CC BY
12
металлургия
МРНТИ 53.49.21:53.47.29
https://doi.org/10.48081/IWEP9622
H. Жакупов1, *A. В. Богомолов2, A. т. Жакупова3
I,2,3Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
эффективность термоциклической обработки для упрочнения обсадных труб
Обоснована экономическая целесообразность применения термоциклической обработки обсадных труб из экономнолегированной стали 09Г2С и 13ХФА для получения группы прочности Q125 по API5CT. Традиционно такой группы прочности достигали легированием трубных сталей одновременно хромом, молибденом, ванадием и ниобием, что значительно увеличивает себестоимость производства непрерывно-литых заготовок по сравнению со сталями 09Г2С и 13ХФА, пользующихся наибольшим спросом.
Технология термоциклической обработки с помощью четырехкратной закалки с последующим низкотемпературным отпуском из низколегированной доэвтектоидной стали позволяет добиться механических свойств на уровне группы прочности Q125 по API5CT. Для оценки экономической эффективности приведены данные по нормируемому химическому составу и стоимости непрерывнолитых заготовок из трубных марок сталей. Также представлены сведения о механических свойствах стальных изделий при различных вариантах упрочняющей обработки. Себестоимость непрерывнолитых заготовок была рассчитана с учетом добавки микролегирующих элементов.
Приведен сравнительный анализ себестоимости изготовления высокопрочной трубы из 09Г2С и 13ХФА по предлагаемому режиму термоциклической обработки и 25ХМФБ при традиционной термической обработке. В результате расчета подтверждено, что применение термоциклической обработки для сталей 09Г2С и 13ХФА снижает себестоимость производства трубы группы прочности Q125 по API 5CT и Р по ГОСТ 632-80, 633-80 на 21,1 и 33,8 % соответственно для каждой стали по сравнению с производством высокопрочной трубы из стали 25ХМФБ.
Ключевые слова: термоциклическая обработка, сталь, микролегирование, себестоимость, механические свойства, обсадная труба.
Введение
В настоящее время на единственном Казахстанском производителе бесшовных горячекатаных труб ПФ ТОО «KSP Steel» насосно-компрессорные и обсадные трубы производятся из низкоуглеродистых легированных сталей для получения групп прочности от Д до М согласно ГОСТ 632-80, 633-80 или от J55 до P110
согласно API 5CT. Однако, согласно данных стандартов, существуют трубы более высокого класса прочности Р (Q125), которые обладают более низким удельным весом и высокими прочностными свойствами [1,2]. При существующей обстановке получение высокопрочных труб на данном предприятии до сих пор не достигнуто. В связи с этим, вопрос получения труб нефтяного сортамента максимальных групп прочности является важным для ПФ ТОО «KSP Steel».
На зарубежных трубопрокатных предприятиях, таких как ЧПТПЗ, Магнитогорский трубопрокатный завод и др. для производства высокопрочных труб применяют хромомолибденовые стали, микролегированные ванадием и ниобием [3,4]. Легирование одновременно хромом, молибденом, ванадием и ниобием значительно увеличивает себестоимость производства непрерывно-литых заготовок по сравнению со сталями 09Г2С и 13ХФА, пользующихся наибольшим спросом. При этом данные конструкционные стали 09Г2С и 13ХФА для производства высокопрочных труб в практике не применяются, ввиду того, что получение предела прочности выше 1000 МПа и текучести в интервале 10001018 МПа невозможно при существующих методах упрочнения (таблица 2) [5]. Кроме того, согласно [6,7] максимальные и соответствующие нормируемым показателям механических свойств для групп прочности Q125 и Р значения были достигнуты только на трубах из стали 25ХМФБ, остальные же соответствовали более низким классам прочности.
Материалы и методы исследования
В таблице 1 приведены данные по нормируемому химическому составу и стоимости непрерывнолитых заготовок из трубных марок сталей.
