RU2788887C2

RU2788887C2 - Method for thermal processing of seamless corrosion-resistant pipes of oil assortment of martensite grade steel

Info

Publication number: RU2788887C2
Application number: RU2021100573A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Трутнев; Сергей Владимирович Тумашев; Дмитрий Валерьевич Лоханов; Михаил Васильевич Буняшин; Ирина Васильевна Мякотина; Михаил Юрьевич Чубуков; Сергей Сергеевич Коновалов; Сергей Михайлович Битюков
Original assignee: Акционерное общество "Волжский трубный завод"
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2023-01-25

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to thermal processing of seamless corrosion-resistant pipes of high-chromium martensite grade steel; it can be used in the production of pipes of oil assortment with a fluidity limit of at least 552 MPa. A method for thermal processing of seamless corrosion-resistant pipes of oil assortment of high-chromium martensite grade steel includes heating to a temperature exceeding a critical point A_c3, cooling, and subsequent high release. Cooling of the pipe is carried out in a water spraying device with a formed water ring diameter 20-45% smaller than an inner diameter of the pipe supplied to cooling and an inclination angle of water-supplying nozzles to the axis of the pipe from 10 to 25°. The pipe is supplied to the water sprayer device with its reciprocating movement for cooling of an outer surface along the entire perimeter and length of the pipe to provide a martensite content in a pipe steel structure of at least 95%. Subsequent high release is carried out at temperatures 15-80°C lower than a critical point A_c1 and with exposure for at least 5 min per 1 mm of a cross-section of a thickness of a pipe wall.

EFFECT: pipes are characterized by high values of strength and impact viscosity, as well as high resistance to carbon-dioxide corrosion.

3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к термической обработке бесшовных коррозионностойких труб из стали мартенситного класса и может быть использовано при производстве труб нефтяного сортамента с пределом текучести не менее 552 МПа (группы прочности L80, R95, Р110). Указанные трубы применяют для строительства обсадных и насосно-компрессорных колонн при добыче углеводородов. Более конкретно, изобретение относится к способу термической обработки, позволяющему эффективно предотвращать, либо минимизировать образование закалочных трещин труб из низкоуглеродистых (подразумевается содержание углерода не более 0,18 мас. %) высокохромистых (подразумевается содержание хрома от 10 до 20 мас. %), сталей, которые склонны к трещинообразованию при высоких скоростях охлаждения, и получить высокий уровень прочностных, вязкопластичных свойств за счет предлагаемого технического решения.The invention relates to the heat treatment of seamless corrosion-resistant martensitic steel pipes and can be used in the production of oil country pipes with a yield strength of at least 552 MPa (strength groups L80, R95, P110). These pipes are used for the construction of casing and tubing strings in the production of hydrocarbons. More specifically, the invention relates to a heat treatment method that can effectively prevent or minimize the formation of hardening cracks in pipes made of low-carbon (meaning a carbon content of not more than 0.18 wt.%) High chromium (meaning a chromium content of 10 to 20 wt.%), steels , which are prone to cracking at high cooling rates, and to obtain a high level of strength, viscoplastic properties due to the proposed technical solution.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен способ термической обработки высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, заключающийся в проведении гомогенизации стали при температуре 1150°С, охлаждением на воздухе и с последующим отпуском при температуре 650°С, охлаждением на воздухе, нагрева под закалку до температуры 1050°С с охлаждением в масле с последующим отпуском при 650°С и охлаждением на воздухе (патент РФ 2388833, C21D 6/02, опубл. 10.05.2010).A known method of heat treatment of high-strength corrosion-resistant martensitic steel, which consists in carrying out the homogenization of steel at a temperature of 1150°C, cooling in air and followed by tempering at a temperature of 650°C, cooling in air, heating for hardening to a temperature of 1050°C with cooling in oil, followed by tempering at 650°C and cooling in air (RF patent 2388833, C21D 6/02, publ. 05/10/2010).

Известен способ производства бесшовной трубы из мартенситной нержавеющей стали для нефтепромыслового трубного оборудования, включающий способ термической обработки труб с закалкой после нагрева до температуры, равной или более высокой, чем температура перехода А_с3, охлаждением до температуры в пределах от 100°С и ниже со скоростью охлаждения, равной или более высокой, чем скорость охлаждения на воздухе и последующим отпуском при температуре от более чем 450°С до 550°С (патент РФ №2431693, С22С 38/58, С22С 38/40, C21D 9/08, опубл. 20.10.2011).A method is known for producing a seamless martensitic stainless steel pipe for oilfield tubular equipment, including a method for heat treating pipes with quenching after heating to a temperature equal to or higher than the transition temperature A _c3 , cooling to a temperature in the range of 100°C and lower at a speed cooling equal to or higher than the cooling rate in air and subsequent tempering at a temperature of more than 450°C to 550°C (RF patent No. 2431693, C22C 38/58, C22C 38/40, C21D 9/08, publ. October 20, 2011).

Недостатками указанных аналогов являются недостаточно высокий уровень механических свойств и низкая производительность, связанная с тем, что закалочное охлаждение выполняют на воздухе.The disadvantages of these analogues are insufficiently high level of mechanical properties and low productivity due to the fact that the hardening cooling is performed in air.

