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 150-200ºC, 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

 Микроструктура всех труб – сорбит различной степени дисперсности.

Скоростной нагрев, закалка в спреере. В настоящее время нет достоверных данных о влиянии на механические свойства металла скоростного нагрева под закалку при различных температурах.

При нагреве стали 36Г2С со скоростью 8 град/сек с увеличением температуры закалки от 870 до 1000ºС прочность и пластичность стали повышаются: предел прочности с 961,0 (98) до 1098 Мн/м² (112 кг/мм²), предел текучести с 813,9 (82) до 1029,6 Мн/м² (105 кг/мм²), относительное удлинение с 14 до 16% и ударная вязкость с 7,84 (8) до 10,8 Мдж/м² (11 кг·м/см²).

Закалка от температуры 800-1000ºС при обычном нагреве с выдержкой практически не изменяет предела прочности и предела текучести.

Ударная вязкость и относительное сужение достигают наиболее высоких значений после закалки от 840ºС. Дальнейшее повышение температуры закалки ведет к понижению пластичности.

Скоростная термическая обработка позволяет получать механические свойства даже несколько более высокие, чем при обычной термической обработке, однако температура нагрева при скоростной закалке должна быть несколько более высокой.

Гладкие обсадные и другие трубы при скоростной закалке подвергают только наружному струйному охлаждению.

Из стали низколегированной марки 36Г2С путем скоростного нагрева в сочетании со струйным охлаждением можно получать трубы марок Л и М.

Трубы размером 73х9х7000мм из стали 36Г2С химического состава С=0,38%, Mn=0,54%, Si=1,52%, P=0,028%, S=0,023%, Cr=0,09%, Ni=0,10% нагревали под закалку в секционной печи со скоростью 4,6 –5,0 град/сек до температуры 860-870ºС.

Охлаждение водой осуществляли в спреере соплового типа. Длина спреера и давление воды обеспечивали охлаждение труб до комнатной температуры за время прохождения их через спреер.

Скорость нагрева труб в секционных печах под отпуск 5,5-6,5 град/сек. Температура отпуска 660ºС. Охлаждение после отпуска на воздухе.

Все обработанные указанным способом трубы удовлетворяли требованиям стандарта марки М (95%) и марки Л (5%) по всем характеристикам механических свойств, за исключением предела прочности.

У основной массы труб (75% из стали 36Г2С) предел текучести превышал 833,6 Мн/м2 (85 кг/мм2), а характеристики пластичности и ударной вязкости не только соответствовали требованиям стандарта для сталей Л и М, но в большинстве случаев значительно превышали их.

Относительное удлинение для 88% из стали 36Г2С было выше 16%, ударная вязкость для 90% труб выше 8,82 Мдж/м (9кг*м/см2).²

Типичной микроструктурой металла труб после термической обработки является сорбит отпуска. Вследствие недостаточного нагрева труб под закалку иногда наблюдалась структура сорбита с ферритной составляющей по границам аустенитных зерен.

Высокая температура горячей деформации труб приводила к крупнозернистой структуре металла труб (балл 2-3), представляющей собой перлит с ферритной сеткой по границам аустенитных зерен. Такая исходная структура затрудняет аустенизацию стали при скоростном нагреве под закалку. Для улучшения качества термообработанных труб целесообразно горячекатаные трубы перед закалкой подвергать нормализации.

Увеличение давления и расхода охлаждающей воды при одностороннем охлаждении не дает положительного эффекта.

Опытные данные показали, что двустороннее охлаждение в спреере обеспечивает сквозную прокаливаемость концов обсадных труб и дает возможность получать из стали 36Г2С обсадные трубы марки Л и М, а из стали Д трубы марки Е и К.

Уменьшение механических свойств высаженных концов термически обработанных труб объясняется не только изгибом волокон, что имеет место и в трубах просто нормализованных, но также и возможной неполной прокаливаемостью стенок. Однако, как показали исследования, в условиях достаточного нагрева и охлаждения при скоростной термической обработке можно получить трубы, у которых механические свойства тела трубы и высаженных концов будут равномерными и достаточно высокими. Этому в значительной мере способствует нормализация обсадных труб перед окончательной термической обработкой, которая измельчает зерно стали, выросшее в процессе высадки. Более дисперсная структура металла, как известно, ускоряет его аустенизацию при нагреве, что особенно важно при скоростной термической обработке.

Предварительная нормализация повышает прочностные характеристики высаженных концов примерно на 10%, а характеристики пластичности – на 40-60%.

Нагрев токами высокой частоты, закалка в спреере. Установка для закалки состоит из индуктора для нагрева движущейся трубы под закалку. Нагретый участок трубы охлаждается в спреере вращающимся потоком воды, установленным непосредственно за индуктором. Отпуск закаленного участка трубы производится также путем нагрева токами высокой частоты во втором индукторе, находящемся за спреером. Труба при термообработке движется горизонтально со скоростью примерно 1 м/мин.

Для уменьшения осевого искривления труб последние приваривают друг к другу в непрерывную полосу.

Такой термической обработке подвергали обсадные трубы диаметром 168 и 141 мм с толщиной стенки 8-14 мм из стали марки  36Г2С. Скоростной нагрев проводили на частоте 2500 гц.

Температура нагрева под закалку составляла 850-950ºС, температура отпуска 500-725ºС в зависимости от марки стали и толщины стенки трубы.

После термической обработки значительно повышаются не только запас прочности труб, но их пластические свойства. Недостатком такой установки является низкая ее производительность.[2]
5.3.Термическая обработка концов труб

Недостатком муфтовых резьбовых соединений обсадных труб является ослабленное тело трубы в нарезке.

Одним из способов достижения равнопрочности является упрочнение концов самой трубы при помощи термической их обработки.