Таблица 1 - Стоимость непрерывнолитых заготовок из трубных марок сталей
Марка стали Химический состав, % Средняя стоимость 1 т, тг
C Si Mn Cr Mo V Nb S P
09Г2С 0,12 0,53 1,35 0,03 0,03 0,005 0,001 0,005 0,011 198 000 [1]
13ХФА 0,14 0,22 0,45 0,5 0,02 0,055 0,007 0,007 0,011 240 000 [1]
25ХМ 0,24 0,23 0,56 0,92 0,32 0,001 0,003 0,002 0,004 292 000 [1]
25ХМБ 0,24 0,22 0,55 0,92 0,33 0,003 0,033 0,002 0,005 298 000
25ХМФ 0,23 0,22 0,56 0,92 0,34 0,038 0,002 0,002 0,004 304 000
25ХМФБ 0,23 0,22 0,55 0,91 0,31 0,043 0,032 0,002 0,005 310 000
0,02-0,03 % Al; 0,006-0,010 % N; остальное Fe
Стоимость заготовок из стали 25ХМБ, 25ХМФ и 25ХМФБ рассчитана с учетом добавки микролегирующих элементов. При этом учитывалось по правилу аддитивности содержание химического элемента в готовой стали, содержание элемента в металле до легирования, доля элемента в ферросплаве, доля усвоения элемента в процессе выплавки стали.
В таблице 2 представлены сведения о механических свойствах стальных изделий при различных вариантах упрочняющей обработки.
Таблица 2 - Механические свойства стальных изделий при различных методах обработки
Механические свойства Улучшение Микролегирование (V + Nb) Термо-механическая обработка Термо-циклическая обработка (по режиму)
Сталь 09Г2С
Предел прочности, МПа 880-910 950-980 910-940 1000-1030
Предел текучести, МПа 740-770 930-960 890-920 970-1000
Сталь 13ХФА
Предел прочности, МПа 900-930 990-1020 960-990 1050-1080
Предел текучести, МПа 780-810 940-970 900-930 990-1020
Результаты и обсуждение
Добавка ниобия с целью получения процентного содержания 0,033 % в стали марки 25ХМБ согласно таблице 1 увеличивает себестоимость заготовки (при цене феррониобия 10 640 тыс.тг/т [1]) на 5480 тг на 1 т стали.
Добавка ванадия же при стоимости ферросплава в 14 560 тыс.тг [1] повышает стоимость 1 т стали 25ХМФ на 11969 тг.
Таким образом, суммарно для стали марки 25ХМФБ одновременное легирование ванадием и ниобием изменяет стоимость 1 тонны непрерывнолитой заготовки в большую сторону на 17,5 тыс. тг.
Как видно из таблицы 2, при традиционном методе упрочнения термической обработкой и с дополнительной пластической деформацией, требуемые значения механических свойств не могут быть достигнуты, в отличие от вариантов применения микролегирования ванадием и ниобием, а также термоциклической обработки. В связи с этим, для обоснования и рекомендации в производство встает вопрос выбора наиболее экономически выгодного метода упрочнения труб между этими двумя способами - термомеханической обработкой и термоциклической обработкой по предлагаемому режиму.
В таблице 3 приведен сравнительный анализ себестоимости изготовления высокопрочной трубы из 09Г2С и 13ХФА по предлагаемому режиму термоциклической обработки и 25ХМФБ при традиционной термической обработке.
Отличие технологий термической обработки труб из сталей 09Г2С и 13ХФА от труб из стали 25ХМФБ состоит в скорости нагрева и количества циклов закалки. При этом, для труб из стали 09Г2С была применена четырехкратная закалка, а для труб из стали 13ХФА - трехкратная [8-10].
При расчете количества теплоты, необходимого для нагрева одной тонны металла учитывались следующие факторы: масса нагреваемой трубы, удельная теплоемкость стали, температуры начала и конца нагрева. При нагреве до 900 °С количество теплоты составило 440000 кДж. При нагреве до 150 °С количество теплоты составило 65000 кДж.
Расчет необходимой электроэнергии на индукционный нагрев показал, что для стали 09Г2С при четырех циклах закалки общий расход составит 543,2 кВт-ч, а для 13ХФА при трех циклах закалки - 407,4 кВт-ч.
