СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕПРЕССОВАННЫХ ТРУБ ИЗ СТАЛИ ТИПА 13Cr
METHOD FOR MANUFACTURING HOT-PRESSED PIPES FROM 13Cr STEEL

Изобретение относится к области трубного производства, а именно к изготовлению способом горячего прессования бесшовных труб из стали типа 13Cr для использования при строительстве скважин, работающих в умеренных и холодных макроклиматических районах с температурой окружающей среды до -60°С на газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождениях, содержащих в добываемой продукции диоксид углерода.
Известен способ изготовления труб из труднодеформируемых металлов методом горячего экспандирования и прессования предварительно сверленых заготовок за один рабочий цикл пресса (патент РФ №2486980, В21С 23/08, опубл. 10.07.2013), включающий нагрев заготовки, нанесение технологической смазки, загрузку заготовки в контейнер, последовательные операции экспандирования заготовки в контейнере пресса с помощью закрепленной в пресс-штемпеле оправки с экспандирующим наконечником, прессование трубы пресс-штемпелем в зазор между матрицей и оправкой, отделение трубы от пресс-остатка. При этом рабочим ходом пресс-штемпеля сначала производят экспандирование заготовки с заполнением поперечного сечения контейнера и удалением выпрессовки, а дальнейшим ходом - прессование трубы с выталкиванием экспандирующего наконечника с оправки.
Совмещение и последовательное выполнение экспандирования и прессования в одном устройстве ведет к увеличению времени нахождения нагретого металла заготовки внутри контейнера пресса, что приводит к существенному перепаду ее температуры и изменению условий трения в течение процесса изготовления, что способствует увеличению усилия прессования и ухудшению качества поверхности труб.
Известен способ изготовления труб из коррозионно-стойких и высоколегированных сталей путем горячего прессования, выбранный в качестве прототипа, в котором используют трубную заготовку круглого сечения с предварительно высверленной осевой зоной и механически обработанной поверхностью. В качестве трубной заготовки может быть использована непрерывно-литая заготовка (далее - НЛЗ). Осуществляют нагрев заготовки и ее горячее экспандирование (раздача отверстия) в гильзу на прессовой установке, подогрев полученной гильзы, нанесение технологической смазки на ее поверхности и последующее прямое прессование гильзы в трубу готового размера (Совершенствование процесса прессования труб / М.И. Медведев, Ю.Г. Гуляев, С.А. Чукмасов - М.: Металлургия, 1986. - С. 9-13).
К недостаткам прототипа можно отнести возможность появления дефектов на поверхности трубы из-за отсутствия взаимосвязи между режимом деформации и пластическими свойствами материала НЛЗ, что может привести к ухудшению качества поверхности труб и снижению выхода годного. Кроме того, при назначении диаметра сверления осевой зоны НЛЗ не учтена зависимость размера центральной пористости от диаметра НЛЗ, что не позволит полностью устранить центральную пористость, приведет к появлению плен на внутренней поверхности горячепрессованной трубы и к снижению выхода годного.
Техническая задача состоит в создании способа изготовления труб из стали типа 13Cr прессованием непрерывно-литых заготовок с учетом температурно-скоростного режима, геометрических и пластических параметров заготовки.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества наружной и внутренней поверхности горячепрессованных труб из стали типа 13Cr за счет предотвращения образования дефектов.
З
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления горячепрессованных труб из стали типа 13Cr включает нагрев непрерывно-литой заготовки с высверленной по всей длине заготовки осевой зоной, экспандирование заготовки в гильзу на гидравлическом прессе, подогрев гильзы и прессование труб. Согласно изобретению, используют заготовку, диаметр D которой определяют по формуле:
σ
где k=(8,65±0,9) - коэффициент, учитывающий степень деформации,
T
D - наружный диаметр трубы, мм;
S - толщина стенки трубы, мм;
при этом подогрев гильзы осуществляют до температуры 1130÷1150°С, а прессование проводят со скоростью 180÷220 мм/с.
св
В частном случае выполнения способа диаметр d высверленной осевой зоны заготовки определяют по формуле:
цп
где k - коэффициент осевой неоднородности,
З
T
З
T
З
T
причем коэффициент осевой неоднородности выбирают в зависимости от соотношений наружного диаметра заготовки D к наружному диаметру трубы D, при этом если 2,4>D/D≥1,7, коэффициент осевой неоднородности составляет 0,17÷0,2, если 2,8≥D/D≥2,4, коэффициент осевой неоднородности составляет 0,2÷0,22.
Выбор НЛЗ диаметром, указанным в формуле [1], обусловлен тем, что непрерывно-литая заготовка из стали типа 13Cr обладает достаточно низкой пластичностью и характеризуется относительно небольшой критической степенью деформации без разрушения. Значительное уменьшение диаметра НЛЗ, и как следствие, снижение степени деформации при горячем прессовании зачастую не позволяет получить требуемую длину трубы.
Использование НЛЗ диаметром большим, чем рассчитанным по формуле [1], позволяет без затруднений получить требуемую длину труб, но при этом значительно снижается качество поверхности труб и, как следствие - выход годной трубной продукции, а также увеличивается количество операций по ремонту поверхности, вырезки дефектных участков и т.п.
