независимо от толщины стенки. Проект стандарта на обсадные трубы, взамен ГОСТ 632- 57, включает размеры труб по диаметрам (как принятые в практике СНГ, так и за рубежом) с толщиной стенки 6-14 мм. Аналогично APIstd5A в проекте предусмотрено изготовление труб с длинной и нормальной (короткой) резьбой. Причём длина резьбы такая же, как и в зарубежных стандартах. Для труб диаметром 127; 139,7; 177,8-298 мм с толщиной стенки 6-8 мм предусмотрена укороченная нормальная резьба.
В СНГ разработан проект специального государственного стандарта на сварные обсадные трубы диаметром 426-530 мм с толщиной стенки 8-12 мм. Для крепления неглубоких скважин более экономично применение сварных тонкостенных труб вместо бесшовных. Поэтому необходима организация производства таких труб диаметрами 114-426 мм с толщиной стенки 4-6 мм для скважин неответственного назначения.
Стандарты на трубы нефтяного сортамента не определяют применяемый материал, а задают только минимальные значения показателей механических свойств (σb, σs, δ, ψ, ak).
Таблица 1
Механические свойства материала обсадных труб
-
Категория прочности
Предел прочности, Мн/мІ(кг/ммІ) Предел текучести, Мн/мІ(кг/ммІ) Удлинение, %
А 411,9 (42) 245,2 (25) 25 С 539,4 (55) 313,8 (32) 18 Д 637,4 (65) 372,6 (38) 16 К 686,5 (70) 490,3 (50) 12 Е 635,5 (75)
539,4 (55) 12 Л 931,6 (95) 637,4 (65) 12 М 980,6 (100) 735,5 (75) 12
Обсадные трубы в обязательном порядке подвергают гидравлическим испытаниям для проверки прочности тела трубы и герметичности резьбового соединения. Стандартом API предусмотрено испытание внутренним гидравлическим давлением обсадных труб диаметром до 245мм, вызывающим в теле трубы напряжения, равные 80% от предела текучести материала, а труб большого диаметра – 60%. Для высокопрочных труб, идущих на глубокие скважины, рекомендуют доводить напряжения в теле трубы до 95% от предела текучести материала [3].
3.Материал обсадных труб
Техническими условиями на трубы нефтяного сортамента химический состав сталей, за исключением серы и фосфора, не оговаривается и марка стали выбирается изготовителем по технико-экономическим соображениям и регламентируется в технологической документации. Максимальное содержание элементов определяется применяемым исходным сырьём и способом выплавки стали и находится в пределах 0,030-0,065% для серы и 0,035-0,110% для фосфора.
Таблица 2
Химический состав сталей для обсадных труб, применяемых в СНГ
Категория прочности (марка стали) |
Химический состав, % |
||||||||
С |
Mn |
Si |
Cr |
Ni |
Mo |
W |
S макс |
Р макс |
|
А |
0,18-0,25 | 0,3-0,6 | 0,15-0,23 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 |
С |
0,3-0,37 | 0,65-0,9 | 0,2-0,35 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 |
Д |
0,43-0,53 | 0,7-0,9 | 0,15-0,3 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 |
К |
0,32-0,43 | 1,5-1,6 | 0,4-0,7 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 |
Е |
0,33-0,43 |
0,75-1,05 | 0,17-0,37 | 0,4-0,7 | 0,4-0,7 | 0,3-0,4 | - | 0,045 | 0,045 |
0,43-0,48 | 1,15-1,4 | 0,25-0,35 | 0,4-0,7 | 0,3-0,7 | 0,05-0,15 | - | 0,045 | 0,045 | |
0,35-0,42 | 0,7-0,9 | 0,15-0,3 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 | |
Л |
0,32-0,38 | 1,4-1,8 | 0,4-0,7 | - | - | - | 0,25-0,4 | 0,045 | 0,045 |
0,3-0,43 |
1,25-1,6 |
0,4-0,7 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 | |
М |
0,32-0,43 | 1,5-1,8 | 0,4-0,7 | - | - | - | - | 0,045 | 0,045 |
Для получения труб более высоких категорий прочности возможны два пути [4]:
1)применение легированных сталей с последующей сравнительно простой термической обработкой (нормализация или нормализация и отпуск);
2)применение простых углеродистых или низколегированных сталей с последующей закалкой и отпуском.
4.Технологическая схема производства обсадных труб
Технология производства труб нефтяного сортамента определяется видом труб, категорией прочности и применяемым для их изготовления материалом. По категории прочности трубы нефтяного сортамента можно разделить на три группы:
обычной прочности с пределом текучести до 490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ),
высокой прочности с пределом текучести 539,3-735,5 Мн/мІ (55-75 кг/ммІ),
особо высокой прочности – более 735,5 Мн/мІ(75 кг/ммІ).
