STUDY OF THE MAIN FEATURES OF THE STRUCTURE, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE TUBE STEEL OF DURABILITY CLASS P110

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРУБНОЙ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ Р110

Научная статья

Путилова Е.А. *

ORCID: 0000-0002-8508-8413,

ИМАШ УрО РАН, Екатеринбург, Россия

* Корреспондирующий автор (tuevaevgenya[at]mail.ru)

Аннотация

Задачи создания оперативных и достоверных методов неразрушающего контроля структуры и уровня механических свойств термически упрочненных труб из широко используемых в нефтегазовой отрасли марок сталей, является весьма актуальной. В данной работе исследованы структура, механические и магнитные свойства трубной стали класса прочности Р110 после различных режимов термической обработки. Установлены магнитные параметры, которые могут быть использованы для контроля качества таких операций термической обработки, как недогрев под закалку, а также качество отпуска исследованной стали.

Ключевые слова: трубная сталь, закалка, отпуск, коэрцитивная сила, твердость.

STUDY OF THE MAIN FEATURES OF THE STRUCTURE, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE TUBE STEEL OF DURABILITY CLASS P110

Research article

Putilova E.A. *

ORCID: 0000-0002-8508-8413,

Institute of Machines Science UrB RAS, Yekaterinburg, Russia

* Corresponding author (tuevaevgenya[at]mail.ru)

Abstract

The task of creating operational and reliable methods of non-destructive testing of the structure and level of mechanical properties of thermally hardened tubes from steel widely used in the oil and gas industry is highly relevant. In this paper, the structure, mechanical and magnetic properties of tube steel of durability class P110 after various heat treatment modes are considered. Magnetic parameters that can be used to control the quality of heat treatment operations such as underheating under hardening, as well as the quality of tempering of the steel under study are established.

Keywords: tube steel, quenching, tempering, coercive force, hardness.

Тяжелые условия эксплуатации труб нефтяного и газового сортамента (широкий интервал климатических температур, коррозионно-активная среда, внешние нагрузки и др.) [1] приводят к тому, что требования по обеспечению уровня механических свойств, а также к качеству и надежности постоянно повышаются [2-6]. Для достижения необходимого уровня прочностных свойств, соответствующих повышенным классам прочности, трубы нефтегазового сортамента подвергают строго определенным режимам термической обработки (ТО) с образованием достаточно сложной микроструктуры. Качественную оценку труб после ТО в производственных условиях обычно осуществляют с помощью измерения твердости. Но в таком случае возможности сплошного контроля всех изделий уменьшаются. В связи с этим задача создания высоко оперативных и точных методов неразрушающего контроля качества термического упрочнения труб нефтегазового сортамента из стали класса прочности Р110 является достаточно актуальной.

Магнитный метод неразрушающего контроля механических свойств и микроструктуры стальных изделий, широко распространенные и регламентированный ГОСТ 30415-96, имеет ряд преимуществ [7]: во-первых, этот метод является неразрушающим; измерения информативных параметров можно проводить с достаточной точностью и оперативностью; приборы контроля просты и удобны в использовании, и требуют лишь минимальных знаний оператора. Однако, хорошо известно, что взаимосвязь механических и традиционно используемых в неразрушающем контроле магнитных параметров далеко не всегда однозначна, а характер этой взаимосвязи определяется как химическим составом стали, так и ее микроструктурой [8].

Материалы и методика

Исследования проводили на образцах, вырезанных из бесшовной трубы стали 22ХГ2А (диаметр труб 178 мм, толщина стенки 10,7 мм). Образцы прямоугольного сечения 7´10 мм и длиной 160 мм вырезали вдоль оси трубы. Полученные образцы подвергали термической обработке (ТО) по различным режимам. Закалку в воду проводили с четырех температур: 765 ºС – несколько выше температуры начала аустенитизации стали (недогрев); 840 ºС – ниже температуры полной аустенитизации (небольшой недогрев); 880 ºС (оптимальная температура); 980 ºС (перегрев). Варьирование температур отпуска проводили только на образцах, закаленных с оптимальной температуры. Их подвергали отпуску при следующих температурах: 520, 550, 570, 590, 610, 630, 650, 670, 700, 720 ºС.

На готовых образцах проводилось измерение твердости по методу Роквелла, коэрцитивной силы при помощи структуроскопа-коэрцитиметра КРМ-Ц с приставным датчиком-электромагнитом (размер полюса 32´15 мм, расстояние между полюсами 50 мм). С его помощью можно осуществлять контроль качества объемной термической обработки труб с толщиной стенки до 13 мм.