Таблица 3 - Сравнительная себестоимость изготовления 1т высокопрочной трубы
Расходный показатель Ед.изм Цена за ед., тг Количество/общая стоимость расходного показателя
09Г2С 13ХФА 25ХМФБ
Непрерывнолитая заготовка т - 198 000 240 000 310 000
Энергозатраты на оборудование кВт-ч 15,14 120 / 1 817 120 / 1 817 120 / 1817
Нагрев под закалку: - горючий газ; - электроэнергия. л кВт-ч 79,42 15,14 543,2 / 8 224 407,4 / 6 168 34,8 / 2 764
Нагрев под отпуск: - горючий газ. л 79,42 5,2 / 413 5,2 / 413 5,2 / 413
Итого 208 454 248 398 314 994
Анализ данных таблицы 3 показывает, что применение термоциклической обработки для сталей 09Г2С и 13ХФА снижает себестоимость производства трубы группы прочности Q125 по API 5CT и Р по ГОСТ 632-80, 633-80 на 21,1 и 33,8 % соответственно для каждой стали по сравнению с производством высокопрочной трубы из стали 25ХМФБ.
Выводы
Таким образом, применение термоциклической обработки для сталей 09Г2С и 13ХФА снижает себестоимость производства трубы группы прочности Q125 по API 5CT и Р по ГОСТ 632-80, 633-80 по сравнению с производством высокопрочной трубы из стали 25ХМФБ. Следовательно, данные марки трубных сталей после термоциклической обработки экономически выгодно использовать для повышения эффективности производства высокопрочных труб.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Металлургический бюллетень / Информационно-аналитический журнал [Электронный ресурс]. - https://www.metalbulletin.ru.
2 Iyengar, S. Heat Treatment of Low-Alloyed Steel up to Grade Q125 / Iyengar S., Bogomolov A.V., Zhakupov A.N. [Text] // Solid State Phenomena. - 2017. -Vol. 265. - P. 981-987.
3 Ануфриев, Н. П. Разработка экономнолегированных хромомолибденовых сталей для производства обсадных труб высоких групп прочности / Н. П. Ануфриев, К. А. Лаев, А. А. Есаулков [Текст] // Металловедение и термическая обработка. -№ 7. - 2014. - С. 253-254.
4 Ануфриев, Н. П. Разработка химического состава стали и режимов термической обработки для производства обсадных труб группы прочности Q125 в хладостойком исполнении / Н. П. Ануфриев [Текст] // Металловедение и термическая обработка. - № 3. - 2016. - С. 174-175.
5 Полехина, Н. А. Механизмы упрочнения 12 %-ных хромистых ферритно-мартенситных сталей в зависимости от режима их термической обработки/ Н. А. Полехина, И. Ю. Литовченко, Д. А. Кравченко, А. Н. Тюменцев [Текст] // Вестник Тамбовского университета. Серия : естественные и технические науки.
- № 3 (21). - 2016. - С. 1246-1249.
6 Усков, Д. П. Влияние легирования на свойства высокоотпущенных сталей, применяемых для производства обсадных труб / Д. П. Усков, И. Ю. Пышминцев, А. Н. Мальцева, М. А. Смирнов, Ю. Н. Гойхенберг, Е. А. Тарасова [Текст] // Металловедение и термическая обработка. - № 7. - 2017. - С. 41-46.
7 Чернов, В. М. Термическая стабильность микроструктуры 12 %-ных хромистых ферритно-мартенситных сталей в процессе длительного старения при высоких температурах / В. М. Чернов, М. В. Леонтьева-Смирнова, Е. М. Можанов, Н. С. Николаева [Текст] // Журнал технической физики. - 2016. - Т. 86. - № 2. - С. 53-58.
8 Гребенков, С. К. Деформационное упрочнение и структура термоупрочненных низкоуглеродистых мартенситных сталей : дисс. канд. техн. наук [Текст] // Пермь, 2014. - 167 с.
9 Смирнов, М. А. Влияние структуры на деформационное старение низкоуглеродистой стали / М. А. Смирнов, И. Ю. Пушминцев, О. В. Барнак и А. Н. Мальцева [Текст] // Деформация и разрушение материалов. - 2014. - № 8. -С. 9-15.
10 Жакупов, А. Н. Non-destructive method for determining the mechanical properties of rolled steel / А. Н. Жакупов, А. В. Богомолов, А. Т. Жакупова [Tera^ // Наука и техника Казахстана. - 2021. - № 3. - С. 44-49.