Рисунок 2.- Технологическая схема производства обсадных труб
Обсадные трубы обычной прочности с минимальным пределом текучести до 490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ) изготавливают по следующей технологической схеме (рис.2). Горячая прокатка 1, обрезка концов и снятие фасок 2, нарезка резьбы 9, навёртка муфт 10, гидроиспытание 11 и покраска 12. Термическая обработка этих труб (нормализация) производится только в случае получения неудовлетворительных механических свойств. Опыт эксплуатации труб категории прочности К (минимальный предел текучести 490,3 Мн/мІ (50 кг/ммІ) )показывает, что трубы этой категории необходимо подвергать нормализации, так как эти трубы имеют неравномерные механические свойства по длине вследствие местной подкалки при прокатке.
Обсадные трубы высокой прочности в зависимости от применяемого материала могут изготавливаться по двум технологическим схемам. Для легированных сталей технологическая схема следующая: после прокатки 1 и обрезки концов 2 трубы подвергают нормализации в печи 3 и отпуску в печи 5. Иногда для труб категории прочности Е применяют нормализацию с прокатного нагрева. После термической обработки трубы калибруют по наружному диаметру 6. Однако в этом случае операцию калибровки опускают вследствие отсутствия калибровочных станов в потоке печей и после термообработки трубы направляют прямо на правильные станы 7. После правки контролируют состояние наружной поверхности труб 8, нарезают резьбу 9 и навинчивают муфты 10. Трубы с муфтой проверяют на прочность и герметичность резьбового соединения путём гидравлических испытаний на прессах 11. После гидроиспытаний трубы окрашивают, маркируют и направляют на склад готовой продукции.
Технологическая схема изготовления высокопрочных труб из углеродистых и низколегированных сталей отличается от описанной выше только термической обработкой. После обрезки концов на станках 2 трубы нагревают до температур закалки в печи 3, охлаждают в специальных устройствах 4 и затем подвергают отпуску в печи 5. При применении закалки и отпуска вследствие искажения точности поперечного сечения и увеличения кривизны операции калибровки и правки обязательны. Для снижения прочности материала труб при калибровке и правке эти операции должны выполняться при температурах 200-500єC. После правки труб выполняют операции, обозначенные на рис.2 позициями 8-12.[2]
5.Термическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С
Термическая обработка – важнейшая составная часть технологии производства различных видов стальных труб.
Основные цели термической обработки труб следующие:
обеспечение различных эксплуатационных свойств (трубы для добычи нефти и газа, трубы для котлов теплоэнергетических установок и др.);
подготовка структуры и свойств для дальнейшей обработки в различных областях машиностроения (трубы для подшипников);
восстановление пластичности металла для возможности дальнейшего деформирования в процессе передела (трубы промежуточных размеров);
создание диффузионной связи между различными слоями в биметаллических, многослойных и свертных паяных трубах;
выравнивание структуры и свойств металла сварных и литых труб переменной геометрии по длине (например, бурильных труб с высаженными концами).[5]
5.1.Нормализация труб
При производстве труб нефтяного сортамента нормализацию как термическую операцию применяют в тех случаях, когда требуемые механические свойства металла труб (предел текучести до 539,4 Мн/мІ (55 кг/ммІ) можно получить из стали простой, дешёвой марки типа 36Г2С).
Нормализацию труб следует производить после полного их потемнения после прокатки. В этом случае крупнозернистая и неоднородная структура стали, полученная в результате высокого нагрева перед прокаткой, подвергается по существу перекристаллизации в процессе охлаждения и последующего нагрева под нормализацию.
Температура нормализации труб марки 36Г2С находится в пределах 830-890єC. Если после нормализации предел текучести или предел прочности ниже обусловленных ГОСТом норм, то температуру повторной нормализации следует повысить на 20-30єC. Неудовлетворительные результаты испытаний по относительному удлинению, относительному сужению или ударной вязкости можно исправить снижением температуры на 20-30єC.
Заметное влияние на изменение механических свойств оказывает скорость охлаждения труб. Для труб из стали 36Г2С применение ускоренного охлаждения обдувкой воздухом повышает предел прочности высаженных концов на 4,5%, предел текучести на 5,4%, ударную вязкость на 13,7%, относительное удлинение практически остаётся без изменения.
Точные режимы термической обработки устанавливают при помощи лабораторных и цеховых экспериментов с учётом термической характеристики печи, условий охлаждения и специфичности свойств данной стали. Температура нормализации для стали данной марки должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить получение гомогенно-бейнитной структуры, являющейся основой для получения после отпуска высоких прочностных и пластических свойств.
Если температура нормализации является универсальной для стали данной марки, то температуру отпуска часто устанавливают индивидуально для отдельной плавки в зависимости от её химсостава.
Контроль температуры труб при нагреве и выдержке в методических печах производят термопарой, вставляемой в трубу. Температура печи контролируется по боковым и сводовым термопарам, а температура выдаваемых труб – с помощью оптического пирометра или других приборов. Боковые термопары устанавливают так, чтобы их показания были выше температуры металла на 20-30єC.
На величину зерна и механические свойства нормализуемых труб, кроме температуры нагрева металла и скорости охлаждения, оказывает также влияние время нагрева и выдержки металла в