В качестве прототипа принят известный способ закалки стальной трубы (патент РФ 2552801 C21D 9/08, С22С 38/00, опубл. 10.06.2015) из средне- или высокоуглеродистой стали, или из коррозионностойкой стали мартенситного класса, включающий нагрев до температуры выше критической точки А_с3, охлаждение наружной поверхности трубы водой до цеховой температуры, но при этом концевые участки подвергают охлаждению на воздухе. За счет описанного способа закалки обеспечивается получение требуемой мартенситной структуры по длине трубы за исключением концевых участков и отсутствие закалочных трещин.As a prototype, a well-known method for hardening a steel pipe (RF patent 2552801 C21D 9/08, C22C 38/00, publ. 10.06.2015) from medium or high carbon steel, or from corrosion-resistant martensitic steel, including heating to a temperature above the critical point A _c3 , cooling the outer surface of the pipe with water to shop temperature, but at the same time the end sections are subjected to cooling in air. Due to the described method of hardening, it is ensured that the required martensitic structure is obtained along the length of the pipe, with the exception of the end sections, and the absence of hardening cracks.

Недостатком прототипа является то, что фактически трубы после закалки могут иметь по длине различную микроструктуру и, как следствие, механические свойства, обусловленные различным скоростью охлаждения тела трубы и концевых участков. В описании к патенту указано, что содержание мартенсита в структуре основного тела трубы составляет не менее 80%, по концевым участкам информация не приведена, однако, с учетом более низкой скорости охлаждения концевых участков, предполагается, соответственно, более низкое содержание мартенсита в структуре, т.е. менее 80%. С учетом того, что пробы для проведения механических испытаний согласно ГОСТ 31446-2017 и международного стандарта API 5СТ отбирают от концевых участков труб, вызывает сомнение сопоставимость уровня механических характеристик концевых участков и тела трубы вследствие различных условий охлаждения труб по длине.The disadvantage of the prototype is that, in fact, pipes after hardening may have a different microstructure along the length and, as a result, mechanical properties due to different cooling rates of the pipe body and end sections. The description of the patent states that the martensite content in the structure of the main body of the pipe is at least 80%, no information is provided on the end sections, however, taking into account the lower cooling rate of the end sections, a correspondingly lower martensite content in the structure is assumed, t .e. less than 80%. Taking into account the fact that samples for mechanical testing in accordance with GOST 31446-2017 and the international standard API 5ST are taken from the end sections of pipes, the comparability of the level of mechanical characteristics of the end sections and the pipe body is questionable due to different cooling conditions of the pipes along the length.

Кроме того, низкая скорость охлаждения хромистых труб мартенситного класса может приводить к ухудшению таких свойств как коррозионная стойкость и ударная вязкость при отрицательных температурах вследствие зернограничных выделений карбидных фаз.In addition, the low cooling rate of chromium pipes of the martensitic class can lead to a deterioration in such properties as corrosion resistance and impact strength at low temperatures due to grain-boundary precipitates of carbide phases.

Техническим результатом изобретения является создание и промышленное освоение нового технического решения в области технологии термической обработки бесшовных труб из коррозионностойкой высокохромистой стали мартенситного класса, обеспечивающего отсутствие трещин напряжения и получение высокого комплекса прочностных и вязкопластических свойств, в том числе, и при отрицательных температурах вплоть до минус 60°С. Это позволяет использовать трубную продукцию для добычи углеводородов в макроклиматических районах с холодным климатом.The technical result of the invention is the creation and industrial development of a new technical solution in the field of heat treatment technology for seamless pipes made of corrosion-resistant high-chromium martensitic steel, ensuring the absence of stress cracks and obtaining a high complex of strength and viscoplastic properties, including at low temperatures down to minus 60 °C. This makes it possible to use tubular products for hydrocarbon production in macroclimatic regions with a cold climate.

Для получения высокого комплекса механических свойств и коррозионной стойкости трубы нефтяного сортамента из стали мартенситного класса с повышенным содержанием хрома традиционно подвергают термической обработки, заключающейся в нагреве до температур аустенитной области с последующим закалочным охлаждением на воздухе. Для получения однородной мартенситной структуры (содержание мартенсита не менее 90%) скорость охлаждения на воздухе является достаточной, что связано с высокой прокаливаемостью стали с повышенным содержанием хрома. Мартенситная структура является трещиночувствительной, в связи с чем, далее трубы подвергают высокому отпуску при температурах ниже критической точки А_с1. To obtain a high complex of mechanical properties and corrosion resistance, oil country tubular goods made of martensitic steel with a high chromium content are traditionally subjected to heat treatment, which consists in heating to the temperatures of the austenitic region, followed by quenching in air. To obtain a uniform martensitic structure (martensite content of at least 90%), the cooling rate in air is sufficient, which is associated with the high hardenability of steel with a high chromium content. The martensitic structure is crack-sensitive, and therefore, further pipes are subjected to high tempering at temperatures below the critical point A _c1.

