Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб
METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF WELDED JOINT ZONE OF DRILLING PIPES

Настоящее изобретение относится к локальной термической обработке методом индукционного нагрева зоны сварного соединения бурильных труб с замками, преимущественно при изготовлении бурильных труб из легированных марок стали, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей тела трубы.
Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату к заявляемому способу является Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб (патент RU 2537633, МПК C21D 9/50; C21D 9/08; опубликован 10.01.2015), который включает в себя нагрев труб до температуры (Ас3+70÷120°C), охлаждение и отпуск в диапазоне температур Ac1÷80°C, а по второму варианту - нагрев под аустенизацию до температуры Ac3+(70÷120)°C, охлаждение, дополнительный нагрев в межкритическом интервале температур Ac1+(30÷80)°C, отпуск. Однако данный способ ввиду охлаждения аустенитной структуры на воздухе способствует снижению прочности материала в зоне сварного соединения по сравнению с материалом тела трубы после закалки и отпуска и может быть применим только для термической обработки сварного шва бурильной трубы с высаженными концами, компенсирующими пониженную прочность материала в этой зоне по сравнению с телом трубы. Кроме того, данный способ характеризуется большими энергетическими и временными затратами.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, и которая не могла быть решена при использовании прототипа изобретения, является расширение арсенала технических средств путем создания способа термической обработки сварных элементов геологоразведочных бурильных труб, а именно труб с приварными замковыми деталями, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей (толщина стенки в зоне сварного соединения равна толщине стенки трубы), что весьма затрудняет создание равнопрочных конструкций зоны сварного шва с телом трубы. Способ должен обеспечивать интегральную прочность зоны сварного соединения на уровне материала тела трубы после закалки и отпуска наряду с обеспечением стойкости к воздействию знакопеременных нагрузок, а также минимальные энергетические и временные затраты на его реализацию.
Для решения указанной проблемы в способе термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб, включающем отпуск и следующий за ним дополнительный нагрев, отпуск производят токами средней частоты до температуры 400-450°С, выдержке не менее 60 секунд и охлаждением на спокойном воздухе, а дополнительный нагрев включает в себя закалку токами высокой частоты (ТВЧ) до температуры Ас3+200÷250°C с последующим охлаждением в спрейере потоком воды.
При первом нагреве зоны сварного шва до температуры 400-450°С происходит отпуск закаленной структуры зоны термомеханического влияния, сформированной в процессе сварки трением. В результате происходит снижение термических напряжений после сварки в приконтактных зонах, и микроструктура зоны сварного соединения состоит из дисперсных продуктов отпуска мартенсита или мартенсито-бейнитной структуры, приближенной к структуре материала тела трубы. Экспериментально установлено, что более высокая температура отпуска будет способствовать разупрочнению переходного участка от зоны термомеханического влияния к основному металлу, а более низкая температура не обеспечит диффузионного распада мартенсита. При повторном нагреве токами высокой частоты до температуры Ас3+200÷250°C и последующем охлаждении в потоке воды происходит поверхностная закалка зоны сварного соединения с образованием упрочненного слоя глубиной 1-1,2 мм и твердостью не менее 45-50 HRC. Указанная высокая температура нагрева под закалку ТВЧ обусловлена смещением процесса образования аустенита в область более высоких температур в случае высокоскоростного индукционного нагрева. Поэтому при более низких температурах нагрева гомогенизация аустенита пройдет не полностью, а в случае значительного перегрева возможен рост зерна аустенита и появление хрупкости поверхностного слоя.
Вышеуказанные режимы приводят к формированию благоприятного структурного состояния зоны сварного соединения бурильных труб без высадки концов с замками с точки зрения обеспечения прочности и высокого сопротивления усталостным нагрузкам. Кроме того, в результате термической обработки по заявляемому способу выявлено снижение энергетических и временных затрат на их производство, повышение технологичности процесса, снижение потерь металла на окалинообразование, сохранение точности геометрии труб.
В таблице 1 приведены результаты определения механических свойств сварного соединения при испытании на статическое растяжение.
В таблице 2 приведены результаты испытаний на определение циклической долговечности сварного шва при испытании бурильных труб по схеме изгиба с вращением.
Предлагаемый способ термической обработки сварных труб осуществляется следующим образом.
На первом этапе термообработки нагревают только околошовную зону, а затем охлаждают на спокойном воздухе, с целью задания им определенных физических и механических свойств. Нагрев сварного шва и околошовной зоны производят токами средней частоты на установке локальной термической обработки сварного шва при температуре не выше 400-450°С непосредственно после сварки.
На втором этапе термической обработки производят поверхностную закалку ТВЧ зоны сварного соединения на установке индукционного нагрева непрерывно-последовательным способом при перемещении трубы со скоростью 0,5 м/мин. и нагреве до температуры Ас3+200÷250°C с последующим охлаждением в радиальном спрейере в виде кольца, на внутренней поверхности которого расположены сопла для непрерывной подачи струй воды на охлаждаемое изделие.
