Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема стойкости материалов в условиях низких температур и коррозионно-агрессивных сред для нефтегазодобывающей отрасли промышленности нашей страны всегда была актуальной, а в последние годы становится все острее в связи с увеличением количества разработок и объемов добычи, в частности, с разработкой шельфовых зон Северного ледовитого океана, месторождений Крайнего Севера, Западной Сибири. Одной из самых актуальных задач в этой сфере является разработка технологии производства нефтегазопроводных и нефтегазопромысловых труб повышенной эксплуатационной надежности при отрицательных температурах, в коррозионно-активных высокоминерализованных средах, содержащих углекислоту и сероводород. Ответственные металлоконструкции нефтегазовых объектов, к которым относятся магистральные и промысловые трубопроводы для добычи и транспортировки нефти и газа, зачастую работают в экстремальных климатических и природно-геологических условиях; их разрушение сопровождается крупными материальными и экологическими потерями.
Нанесение защитных покрытий на внутренние поверхности труб, технологическое снижение коррозионной активности среды, применение ингибирования или других методов поверхностной обработки труб резко увеличивает себестоимость добычи и транспортировки продукта. Наиболее радикальным и экономичным способом обеспечения требуемой надежности и долговечности нефтегазопроводных труб является повышение свойств углеродистых или низколегированных сталей, из которых они изготовлены. Здесь основное направление исследований по увеличению стойкости нефтегазопроводных труб к хладноломкости, водородному охрупчиванию и сульфидному коррозионному растрескиванию традиционно имеет металлургический характер и связано со снижением концентрации серы и других примесей в металле. Оно нацелено на устранение причин появления неметаллических включений (НВ), которые провоцируют зародышеобразо-вание трещин. При этом, на наш взгляд, полностью не реализуются, возможности управления структурой стали и создания труб с заданными свойствами путем термической обработки, что связано со спецификой трубного производства, стандарты которого не предусматривают для нефтегазопроводных труб закалку с отпуском (только нормализацию или охлаждение с прокатного нагрева).
Между тем исследованиями российских и зарубежных ученых, таких как Икэда А., Хирт Дж. П., Бернштейн М.Л., Фонштейн Н.М., Борцов А.В., Урцев В.Н., Дьяченко С.С., Слухотский А.Е., Саррак И.В., Ботвина Л.Р. и мн. др., в разных областях материаловедения созданы научные предпосылки для решения задачи комплексного повышения прочности и коррозионной стойкости сталей различного состава. На этой основе в работе предпринята попытка решения задачи по разработке научно
обоснованных методов управления структурой стали для нефтегазопроводных труб (НГПТ) с использованием комбинированной термической обработки,.
Актуальность работы подтверждается также получением патента на разработанную по её результатам технологию комбинированной термообработки труб и объемами реализованной трубной продукции, изготовленной в соответствии с патентом на ОАО «Тагмет» (г. Таганрог).
Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в создании научно-экспериментальной базы для управления процессом повышения качества НГПТ путем термической обработки трубной стали 20, сочетающей индукционный и печной нагрев, а также использующей возможности горячей прокатки.
Для достижения поставленной цели сформулирована следующая совокупность задач в области эксперимента, теории и технологии:
комплексное металлофизическое исследование структуры и свойств металла труб после различных вариантов комбинированной термообработки;
определение основных закономерностей и принципов формирования структуры стали, обеспечивающих высокий эксплуатационный комплекс прочностных и коррозионных свойств стали 20 для нефтегазопроводных труб;
разработка технологического процесса термической обработки для повышения работоспособности НГПТ в условиях низких температур и сероводородной коррозии.
Научная новизна диссертационной работы состоит в выявлении новых закономерностей влияния комбинированной термической обработки (ТО) на структуру и субструктуру трубной стали и в разработке на этой основе метода повышения эксплуатационных свойств НГПТ.
Установлено, что методами комбинированной ТО, сочетающей полную закалку с редукционного нагрева, индукционную закалку из межкритического интервала температур (МКИ) и отпуск при печном нагреве, в стали 20 могут быть одновременно реализованы эффекты рафинирования и упрочнения а-фазы. Это дает возможность за счет сформированной ячеистой дислокационной структуры феррита, измельчения зерна стали и очищения феррита от примесей при закалке из МКИ обеспечить многократное повышение ударной вязкости горячекатанных бесшовных НГПТ при низких температурах эксплуатации.
Предложена модель экспериментально-расчетного прогнозирования прочностных свойств доэвтектоидной стали (стт) в зависимости от структурных параметров (доли феррита и перлита в структуре, дисперсности карбидов, размера зерен и ячеек субструктуры), регулируемых термической обработкой и определяемых стереологически. Опробование модели для предложенных в работе режимов ТО стали 20 показало хорошую сходимость результатов.
3. Показано, что углеродистая сталь с дуальной структурой может иметь высокую коррозионную стойкость в условиях эксплуатации НГПТ. Теоретически обосновано и подтверждено данными испытаний, что феррито-сорбитная структура стали 20, полученная комбинированной ТО, обладает:
высокой устойчивостью к ВР и СКРН за счет ячеистой субструктуры а-фазы, способствующей равномерному распределению напряжений и ловушек водорода по объему металлической матрицы;
стойкостью к воздействию водо-нефтяной эмульсии (насыщенной НгЭ и СОг), за счет избирательной электрохимической коррозии на начальной стадии и последующей пассивации поверхности стали за счет образования и удерживания защитной пленки продуктов коррозии.
Практическая значимость и реализация работы в промышленности. Установлена возможность за счет термической обработки резко повысить эксплуатационные свойства НГПТ по сравнению с существующими аналогами. Так, . разработанная по результатам исследований технология комбинированной термической обработки, включающей закалку с редукционного нагрева, индукционную закалку из МКИ и высокий отпуск при печном нагреве позволила впервые в практике трубного производства достичь показателя хладостойкое стали 20 на уровне KCV=20O...25O Дж/см2, который фактически не зависит от температуры испытаний вплоть до -70С. При этом сталь имеет повышенную прочность (<тв>500 МПа и стт>350 МПа), высокую стойкость к общей коррозии (менее 0,5 мм/год), водородному (ВР) растрескиванию (CLR=0; GTR=0) и сероводородному коррозионному (СКРН) растрескиванию под напряжением (am > 0,75-яо.г).
Эффективность основных результатов диссертационной работы подтверждена опытно-промышленными испытаниями термообработанных НГПТ в течение двух лет на байпасной линии нефтепровода ОАО «Сургутнефтегаз», а также патентом на изобретение, основу которого составляет разработанная технология комбинированной термической обработки. Объём НГПТ, выпускаемых и реализуемых ОАО «Тагмет» в соответствии с этой технологией, превышает 50 тыс. тонн в год (Справка об объмах выпуска приложена к диссертации). Потребителями этой трубной продукции являются такие крупнейшие российские нефтегазовые компании, как, например, ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «Нижневартовскнефтегаз».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2007 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Донского государственного технического университета и научных семинарах кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» (Ростов-на-Дону, 2006-2008 гг.).
Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 патент на
изобретение и 4 работы, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 236 страницах машинописного текста и состоит из введения; 6 глав основной части; заключения, содержащего общую сводку результатов и выводов; библиографического списка из 267 наименований цитируемых источников; приложений, включающих копию патента, протоколы испытаний свойств НГПТ, а также Справку ОАО «Тагмет» об использовании результатов научно-технической разработки. В тексте диссертации содержится 57 рисунков, 14 таблиц.