Особенностью стали мартенситного класса с повышенным содержанием хрома (более 10%) является повышенная склонность к образованию трещин напряжения при закалке с применением водных закалочных сред. Это связано со следующими факторами:A feature of martensitic class steel with a high chromium content (more than 10%) is an increased tendency to form stress cracks during quenching using aqueous quenching media. This is due to the following factors:

- пониженная теплопроводность стали из-за повышенного содержания хрома.- reduced thermal conductivity of steel due to the high content of chromium.

- относительно низкое температурное положение интервала мартенситного превращения, что затрудняет процесс релаксации внутренних напряжений, возникающих при бездиффузионной перестройке кристаллической решетки аустенит -» мартенсит.- relatively low temperature position of the martensitic transformation interval, which complicates the process of relaxation of internal stresses arising from the diffusion-free rearrangement of the austenite-martensite crystal lattice.

Закалка труб с охлаждением на воздухе исключает образование трещин напряжения, но приводит к значительной потере производительности участка термической обработки вследствие низкой скорости охлаждения по сравнению с закалкой в водной среде. Скорость охлаждения труб на воздухе, исходя из полученной в ходе опытных работ информации, составляет 7-9°С/мин для тонкостенных труб с соотношением диаметра к толщине стенки D/S=20÷23 и 2-3°С/мин для толстостенных труб с соотношением D/S=8-10. Таким образом, в случае закалочного охлаждения на воздухе потеря производительности между операцией закалки и последующим отпуском составит от двух до четырех часов на каждый лот производства по сравнению с закалкой в водной среде. С учетом годового производства в объеме 100 лотов, потеря полезного рабочего времени вследствие необходимости охлаждения хромистых труб на воздухе с температур закалки будет составлять от 200 до 400 ч, что может расцениваться как простой оборудования и снижение коэффициента его использования.Air-cooled pipe quenching eliminates stress cracking, but results in a significant loss in heat treatment site productivity due to slower cooling rates compared to aqueous quenching. The cooling rate of pipes in air, based on the information obtained in the course of experimental work, is 7-9 ° C / min for thin-walled pipes with a ratio of diameter to wall thickness D / S = 20 ÷ 23 and 2-3 ° C / min for thick-walled pipes with the ratio D/S=8-10. Thus, in the case of quenching in air, the loss of productivity between the quenching operation and the subsequent tempering will be from two to four hours per lot of production compared to quenching in an aqueous medium. Considering an annual production of 100 lots, the loss of useful working time due to the need to cool chromium pipes in air from quenching temperatures will be from 200 to 400 hours, which can be regarded as equipment downtime and a decrease in its utilization rate.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в обеспечении условий закалочного охлаждения коррозионностойких труб из стали мартенситного класса по всей длине в водном спрейерном устройстве без образования трещин закалочного происхождения с последующим высоким отпуском, гарантирующим получение требуемых механических свойств (предел текучести не менее 552 МПа и ударная вязкость при температуре испытаний минус 60°С не менее 70 Дж/см²). Это достигается за счет получения благоприятной дисперсной микроструктуры, имеющей морфологию отпущенной феррито-карбидной смеси с равномерно распределенными, выделившимися в процессе отпуска карбидами.The technical result achieved by the proposed technical solution is to provide conditions for quenching cooling of corrosion-resistant pipes made of martensitic steel along the entire length in a water sprayer device without the formation of cracks of quenching origin, followed by high tempering, which guarantees the required mechanical properties (yield strength of at least 552 MPa and impact strength at a test temperature of minus 60°C is not less than 70 J/cm ² ). This is achieved by obtaining a favorable dispersed microstructure having the morphology of a tempered ferrite-carbide mixture with uniformly distributed carbides precipitated during tempering.

1. Способ термической обработки бесшовных коррозионностойких труб нефтяного сортамента из высокохромистой стали мартенситного класса, включающий нагрев до температуры, превышающей критическую точку А_с3, охлаждение и последующий высокий отпуск, при этом охлаждение трубы проводят в водном спрейерном устройстве со сформированным диаметром водного кольца на 20-45% менее, чем внутренний диаметр подаваемой на охлаждение трубы и углом наклона подающих воду форсунок к оси трубы, равным от 10 до 25°, причем трубу подают в водное спрейерное устройство при ее поступательно-вращательном движении для охлаждения наружной поверхности по всему периметру и длине трубы с обеспечением содержания мартенсита в структуре стали трубы не менее 95%, а последующий высокий отпуск проводят при температурах на 15-80°С ниже критической точки A_c1 и с выдержкой не менее 5 мин на 1 мм сечения толщины стенки трубы;1. A method for heat treatment of seamless corrosion-resistant oil country tubular goods made of high-chromium martensitic steel, including heating to a temperature exceeding the critical point A _c3 , cooling and subsequent high tempering, while cooling the pipe is carried out in a water sprayer device with a formed water ring diameter of 20- 45% less than the inner diameter of the pipe supplied for cooling and the angle of inclination of the water supply nozzles to the axis of the pipe, equal to from 10 to 25 °, and the pipe is fed into the water sprayer during its translational-rotational movement to cool the outer surface along the entire perimeter and length pipes with a martensite content in the pipe steel structure of at least 95%, and subsequent high tempering is carried out at temperatures 15-80 ° C below the critical point A _c1 and with an exposure of at least 5 minutes per 1 mm of the pipe wall thickness section;