REFERENCES
1 Metallurgical Bulletin / Information and analytical journal [Electronic resource].
- https://www.metalbulletin.ru.
2 Iyengar, S. Heat Treatment of Low-Alloyed Steel up to Grade Q125 / Iyengar S., Bogomolov A. V., Zhakupov A. N. [Text] // Solid State Phenomena. - 2017. - Vol. 265. - P. 981-987.
3 Anufriev, N. P. Razrabotka e'konomnolegirovanny'x xromomolibdenovy'x stalej dlya proizvodstva obsadny'x trub vy'sokix grupp prochnosti [Development of economically alloyed chromium-molybdenum steels for the production of high strength groups casing pipes] / N. P. Anufriev, K. A. Laev, A. A. Esaulkov [Text] // Metal Science and Heat Treatment. - No. 7. - 2014. - P. 253-254.
4 Anufriev, N. P. Razrabotka e'konomnolegirovanny'x xromomolibdenovy'x stalej dlya proizvodstva obsadny'x trub vy'sokix grupp prochnosti [Development of the steel chemical composition and heat treatment modes for the casing pipes production of strength group Q125 in cold-resistant design] / N. P. Anufriev [Text] // Metal Science and Heat Treatment. - No. 3. - 2016. - P. 174-175.
5 Polekhina, N. A. Strengthening mechanisms of 12 % Cr ferritic-martensitic steels depending on the heat treatment mode / N. A. Polekhina, I. Yh. Litovchenko, D. A. Kravchenko, A. N. Tyumentsev [Text] // Vestnik tambovskogo universiteta. seriya : yestestvennyye i tekhnicheskiye nauki. - No. 3 (21). - 2016. - P. 1246-1249.
6 Uskov, D. P. Vliyanie legirovaniya na svojstva vy'sokootpushhenny'x stalej, primenyaemy'x dlya proizvodstva obsadny'x trub [The effect of alloying on the high-strength steels properties used for the casing pipes production] / D. P. Uskov, I. Yu. Py'shmincev, A. N. Mal'ceva, M. A. Smirnov, Yu. N. Gojxenberg, E. A. Tarasova [Text] // Metal Science and Heat Treatment. - No. 1. - 2017. - P. 41-46.
7 Chernov, V. М. Thermal stability of the microstructure of 12 % chromium ferritic-martensitic steels after long-term aging at high temperatures / V. M. Chernov, M. V. Leont'eva-Smirnova, E. M. Mozhanov, N. S. Nikolaeva [Text] // Technical Physics. - V. 61. - No 2. - 2016. - P. 209-214.
8 Grebenkov, S. K. Deformatsionnoye uprochneniye i struktura termouprochnyonnykh nizkouglerodistykh martensitnykh staley [Deformation strengthening and structure of heat-treated low-alloyed martensite steels] / S. K. Grebenkov [Text] : Dis.of PhD in Engineering Sciences. - Perm, 2014. - 167p.
9 Smirnov, M. A. Vliyaniye struktury na deformatsionnoye stareniye nizkouglerodistoy stali [Influence structure on stress aging of low-alloyed steel]/ М. А. Smirnov, I. Yu. Pyshmintsev, O. V. Barnak, A. N. Maltseva [Text] // Deformation and rupture of materials [Deformatsiya i razrusheniye materialov]. - 2014. - No. 8. - P. 9-15.
10 Zhakupov, А. N. Non-destructive method for determining the mechanical properties of rolled steel / А. N. Zhakupov, А. V. Bogomolov, А. Т. Zhаkupova [Text] // Science and technology of Kazakhstan. - 2021. - No. 3. - P. 44-49.
Материал поступил в редакцию 06.06.22.
А. Н. Жакупов1, *А. В. Богомолов2, А. Т. Жакупова3
1,2,3ТораЙFыров университет^ Казахстан Республикасы, Павлодар к. Материал 06.06.22 баспаFа тYстi.