Технологию упрочнения концов труб ведут путем нагрева всей трубы с последующей закалкой концов в спреерной установке. В этом случае концы труб подвергают закалке, а всю остальную часть трубы – нормализации.

По другой технологии нагревают только концы труб с последующей их закалкой.

При нагреве под закалку только концов труб наблюдаются две переходные зоны: зона перехода от закалочного участка к нормализованному (температура выше Ас3) и зона с градиентом температур критического интервала и высокого отпуска. Вторая переходная зона характеризуется снижением прочностных свойств примерно на 5-12%, по отношению к исходным при одновременном повышении относительного удлинения и относительного сужения.[2]
6.Термомеханическая обработка обсадных труб

В последнее время получают развитие новые технологические процессы комбинированного термомеханического воздействия на структуру и свойства обсадных труб, позволяющие значительно улучшить их эксплуатационные характеристики и обеспечить существенную экономию металла в народном хозяйстве.

На линии для комбинированного высокотемпературного термомеханического упрочнения  обсадных труб горячекатаные трубы-заготовки после прокатки на автоматстане поступают на входную сторону раскатных станов и прокатываются  здесь до необходимого по технологии размера. Существующие раскатные станы в соответствии с результатами проведенных ранее исследований заменяются более мощными двухвалковыми с осевой выдачей раската для осуществления прокатки с обжатиями  по толщине стенки до 20%(вместо 3-5%на существующих станах).

После раскатки трубы подвергают закалке в спрейерных охлаждающих устройствах, совмещенных с оборудованием выходной стороны раскатных станов. Трубы, имеющие температуру на выходе в раскатные станы, более низкую, чем задано по технологии ВТМО, после охлаждения автоматически исключаются от потока высокопрочных труб и сбрасываются в карман. Закаленные трубы с выходной стороны станов поступают на центральный рольганг и перекладывателем через устройство для слива воды направляются на выходной рольганг отпускной печи с шагающими балками (с поперечным перемещением труб). Эта печь (с газовым обогревом) имеет две технологические зоны: нагрева и выдержки. Топливо сжигают в специальных, вынесенных из рабочего пространства надсводовых топках с рециркуляцией разбавленных продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Конструкция шагающих балок предусматривает перекатывание труб не только на рабочем, но и на холостом ходу балок, что обеспечивает равномерный нагрев труб по периметру. Шагающие балки стационарные и не охлаждаются.

Далее нагретые до заданной температуры отпуска трубы поступают на рольганг выдачи, а затем в калибровочный стан. Клети этого стана нерегулируемые, с индивидуальным приводом. Стан предназначен для тёплой и горячей калибровки труб.

После калибровки трубы с температурой, близкой к температуре отпуска, подвергают тёплой правке на правильном стане и охлаждают на колёсном холодильнике. При охлаждении благодаря быстрому вращению труб искривление их по длине почти отсутствует. Поэтому для высокопрочных труб холодную правку, как обязательную технологическую операцию можно не предусматривать. В конце холодильника есть обводной рольганг перед станами холодной правки, по которому высокопрочные трубы направляются непосредственно для отделки. В таблице приведены показатели механических свойств металла труб после ВТМО.

Таблица 5

Механические свойства металла труб после ВТМО

Группа прочности по ГОСТ632-64	Температура тепловой деформации,ºС	Временное сопротивление, кг/мм²	Предел текучести, кг/мм²	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %
Сталь 10
Л	600	81,0	74,1	17,5	72,0
Сталь 36Г2С
М	600	100,0	84,0	20,0	62,5

Внедрение новой технологии позволит улучшить качество труб, применить для их изготовления исходную заготовку из более дешёвого металла и снизить эксплуатационные затраты.[7]
7.

Контроль качества труб после термической


и термомеханической обработки

С целью обеспечения высоких эксплуатационных свойств труб нефтяного сортамента при их изготовлении осуществляется тщательный пооперационный контроль геометрических размеров, механических свойств и состояния внутренней и наружной поверхностей.

Заключительной операцией технологического контроля обсадных труб является испытание внутренним гидравлическим давлением. Цель гидравлического испытания – проверка прочности тела трубы и герметичности резьбового соединения.

Применение закалки и отпуска в некоторых случаях вызывает появление дополнительных дефектов, обусловленных термической обработкой (закалочные трещины и др.). Поэтому в технологии производства высокопрочных труб особую важность, кроме гидравлических испытаний, приобретает контроль качества поверхностей трубы и особенно резьбовых концов. Наружные и внутренние дефекты значительно снижают сопротивление трубы действующим нагрузкам и могут служить причиной аварий.

Наиболее распространёнными видами контроля труб на отечественных и зарубежных заводах являются визуальный осмотр, а также контроль с помощью магнитного, ультразвукового методов и гамма-дефектоскопии.[2]
Литература:
[1]- Ю.А.Башнин, Б.К.Ушаков, А.Г.Секей, Технология термической обработки, М., Металлургия, 1986.

[2]- А.А.Шевченко, В.И.Стрижак, Производство труб для нефтяной промышленности, М., Металлургия, 1965.

[3]- А.А.Гайворонский, Крепление нефтяных и газовых скважин в США, Гостоптехиздат, 1962.

[4]- Ю.М.Матвеев, производство высокопрочных обсадных труб, Сталь, 1953, №10.

[5]-Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. т.III, М.: Металлургия, 1983.

[6]-Б.П.Колесник, Механические свойства углеродистой и низколегированной трубной стали после нормализации с применением скоростного нагрева, Производство труб, сб. статей УкрНИТИ, вып. 9, Металлургиздат, 1963.

[7]-В.М.Янковский и др., Чёрная металлургия, Бюл. Научн.-техн. журн., 1976, №10, ст.41.