2. Способ по п. 1, при этом трубы изготовлены из высокохромистой стали мартенситного класса, содержащей углерод в пределах от 0,04 до 0,18 мас. % и хром от 10 до 20 мас. %;2. The method according to p. 1, while the pipes are made of high-chromium martensitic steel containing carbon in the range from 0.04 to 0.18 wt. % and chromium from 10 to 20 wt. %;

3. Способ по п. 1 или 2, при этом высокий отпуск проводят при температуре от до 5 60-715°С с выдержкой не менее 5 мин на 1 мм толщины стенки трубы и последующим охлаждением на спокойном воздухе.3. The method according to claim 1 or 2, while high tempering is carried out at a temperature of up to 5 60-715 ° C with an exposure of at least 5 minutes per 1 mm of pipe wall thickness and subsequent cooling in still air.

Трубы, нагретые для закалки до температур выше критической точки А_с3 (для рассматриваемых сталей 800°С или выше) постепенно выходя одним концом из нагревательной печи поступают в охлаждающее устройство (водный спрейер) и проходят его полностью. За счет поступательно-вращательного движения, обеспечиваемого приводными роликами, установленными под углом к оси закаливаемой трубы, водное охлаждение с температуры закалки осуществляется по всей длине наружной поверхности трубы, обеспечивая однородность микроструктуры и механических свойств, минимизируя анизотропию. Для минимизации риска образования закалочных трещин вследствие интенсивного водяного охлаждения, диаметр сформированного водяного кольца задается на 20-45% меньше внутреннего диаметра трубы. Диаметр водяного кольца водяного струйного охлаждения рассчитывают по следующей формуле:Pipes heated for quenching to temperatures above the critical point A _c3 (for the considered steels 800 ° C or higher), gradually leaving the heating furnace at one end, enter the cooling device (water sprayer) and pass through it completely. Due to the translational-rotational movement provided by drive rollers installed at an angle to the axis of the hardened pipe, water cooling from the hardening temperature is carried out along the entire length of the outer surface of the pipe, ensuring uniformity of the microstructure and mechanical properties, minimizing anisotropy. To minimize the risk of hardening cracks due to intense water cooling, the diameter of the formed water ring is set to 20-45% less than the inner diameter of the pipe. Water jet water ring diameter is calculated using the following formula:

где D_к - диаметр водяного кольца, мм;where D _to - the diameter of the water ring, mm;

d_тp - внутренний диаметр трубы, ммd _tr - inner diameter of the pipe, mm

Также для исключения риска образования закалочных трещин осуществляется изменение угла наклона водяных струй, который должен находиться в пределах 10-25° к оси трубы.Also, to eliminate the risk of hardening cracks, the angle of inclination of water jets is changed, which should be within 10-25 ° to the pipe axis.

Описанный способ термообработки, заключающийся в проведении закалки путем водяного охлаждения с температур нагрева выше А_с3 по всему периметру и длине труб и последующего высокого отпуска, обеспечивает равномерное распределение карбидов на основе хрома при распаде мартенсита, что приводит к повышению сопротивления металла труб ударным нагрузкам при требуемом уровне прочностных характеристик (предел текучести не менее 552 МПа, предел прочности не менее 655 МПа).The described method of heat treatment, which consists in quenching by water cooling from heating temperatures above A _c3 along the entire perimeter and length of the pipes and subsequent high tempering, provides a uniform distribution of chromium-based carbides during the decomposition of martensite, which leads to an increase in the resistance of the pipe metal to shock loads at the required level of strength characteristics (yield strength not less than 552 MPa, tensile strength not less than 655 MPa).

При охлаждении до комнатной температуры после операции горячего формоизменения происходит образование крупно игольчатого мартенсита -закалочной структуры, обусловленной химическим составом высокохромистой нержавеющей стали - приводящего к охрупчиванию, т.е. крайне низкой ударной вязкостью даже при комнатной температуре. Таким образом, проведение закалки от температур аустенизации в обычной водной среде, т.е. без применения мероприятий, направленных на минимизацию обозначенных рисков, может усугубить процесс трещинообразования. Охлаждение же на воздухе не позволяет в полной мере обеспечить достаточный уровень коррозионной стойкости труб вследствие низкой скорости охлаждения и неполноты протекания мартенситного превращения. Кроме того, в данном случае вероятно образование метастабильной фазы -аустенита, который может приводить к постепенному изменению механических характеристик и снижению эксплуатационных характеристик с течением времени, преобразуясь в мартенсит деформации, либо распадаясь на феррито-карбидную смесь.When cooled to room temperature after the hot forming operation, the formation of coarse acicular martensite - a hardening structure due to the chemical composition of high-chromium stainless steel - leads to embrittlement, i.e. extremely low impact strength even at room temperature. Thus, quenching from austenitization temperatures in a normal aqueous medium, i.e. without the use of measures aimed at minimizing the identified risks, it can aggravate the process of crack formation. Cooling in air does not allow to fully ensure a sufficient level of corrosion resistance of pipes due to the low cooling rate and the incompleteness of the martensitic transformation. In addition, in this case, the formation of a metastable phase - austenite is likely, which can lead to a gradual change in mechanical characteristics and a decrease in performance over time, transforming into deformation martensite, or decomposing into a ferrite-carbide mixture.

