Введение к работе
Актуальность темы
Истощение наиболее доступных месторождений нефти и газа приводит к тому, что во всем мире растет интерес к разработке месторождений с так называемыми «кислыми» средами (с высокой концентрацией сероводорода - H2S), вызывающими деградацию механических свойств сталей.
В результате необходима разработка эффективных методов производства высокопрочных сталей (с пределом текучести более 550 МПа) с улучшенными характеристиками сопротивления сульфидному растрескиванию под напряжением (СРН) и водородному охрупчиванию (ВО). Стойкость к СРН и ВО является структурно-чувствительными свойством, и достижение требуемых характеристик обеспечивается повышением «металлургического» качества сталей, с одной стороны, а также выбором химического состава и режима термической обработки, обеспечивающим оптимальную микроструктуру, с другой.
Достижение высокой прочности рационально легированных сталей при сохранении их стойкости к СРН необходимо обеспечивать с учетом особенностей структурных и фазовых превращений при термической обработке материалов, изготовленных на современном металлургическом оборудовании с соответствующим ему уровнем качества выпускаемой продукции. Коренная реконструкция мощностей металлургического, прокатного и термического передела трубной промышленности РФ, осуществляемая в последние годы, создала предпосылки освоения производства труб из рационально легированных сталей, стойких к воздействию особо агрессивных Игв-содержащих сред.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры Термообработки и физики металлов ГОУВПО «УГТУ - УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ:
№ 2218 «Исследование фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, обладающих полиморфизмом» (2007-2011 гг.) - единый заказ-наряд Минобрнауки РФ, проекта в аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (тема № 2244) и «Программы научно-технического сотрудничества ОАО «ТМК» и ОАО «ГАЗПРОМ» на 2006-2009 гг.».
Цель работы и задачи исследования. Основная цель настоящей работы состояла в определении закономерностей формирования микроструктуры и фазового состава современных трубных сталей в процессе термической обработки, одновременно обеспечивающей высокие прочностные свойства исследуемых материалов и необходимый уровень их стойкости к СРН. В соответствии с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1. Установить особенности превращений, протекающих в
среднеуглеродистых низколегированных Cr-Mo-V сталях, при различных
условиях термической обработки.
-
Определить влияние микроструктуры, формирующейся в процессе термической обработки, на сопротивление СРН и ВО, соответственно, при и после воздействия среды, содержащей сероводород.
-
Обобщить закономерности разрушения исследуемых сталей при одновременном воздействии агрессивной среды и внешнего растягивающего напряжения.
-
Разработать рекомендации по рациональному выбору составов сталей и условиям их термической обработки, обеспечивающим стойкость высокопрочных труб к СРН и ВО.
Научная новизна
1. Экспериментально подтверждены возможность реализации бездиффузионного механизма образования аустенита при непрерывном нагреве сталей 20Х1МФА, 26ХМФА-3 и 40ХМФА со скоростями более 10 /с и протекание процесса «самоотпуска» мартенсита при непрерывном
охлаждении стали 26ХМФА со скоростью 46,5...67,0 /с при реализации превращения по третьей ступени.
-
Установлено, что макроскопически хрупкое разрушение сталей типа 26ХМФА с пределом текучести 560...970 МПа в процессе СРН при уровне приложенных напряжений 80...90 % от минимального нормированного предела текучести соответствующих им групп прочности имеет смешанный характер, т. е. на различных стадиях микроскопически наблюдаются участки, характерные как для хрупкого, так и для вязкого разрушения.
-
Определено, что основное значение для обеспечения стойкости к СРН имеет сопротивление исследуемых сталей зарождению коррозионной квазихрупкой трещины, которое обеспечивается формированием в них структуры сорбита отпуска с мелкими, равномерно распределенными карбидами на основе Fe, Mo и Сг. При этом морфология карбидной фазы влияет на ВО, проявляющееся на завершающей стадии СРН - вязком «доломе», где относительное снижение пластичности при равной прочности определяется наличием в стали продуктов отпуска бейнита.
4. Установлено, что увеличение содержания Мо от 0,17 до
0,77 масс. % в сталях типа 26ХМФА, не оказывает определяющего
влияния на ВО в случае формирования перед отпуском мартенситной
структуры. В то же время, более высокое содержание Мо при идентичных
условиях термической обработки способствует формированию
микроструктуры, обеспечивающей улучшенную стойкость к СРН при
повышенном пределе текучести стали (более 758 МПа).
Практическая значимость
1. На основе литературных данных и результатов проведенных исследований разработана и апробирована оригинальная методика построения термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита в исследуемом классе низколегированных сталей, используемая в лаборатории Структурных методов анализа и свойств материалов и
наноматериалов Центра коллективного пользования ГОУ ВПО «УГТУ -УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина».
2. Построены термокинетические диаграммы образования аустенита
при непрерывном нагреве сталей 20Х1МФА, 26ХМФА-3 и 40ХМФА, а
также термокинетические диаграммы распада переохлажденного
аустенита в исследуемых сталях, что позволяет скорректировать режимы
их термической обработки, особенно при локальной термической
обработке зоны сварного соединения бурильных труб с приваренными
соединительными замками.
3. Выпуск опытно-промышленных партий обсадных и насосно-
компрессорных труб показал, что использование установленных
закономерностей фазовых и структурных превращений при разработке
условий закалки и отпуска исследуемых среднеуглеродистых рационально
легированных Cr-Mo-V сталей с заданным содержанием Мо обеспечивает
стойкость к СРН при нагрузках, составляющих 80...90 % от минимального
нормированного предела текучести.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Особенности и количественные закономерности фазовых
превращений в исследуемых сталях при нагреве в аустенитную область и
последующем охлаждении.
2. Влияние условий термической обработки на изменение свойств
исследуемых сталей после воздействия среды, содержащей H2S.
3. Общие закономерности процессов разрушения исследуемых
сталей при испытаниях на стойкость к СРН и в результате ВО при
испытаниях на статическое растяжение.
4. Результаты определения стойкости исследуемых сталей к СРН
после термической обработки в условиях современного трубного
производства.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на XIII и XV Международной научно-практической конференции «Трубы-2005» и «Трубы-2007», Челябинск, 2005 и 2007 гг.; X и XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2006 и 2007 гг.; XVII конференции Петербургские Чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2007 г.; VI, VII и VIII Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2004, 2006 и 2007 гг.; XDC Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Екатеринбург, 2008.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, две из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы; изложена на 205 страницах, включает 71 рисунок, 18 таблиц; список литературы содержит 103 наименования.
