Реферат: Термическая обработка и термомеханическая обработка обсадных труб из стали 36Г2С

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/м²(кг/мм²)	Предел текучести, Мн/м²(кг/мм²)	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/м² (50 кг/мм²),

высокой прочности с пределом текучести 539,3-735,5 Мн/м² (55-75 кг/мм²),

особо высокой прочности – более 735,5 Мн/м²(75 кг/мм²).

Рисунок 2.- Технологическая схема производства обсадных труб

Обсадные трубы обычной прочности с минимальным пределом текучести до 490,3 Мн/м² (50 кг/мм²) 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/м² (50 кг/мм²) )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 200-500ºC. 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