Полученную трубную заготовку подвергают термической обработке, заключающейся в нагреве под аустенитизацию до температуры 900-980°С, последующим охлаждением со скоростью, варьирующейся в диапазоне 6-8°С/с, реализуемую посредством водяной струйной обработкой наружной поверхности труб с сформированным диаметром водяного кольца на 20-45% меньше внутреннего диаметра трубы и угла наклона водяных струй в пределах от 10 до 25° к оси трубы. После закалки проводят высокий отпуск при температуре от 560 до 715°С с выдержкой не менее 5 мин на 1 мм толщины стенки трубы и последующим охлаждением на спокойном воздухе.The resulting tubular billet is subjected to heat treatment, which consists in heating for austenitization to a temperature of 900-980°C, followed by cooling at a rate varying in the range of 6-8°C/s, implemented by means of water jet treatment of the outer surface of the pipes with a formed water ring diameter of 20-45% less than the inner diameter of the pipe and the angle of inclination of water jets in the range from 10 to 25° to the axis of the pipe. After quenching, a high tempering is carried out at a temperature of 560 to 715°C with an exposure of at least 5 minutes per 1 mm of the pipe wall thickness and subsequent cooling in still air.

Полученная труба, в зависимости от конечной температуры отпуска и химического состава стали имеет следующие механические свойства - временное сопротивление разрыву 670-760 МПа (для группы L80 по ГОСТ 31446) и 840-960МПа (для группы Р110 по ГОСТ 31446), предел текучести 560-640 МПа (для группы L80 по ГОСТ 31446) и 760÷850 МПА (для группы Р110 по ГОСТ 31446), относительное удлинение более 20%, ударную вязкость на поперечных образцах по Шарпи при температуре испытаний минус 60°С не менее 70 Дж/см². Труба обладает стойкостью к углекислотной коррозии.The resulting pipe, depending on the final tempering temperature and the chemical composition of the steel, has the following mechanical properties - tensile strength 670-760 MPa (for the L80 group according to GOST 31446) and 840-960 MPa (for the P110 group according to GOST 31446), yield strength 560- 640 MPa (for group L80 according to GOST 31446) and 760÷850 MPa (for group P110 according to GOST 31446), relative elongation more than 20%, impact strength on transverse specimens according to Charpy at a test temperature of minus 60°C, not less than 70 J/cm ² . The pipe is resistant to carbon dioxide corrosion.

Закалка из аустенитной области при температуре 900-980°С с последующим охлаждением со скоростью в диапазоне 6-8°С/сек позволяет обеспечить для труб из нержавеющей стали полное аустенитное превращение с формированием однородной мелкодисперсной структуры по толщине стенки трубы, необходимой для обеспечения требуемых прочностных и вязкопластичных характеристик и стойкости к углекислотной коррозионной стойкости. При этом, диапазон охлаждения 6-8°С/сек с одной стороны обеспечивает размер аустенитного зерна не крупнее 9 балла, позволяет получить тонкую субструктуру с высокой плотностью дислокаций, а с другой стороны не приводит к критическим растягивающим кольцевым напряжениям, обусловленным возрастающим температурным градиентом по толщине стенки труб. Охлаждение труб со скоростью менее 6°С/сек не позволит в полной мере обеспечить протекание мартенситного превращения и может привести к риску фиксирования метастабильной фазы в виде остаточного аустенита. Охлаждение со скоростью более 8°С/сек приведет к возрастанию внутренних кольцевых напряжений вследствие увеличения температурных и структурных напряжений и, как следствие, приведет к возникновению микротрещин закалочного происхождения. Угол наклона водяной струи менее и/или более диапазона 10-25° приводит к более интенсивному в первом случае и менее интенсивному во втором случае охлаждению трубы и изменению заданного диаметра водяного кольца, что приведет либо к повышению риска трещинообразования при закалке, либо к медленной скорости охлаждения, не достаточной для полного протекания мартенситного превращения. Температура аустенизации менее 900°С не позволит в полной мере осуществить переход в аустенитную область с растворением карбидов, температура более 980°С приводит к избыточному росту размера зерна стали и к повышенному градиенту температур при проведении операции закалки, что, в свою очередь повысит риск трещинообразования.Quenching from the austenitic region at a temperature of 900–980°C, followed by cooling at a rate in the range of 6–8°C/sec, makes it possible to provide complete austenitic transformation for stainless steel pipes with the formation of a uniform finely dispersed structure over the thickness of the pipe wall, which is necessary to provide the required strength and viscoplastic characteristics and resistance to carbon dioxide corrosion resistance. At the same time, the cooling range of 6-8°C/sec, on the one hand, ensures the size of the austenite grains is not larger than 9 points, makes it possible to obtain a thin substructure with a high density of dislocations, and, on the other hand, does not lead to critical tensile hoop stresses due to an increasing temperature gradient along pipe wall thickness. Cooling the pipes at a rate of less than 6°C/sec will not allow the martensitic transformation to take place in full and may lead to the risk of fixing the metastable phase in the form of retained austenite. Cooling at a rate of more than 8°C/sec will lead to an increase in internal hoop stresses due to an increase in thermal and structural stresses and, as a result, will lead to the appearance of microcracks of quenching origin. The angle of inclination of the water jet less and/or more than the range of 10-25° leads to a more intense in the first case and less intense in the second case cooling of the pipe and a change in the specified diameter of the water ring, which will either increase the risk of cracking during quenching, or slow speed cooling, not sufficient for the complete course of the martensitic transformation. An austenitization temperature of less than 900°C will not allow a full transition to the austenitic region with the dissolution of carbides, a temperature of more than 980°C leads to an excessive increase in the grain size of the steel and to an increased temperature gradient during the hardening operation, which, in turn, will increase the risk of cracking .