Предлагаемый способ термической обработки прошел апробирование в производственных условиях ОАО «Завод бурового оборудования».
Бурильные трубы ТБСН (ТУ 3668-016-01423045-2014 «Трубы бурильные стальные нестандартные») размером 48×4 из стали 32Г2 (тело трубы) с содержанием углерода 0,32%, марганца 1,07%, кремния 0,18%, серы 0,002%, фосфора 0,006% и 40ХН (замковое соединение) с содержанием углерода 0,31%, марганца 0,53%, кремния 0,32%, серы 0,006%, фосфора 0,004% и никеля 1,06% сваривались на сварочной машине для ротационной сварки трением при следующих параметрах: сила разогрева 40 кН, сила проковки 100 кН, частота вращения при разогреве 900 об/мин, длина оплавления при нагреве 9 мм. В результате в зоне термомеханического влияния сварного соединения общей протяженностью не более 3,5 мм произошло образование структуры среднеигольчатого мартенсита 4 балла по ГОСТ 8233-56 со стороны стали 40ХН и смешанной мартенсито-бейнитной структуры с размером игл мартенсита не более 4 балла по ГОСТ 8233-56.
Далее зона сварного соединения подвергалась локальной термической обработке с нагревом одним индуктором токами средней частоты со скоростью 100°C в секунду до температуры 400°С и выдержкой при данной температуре 60 секунд. Затем охлаждение нагретой зоны осуществлялось на воздухе.
После локальной термической обработки тело трубы и зона сварного соединения подвергалось нагреву токами высокой частоты на установке индукционного нагрева при перемещении трубы со скоростью 0,5 м/мин. и нагреве до температуры 1000°С, в результате чего на поверхности тела трубы, включая зону сварного соединения, образовался упрочненный слой поверхностной закалки ТВЧ, глубиной 1,2 мм и твердостью 47-49 HRC.
Результаты испытаний на статическое растяжение основного металла тела трубы и сварного соединения после локальной термической обработки представлены в таблице на фиг. 1. Из таблицы видно, что после термической обработки в соответствии с прототипом механические свойства зоны сварного соединения существенно ниже аналогичных характеристик основного металла. В результате термической обработки по предлагаемому изобретению механические свойства сварного соединения не уступают механическим свойствами материала тела трубы.
Циклическая долговечность сварных соединений определялась на испытательном стенде БП-106 конструкции СКБ НПО «Геотехника» в условиях воздействия знакопеременных нагрузок по схеме изгиба с вращением. Целью испытаний явилось определение числа циклов, при котором разрушается каждый образец при заданном значении изгибающего момента. Было испытано по 5 образцов сварных соединений ∅48×4 и определено среднее значение циклической долговечности. Из таблицы на фиг. 2 видно, что проведение термической обработки в соответствии с прототипом снижает циклическую долговечность зоны сварного соединения по сравнению с телом трубы. Предлагаемый способ термической обработки способствует повышению сопротивления усталостным нагрузкам, так как все испытываемые образцы прошли базу испытаний 6 млн. циклов без поломок.
Наряду с расширением арсенала технических средств путем создания способа термической обработки сварных элементов геологоразведочных бурильных труб, конструктивной особенностью которых является отсутствие высаженных частей, и преимуществами механических свойств предлагаемый способ исключает повторный нагрев всей трубы для проведения объемной закалки и последующего отпуска для выравнивания микроструктуры тела трубы и зоны сварного соединения, что снижает энергетические и временные затраты на их производство, обеспечивает технологичность процесса, снижает потери металла на окалинообразование, сохраняет точность геометрии труб.
Изобретение может быть промышленно использовано в производстве бурильных труб, предназначенных для бурения на твердые полезные ископаемые и для ремонта скважин.
Таблица 1
Зона испытания
Предел текучести σ<sub>02</sub>, МПа
Предел прочности σ<sub>В</sub>, МПа
Относительное удлинение δ<sub>5</sub>, %
Тело трубы, сталь 32Г2 после закалки и отпуска
724
856
13,6
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после термообработки в соответствии с прототипом
786
880
16,3
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после локальной термообработки в соответствии с изобретением
543
696
17,1
Таблица 2
Зона испытания
М<sub>изг</sub>, Н⋅м
Пройдено циклов N⋅10<sup>6</sup>
Место поломки
Тело трубы, сталь 32Г2 после закалки и отпуска
490
0,724
в околошовной зоне
8,180
нет
1,415
в околошовной зоне
6,750
нет
6,024
нет
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после термообработки в соответствии с прототипом
490
6,370
нет
6,417
6,530
6,348
6,324
Сварное соединение: труба 32Г2-замок 40ХН после локальной термообработки в соответствии с изобретением
490
1,076
в околошовной зоне
1,444
0,490
2,398
0,745