Ц¥БЫРЛАРДЫ БЕКЕМДЕУ YШIН ТЕРМОЦИКЛ1К ЭНДЕУДЩ ТИ1МД1Л1Г1
API 5CT бойынша Q125 бержтж тобын алу ушт 09Г2С жэне 13ХФА аз легiрленген болаттан жасалган цаптама цубырларыныц термиялыц циклдж ецдеут цолданудыц экономикалыц орындылыгы нег1зделген. Дэстyрлi турде бул бержтж тобына цубырлы болаттарды хром, молибден, ванадий жэне ниобиймен бiр мезгыде легирлеу арцылы цол жеткiзiлдi, бул ец улкен суранысца ие 09Г2С жэне 13ХФА болаттармен салыстырганда узджс1з цуйылатын дайындамаларды вндiру цунын айтарлыцтай арттырады.
Темен легирленген гипоэвтектоидты болаттан темен температурада шыныцтыру арцылы терт еселж шыцдауды цолданатын термиялыц цикл технологиясы API 5CT бойынша Q125 сапа тобы децгейтде механикалыц
цасиеттерге цол жеттзуге мумктдж беред1 Экономикалыц тиiмдiлiктi багалау ушт нормаланган химиялыц цурамы жэне цубыр болат маркаларынан узджаз цуйылган дайындаманыц цуны туралы мэлiметтер келтiрiлген. Сондай-ац, цатайтуды вцдеудщ эртyрлi нусцалары бар болаттан жасалган буйымдардыц механикалыц цасиеттерi туралы ацпарат бередi. Yздiксiз цуйылатын дайындаманыц цуны микроцорытпа элементтердi цосуды ескере отырып есептелдi. Дэстyрлi термиялыц вцдеу кезтде усынылган термиялыц цикл жэне 25ХМФБ режимiне сэйкес 09Г2С жэне 13ХФА-дан жогары берж цубырды дайындау цуныныц салыстырмалы талдауы келтiрiлген. Есептеу нэтижестде 09Г2С жэне 13ХФА болаттар ушт термиялыц циклдi вцдеудi цолдану API5CTжэне R бойынша ГОСТ632-80, 633-80 бойынша Q125 бержтж тобындагы цубырларды вндiру цунын твмендететiнi расталды. 25ХМФБ болаттан жасалган бержтш жогары цубырларды вндiрумен салыстырганда эрбiр болат ушт сэйкестше 21,1 жэне 33,8 %.
Кiлттi свздер: термоциклдi вцдеу, болат, микроцорытпа, бастапцы цун, механикалыц цасиеттерi, цубыр.
А. N. Zhakupov1, *А. V. Bogomolov2, А. T. Zhakupova3
1,2,3Toraighyrov University,
Republic of Kazakhstan, Pavlodar. Material received on 06.06.22.
EFFICIENCY OF THERMOCYCLIC TREATMENT FOR CASING PIPES HARDENING
The economic feasibility of using casing pipes thermocyclic treatment made of economically alloyed steel 09Mn2Si and 13CrV to obtain strength group Q125 according to API 5CT is substantiated. Traditionally, such strength groups achieved by alloying pipe steels simultaneously with chromium, molybdenum, vanadium and niobium. This significantly increases the cost of production of continuously cast blanks compared to steels 09Mn2Si and 13CrV.
The technology ofthermocyclic four-fold quenching followed by low-temperature tempering of low-alloy pre-eutectoid steel allows to achieve mechanical properties at the level of strength group Q125 according to API 5CT. To assess economic efficiency, data on the normalized chemical composition and cost of continuously cast billets from pipe grades of steel given. Information on the mechanical properties of steel products in various variants of hardening treatment also presented. The cost of continuously cast blanks was taking into account the addition of micro-alloying elements calculated.
A comparative analysis of the cost of manufacturing a high-strength pipe from 09Mn2Si and 13CrV according to the proposed mode of thermocyclic treatment and 25CrMoVNb with traditional heat treatment is given. Because of the calculation, it was that the use of thermocyclic treatment for 09G2C and 13XFA steels reduces the cost of production of Q125 strength group pipes according to API 5CT and R according to GOST 632-80, 633-80 by 21.1 and 33.8 %, respectively confirmed.
Keywords: thermocyclic treatment, steel, microalloying, cost, mechanical properties, casing pipe.