При проведении отпуска при температуре 560-715°С с выдержкой не менее 5 мин на 1 мм толщины стенки происходит распад мартенсита с выделением карбидных фаз. Отпуск при температуре менее 560°С и/или более 715°С не позволит получить требуемый комплекс механических свойств вследствие недостаточно полного, либо чрезмерного распада мартенсита и разупрочнения ниже заданного уровня прочностных свойств. Выдержка при отпуске, составляющая не менее 5 мин. на 1 мм толщины стенки трубы, обеспечивает распад мартенсита с протеканием процессов снятия структурных и фазовых напряжений.When tempering is carried out at a temperature of 560-715°C with an exposure of at least 5 minutes per 1 mm of wall thickness, martensite decomposes with the release of carbide phases. Tempering at a temperature of less than 560°C and/or more than 715°C will not allow obtaining the required set of mechanical properties due to insufficient or excessive decomposition of martensite and softening below a given level of strength properties. A tempering hold of at least 5 minutes. per 1 mm of the pipe wall thickness, ensures the disintegration of martensite with the processes of removal of structural and phase stresses.

Предлагаемый способ термообработки позволяет получить требуемый уровень прочностных и вязкопластичных характеристик труб, исключает образование закалочных трещин, повышает производительность участка термообработки труб, а также обеспечивает высокую стойкость к углекислотной коррозии за счет получения равномерно закаленной и в последствии отпущенной микроструктуры в виде феррито-карбидной смеси.The proposed method of heat treatment makes it possible to obtain the required level of strength and viscoplastic characteristics of pipes, eliminates the formation of hardening cracks, increases the productivity of the pipe heat treatment section, and also provides high resistance to carbon dioxide corrosion by obtaining a uniformly hardened and subsequently tempered microstructure in the form of a ferrite-carbide mixture.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Предлагаемый способ термообработки бесшовных коррозионностойких труб из стали мартенситного был опробован при производстве труб размерами 168,2÷244,48×7,32÷11,43 мм в АО «Волжский трубный завод».The proposed method of heat treatment of seamless corrosion-resistant pipes made of martensitic steel was tested in the production of pipes with dimensions of 168.2 ÷ 244.48 × 7.32 ÷ 11.43 mm at Volzhsky Pipe Plant JSC.

Изготовлены трубы из сталей, содержащих компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод - 0,06; хром - 13,1 и углерод 0,14; хром - 12,85. Горячую деформацию проводили при температуре 1030÷1190°С с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Затем осуществляли термическую обработку труб по режиму: закалка из аустенитной области от температуры не менее 920÷960°С с водяным струйным охлаждением наружной поверхности в спрейерном устройстве со скоростью 6,4 и 7,7°С/сек. Диаметр водного кольца для труб размером 244,48×11,99 мм составил 175 мм (на 21% меньше внутреннего диаметра), для труб 177,8×10,36 мм - 110 мм (на 43% меньше внутреннего диаметра). Угол наклона форсунок водяного охлаждения составил 14 и 16° (фиг. 1). Скорость охлаждения труб составила от 6,4 до 7,7°С/сек при времени прохождения трубой спрейерного устройства за 110 и 135 с, соответственно.Made pipes from steels containing components in the following ratio, wt. %: carbon - 0.06; chromium - 13.1 and carbon 0.14; chrome - 12.85. Hot deformation was carried out at a temperature of 1030÷1190°C with subsequent cooling in still air. Then the heat treatment of pipes was carried out according to the mode: hardening from the austenitic region from a temperature of at least 920÷960°C with water jet cooling of the outer surface in a sprayer device at a rate of 6.4 and 7.7°C/sec. The diameter of the water ring for pipes measuring 244.48×11.99 mm was 175 mm (21% less than the inner diameter), for pipes 177.8×10.36 mm - 110 mm (43% less than the inner diameter). The angle of inclination of the water cooling nozzles was 14 and 16° (Fig. 1). The cooling rate of the pipes was from 6.4 to 7.7°C/sec with the time of passage of the pipe through the sprayer device for 110 and 135 s, respectively.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение спрейерного устройства с расположением водяных форсунок по периметру. Наклон форсунок составляет 14° к оси трубы. Труба в поперечном сечении изображена сплошной линией в виде круга в центральной части рисунка. Пунктирными линиями показаны водяные струи, формирующие водяное кольцо, указанное в виде круга, обозначенного пунктирной линией в центральной части рисунка.In FIG. 1 shows a cross-section of a sprayer device with water nozzles located around the perimeter. The inclination of the nozzles is 14° to the pipe axis. The pipe in cross section is depicted as a solid line in the form of a circle in the central part of the figure. Dashed lines show water jets forming a water ring, indicated as a circle, indicated by a dotted line in the central part of the figure.