σ
Значения коэффициента k в формуле [1] предопределяют оптимальную степень деформации НЛЗ в зависимости от изготавливаемого сортамента труб из стали типа 13Cr, что обеспечивает повышение выхода годной продукции и качества поверхности горячепрессованных труб.
Диапазон температур подогрева гильзы до 1130÷1150°С перед началом прессования учитывает охлаждение гильзы при межоперационной транспортировке, а также склонность сталей мартенситно-ферритного класса к резкому увеличению содержания в структуре 8-феррита при температуре выше 1230°С, что может привести к снижению пластичности металла при заданной температуре деформации и ухудшению качества поверхности труб. Снижение температуры гильзы перед прессованием ниже 1130°С повышает сопротивление металла горячей пластической деформации и снижает пластичность, что при изготовлении труб приводит к повышенному износу инструмента, появлению дефектов поверхности, значительным энергозатратам или невозможности изготовления части сортамента труб.
σ
Осуществление горячего прессования со скоростью 180÷220 мм/с обусловлено следующим. При прессовании НЛЗ из стали типа 13Cr со скоростью прессования ниже 180 мм/с с учетом коэффициента k согласно формулы [1], происходит постепенное увеличение усилия прессования, обусловленное отсутствием деформационного разогрева и охлаждением заготовки, что значительно повышает риск недопрессовки гильзы в контейнере и, как следствие, уменьшение выхода годной продукции и снижение производительности трубопрессовой линии.
Эмпирически установлено, что прессование со скоростью более 220 мм/с повышает сопротивление деформации, увеличивая энергозатраты процесса, допустимый уровень силовых параметров оборудования и риск невозможности изготовления определенного сортамента труб. Высокая скорость прессования способствует увеличению содержания в структуре металла δ-феррита при значительном деформационном разогреве и приводит к снижению пластичности металла и ухудшению качества поверхности труб.
св
Диаметр d высверленной осевой зоны заготовки, рассчитанный по формуле [2], обеспечивает гарантированное удаление центральной пористости в НЛЗ, позволяет избежать образования плен технологического происхождения на внутренней поверхности трубы, обеспечивает повышение качества поверхности, выход годного и снижает расход металла при сверлении.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение горячепрессованных труб из НЛЗ указанного диаметра, обладающих повышенным качеством наружной и внутренней поверхности за счет полного удаления центральной пористости заготовки, исключения образования дефектов и применения указанных температурно-скоростных режимов прессования.
Предлагаемый способ был опробован в промышленных условиях при производстве горячепрессованных труб наружным диаметром 114,3 мм и толщиной стенки 8,56 мм из стали марки 15Х13Н2, например на горизонтальном трубопрофильном прессе усилием 55 МН.
При изготовлении партии труб использовали заготовку, диаметр которой определяли по формуле [1]:
Из рассчитанного интервала значений выбран диаметр заготовки 250 мм, соответствующий типовому ряду размеров заготовок пресса усилием 55 МН.
св
цп
З
цп
з
T
Диаметр высверленной осевой зоны заготовки определяли по формуле [2]: d=k D. При этом коэффициент осевой неоднородности k для соотношения 2,4>D/D≥1,7 составляет 0,17÷0,2, следовательно
св
d=(0,17÷0,2) 250 мм=42,5÷50 мм.
Из рассчитанного интервала значений выбран диаметр инструмента 50 мм, соответствующий типовому ряду диаметров инструмента для сверления осевой зоны заготовки.
пр
σ
Нагретую заготовку с применением технологической смазки задавали в контейнер вертикального гидравлического пресса и осуществляли процесс экспандирования с получением гильзы. Подогретую до температуры 1130÷1150°С гильзу задавали в контейнер горизонтального трубопрофильного пресса до контакта с матрицей, вводили пресс-штемпель с установленной пресс-шайбой и пресс-иглой и осуществляли распрессовку гильзы. Затем выполняли процесс прямого прессования трубы при следующих основных режимах: температура заготовок перед прессованием 1130÷1150°С, скорость прессования 180÷220 мм/с, вытяжка при прессовании μ=16,17 (k=8,31).
По итогам аттестации нескольких партий труб размерами 114,3×8,56 мм показатель выхода годного составил 90,05% со значительным снижением дефектов на поверхности труб, брака, ремонта труб и обрези.
Аналогичные результаты по выходу годного были получены и при изготовлении труб из стали марок 15Х13Н2Б, 20X13, 08Х13Н4М1Ф, 10Х13НЗМФБ.
пр
σ
Согласно действующей технологии, трубы размерами 114,3×8,56 мм изготавливали с использованием НЛЗ диаметром 304 мм, диаметром сверления осевой зоны заготовки 50 мм, температура заготовок перед прессованием 1140÷1160°С, скорость прессования 200÷230 мм/с, вытяжка при прессовании μ=24,74 (k=10,1). По итогам аттестации нескольких партий труб размерами 114,3×8,56 мм показатель выхода годного составил 64,02%. При этом были зафиксированы дефекты на внутренней и наружной поверхности труб типа раковин, трещин, единичных плен.
Использование предлагаемого способа изготовления горячепрессованных труб из стали типа 13Cr обеспечивает повышение качества наружной и внутренней поверхности труб за счет предотвращения образования дефектов и полного удаления центральной пористости НЛЗ, а также повышение выхода годной продукции. При этом снижается количество операций по ремонту поверхности, вырезки дефектных участков, расход инструмента и повышается производительность трубопрессовой линии.