В таблице 1 приведены данные по режимам термообработки труб размером 244,48×11,99 мм из стали (С=0,12-0,16%, Cr=12,5-14,5%).Table 1 shows data on the heat treatment modes for pipes 244.48×11.99 mm in size made of steel (C=0.12-0.16%, Cr=12.5-14.5%).

Согласно полученным данным, уменьшение угла наклона водяных форсунок относительно оси трубы менее 10° и уменьшение водяного кольца более 45% относительно внутреннего диаметра трубы, приводит к снижению эффективности теплоотвода и снижению прокаливаемости, оцениваемой по измерению твердости в закаленном состоянии. Это подтверждается данными, полученными после закалки труб по режиму №1, где отмечено снижение среднего уровня прокаливаемости до 40,2 HRC при увеличении разброса значений твердости до 9,3 HRC. Повышение давления воды на секции спрейера при оптимальном наклоне форсунок и диаметре водяного кольца также не может быть эффективным, т.к. способствует значительному повышению теплоотвода и, как следствие, термических напряжений, о чем свидетельствуют данные по прокаливаемости, приведенные для режима №4 (см. таблицу 1). Кроме того, для режимов 1 и 4 отмечено наличие закалочных трещин по одному из концов труб, задаваемому в спрейерное устройство первым (передний конец трубы).According to the data obtained, a decrease in the angle of inclination of water nozzles relative to the pipe axis by less than 10° and a decrease in the water ring by more than 45% relative to the inner diameter of the pipe leads to a decrease in the efficiency of heat removal and a decrease in hardenability, estimated by measuring the hardness in the hardened state. This is confirmed by the data obtained after pipe hardening according to mode No. 1, where a decrease in the average level of hardenability to 40.2 HRC was noted with an increase in the spread of hardness values to 9.3 HRC. Increasing the water pressure on the sprayer sections with the optimal inclination of the nozzles and the diameter of the water ring cannot be effective either, because. contributes to a significant increase in heat removal and, as a result, thermal stresses, as evidenced by the hardenability data given for mode No. 4 (see table 1). In addition, for modes 1 and 4, the presence of quenching cracks was noted along one of the ends of the pipes, which is set first into the sprayer device (the front end of the pipe).

На оптимальных режимах настройки спрейерного устройства (режимы 2, 3, 5) при диаметре водяного кольца на 20-45% меньше внутреннего диаметра труб трещины отсутствуют. При этом, получен оптимальный уровень прокаливаемости, гарантирующий содержание в структуре не менее 95% мартенсита (при расчете по формуле HRC_мин=59×%С+29 согласно ГОСТ 31446-2017) при минимальном разбросе твердости, что свидетельствует о равномерности и полноте мартенситного превращения при закалке.There are no cracks in the optimal settings of the sprayer device (modes 2, 3, 5) with a water ring diameter of 20-45% less than the inner diameter of the pipes. At the same time, an optimal level of hardenability was obtained, which guarantees the content of at least 95% martensite in the structure (when calculated using the formula HRC _min = 59 ×% C + 29 according to GOST 31446-2017) with a minimum spread of hardness, which indicates the uniformity and completeness of the martensite transformation when hardening.

После закалки проводился высокий отпуск при температурах 560-590°С с выдержкой 80 мин ± 10% для труб с механическими свойствами, соответствующими группы прочности Р110 по ГОСТ 31446 и 690-710°С с выдержкой 70 мин ± 10% для труб с механическими свойствами, соответствующими группе прочности L80 13 Cr по ГОСТ 31446.After quenching, high tempering was carried out at temperatures of 560-590°С with an exposure of 80 min ± 10% for pipes with mechanical properties corresponding to the strength group P110 according to GOST 31446 and 690-710°С with an exposure of 70 min ± 10% for pipes with mechanical properties corresponding to the strength group L80 13 Cr according to GOST 31446.

Микроструктура после термической обработки - однородная равномерно распределенная мелкодисперсная феррито-карбидная смесь, имеющая морфологию мартенсита отпуска, размер аустенитного зерна соответствует баллу 9 по ГОСТ 5639. Микроструктура труб размером 0244,48×11,99 мм стали (С мас. %=0,12-0,16%), Cr мас. %=12,5-14,5%) после закалки и отпуска, режим 5, (травлено реактив Марбле) в состоянии после закалки и отпуска приведена на фиг. 2.The microstructure after heat treatment is a homogeneous evenly distributed finely dispersed ferrite-carbide mixture having the morphology of tempered martensite, the size of the austenite grain corresponds to a score of 9 according to GOST 5639. The microstructure of steel pipes with a size of 0244.48 × 11.99 mm -0.16%), Cr wt. %=12.5-14.5%) after quenching and tempering, mode 5 (etched with Marble's reagent) in the state after quenching and tempering is shown in Fig. 2.

Механические свойства труб после термической обработки для труб, соответствующих группе прочности Р110 по ГОСТ 31446 составили: временное сопротивление - 840÷960МПа, предел текучести - 760÷850 МПа, для труб с механическими свойствами, соответствующими группе прочности L80 по ГОСТ 31446 временное сопротивление составило 700-824 МПа, предел текучести - 570-600МПа. Относительное удлинение составило более 22%, ударная вязкость на поперечных образцах по Шарпи при температуре испытаний минус 60°С - не менее 95 Дж/см². Труба обладает стойкостью к общей коррозии в среде углекислоты. Испытания проводили по ГОСТ 9.908 среде водного раствора 5% NaCl + 0.5% CH₃COOH + CH₃COONa при температуре 80°С и уровне рН от 3,0 до 4,0, парциальное давление СО₂ - 3 МПа, общее давление 5,0 МПа, продолжительность испытаний 720 ч. Скорость общей коррозии составила 0,0023-0,0035 мм/год.The mechanical properties of pipes after heat treatment for pipes corresponding to the strength group P110 according to GOST 31446 were: tensile strength - 840 ÷ 960 MPa, yield strength - 760 ÷ 850 MPa, for pipes with mechanical properties corresponding to the strength group L80 according to GOST 31446, the tensile strength was 700 -824 MPa, yield strength - 570-600 MPa. The relative elongation was more than 22%, the impact strength on transverse Charpy specimens at a test temperature of minus 60°C was not less than 95 J/cm ² . The pipe is resistant to general corrosion in the environment of carbon dioxide. The tests were carried out according to GOST 9.908 in an aqueous solution of 5% NaCl + 0.5% CH ₃ COOH + CH ₃ COONa at a temperature of 80 ° C and a pH level of 3.0 to 4.0, a partial pressure of CO ₂ - 3 MPa, a total pressure of 5, 0 MPa, test duration 720 hours. General corrosion rate was 0.0023-0.0035 mm/year.

Общее время термообработки одной трубы по предлагаемому режиму, включающему нагрев до температуры 920÷960°С, охлаждение в спрейере, последующим отпуском при температуре 560-710°С составило 1,2 часа. Для одного лота, состоящего из 100 труб, общее время термообработки составило 6 часов 30 минут. В случае охлаждения труб после закалки и отпуска на спокойном воздухе общее время термообработки одной трубы составляет 4 часа (с учетом охлаждения до 100°С), для лота из 100 труб общее время термообработки при охлаждении на спокойном воздухе составляет 13,1 часа. Предлагаемый режим термообработки с охлаждением труб в спрейерном устройстве позволил повысить производительность операции термообработки труб в 2 раза.The total time of heat treatment of one pipe according to the proposed mode, including heating to a temperature of 920÷960°C, cooling in a sprayer, followed by tempering at a temperature of 560-710°C was 1.2 hours. For one lot of 100 pipes, the total heat treatment time was 6 hours 30 minutes. In the case of pipes cooling after quenching and tempering in still air, the total heat treatment time for one pipe is 4 hours (taking into account cooling to 100 ° C), for a lot of 100 pipes, the total heat treatment time for cooling in still air is 13.1 hours. The proposed mode of heat treatment with pipe cooling in a sprayer device made it possible to increase the productivity of the pipe heat treatment operation by 2 times.

Claims

1. A method for heat treatment of seamless corrosion-resistant oil country tubular goods made of high-chromium martensitic steel, including heating to a temperature exceeding the critical point A _c3 , cooling and subsequent high tempering, characterized in that the cooling of the pipe is carried out in a water sprayer device with a formed water ring diameter of 20-45% less than the inner diameter of the pipe supplied for cooling and the angle of inclination of the water supply nozzles to the axis of the pipe, equal to from 10 to 25 °, and the pipe is fed into the water sprayer device during its translational-rotational movement to cool the outer surface around the entire perimeter and the length of the pipe to ensure the content of martensite in the steel structure of the pipe is not less than 95%, and the subsequent high tempering is carried out at temperatures 15-80°C below the critical point A _c1 and with a holding time of at least 5 min per 1 mm section of the pipe wall thickness.

2. The method according to p. 1, characterized in that the pipes are made of high-chromium martensitic steel containing carbon in the range from 0.04 to 0.18 wt. % and chromium from 10 to 20 wt. %.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that high tempering is carried out at a temperature of 560-715 ° C with an exposure of at least 5 minutes per 1 mm of pipe wall thickness and subsequent cooling in still air.