Также проводили измерение магнитных характеристик в замкнутой магнитной цепи по схеме пермеаметра на магнитно-измеринтельном комплексе Remagraph C-500. Магнитное поле напряженностью до 50 кА/м прикладывали вдоль оси образца. Регистрировали петли магнитного гистерезиса, из которых определяли значения коэрцитивной силы Н_с, остаточной индукции B_r и намагниченности в максимальном приложенном поле µ₀М_макс (µ₀ = 4p×´10^-7 Гн/м - магнитная постоянная). Погрешность измерения поля и индукции не превышала 3 %. Из основной кривой намагничивания определяли максимальную магнитную проницаемость m_макс. Перед началом каждого измерения магнитных свойств и по его окончании образец размагничивали.

Для проведения металлографических исследований образцов на них были подготовлены поперечные шлифы. При травлении шлифов использовался 3% спиртовой раствор HNO₃. Фотографирование структуры проводили на оптическом микроскопе при 1000-кратном увеличении.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 приведены изменения магнитных характеристик исследованной стали в зависимости от температуры закалки.

Недогрев под закалку является недопустимым для доэвтектоидных сталей, поскольку в результате такой термической обработки в структуре стали содержится мягкая составляющая (феррит), которая снижает прочность стали. Это подтверждается измерениями твердости исследованных сталей - из рис. 1 видно, что значения твердости стали при температуре закалки Т_зак = 765 ºС ниже, чем при более высоких Т_зак. Помимо феррита в сталях после закалки в воду обнаружены мартенсит и остаточный аустенит.

Рис. 1 – Зависимость магнитных характеристик стали класса прочности Р110 от температуры закалки

 

При закалке с 840, 880 и 980 ºС в воду структура исследованного материала содержит реечный мартенсит и остаточный аустенит, различие состоит только в дисперсности структуры и размере мартенситных пакетов и реек, их образующих (рис. 2).

 

Рис. 2 – Микроструктура исследованной стали после закалки, увеличение 1500

 

Как видно из рис. 1, все магнитные характеристики стали изменяются однозначно с изменением Т_зак. Коэрцитивная сила с увеличением температуры закалки до 840 ºС возрастает, дальнейшее увеличение Т_зак практически не сказывается на значениях Н_с. Максимальная магнитная проницаемость ведет себя противоположным образом. Значения остаточной индукции образцов, охлажденных воду, остаются, в пределах погрешности, без изменений. Небольшой недогрев под закалку (840 ºС) и перегрев (980 ºС) слабо влияет на структуру, твердость и магнитные характеристики образцов стали класса прочности Р110, они имеют похожую структуру, твердость и магнитные параметры, что и образцы, закаленные с оптимальной температуры. Отсюда следует, что для изделий из этих сталей важнее контролировать недогрев под закалку, поскольку это приводит к ухудшению механических свойств материала.

Образцы, закаленные с 880 ºС в воду, подвергали отпуску при температурах от 520 ºС до 720 ºС. Подобная операция ТО (закалка + высокотемпературный отпуск) называется улучшением [9]. В результате в структуре стали получается сорбит отпуска, который характеризуется равномерным распределением карбидных фаз и мелким размером частиц. При увеличении температуры отпуска выше 670 ºС структурные элементы начинают коагулировать и начинается укрупнение структурных составляющих сталей.

На рис. 3 приведены корреляционные зависимости твердости и коэрцитивной силы стали класса прочности Р110 после закалки и отпуска (линии построены только для температур отпуска 500, 540, 570, 600, 630 ºС), измеренные на образцах и на патрубках, причем измерения на патрубках проводили как на зачищенной поверхности, так и на поверхности с окалиной. Кривые аппроксимировали полиномом третьей степени. Коэффициенты корреляции между множеством значений твердости и коэрцитивной силы составляют: для модельных образцов – 0,970; для шлифованной поверхности патрубка – 0,987; для нешлифованной поверхности патрубка – 0,989.

 

Рис. 3 – Корреляционная зависимость твердости и коэрцитивной силы для стали 22ХГ2А

 

Для оценки отклонения измерений, сделанных на патрубках (шлифованной и нешлифованной поверхностях) от измерений на модельных образцах был введен такой показатель как среднее относительное отклонение, рассчитываемый по формуле [10]: , где Р_обр – значение твердости, измеренное на образцах, Р_п – значение твердости, измеренное на патрубках. Смысл состоит в том, что оценивалась площадь под кривой, соответствующей измерениям на патрубках, и сравнивалось полученное значение с площадью под кривой, полученной на модельных образцах. Отклонение кривой, соответствующей шлифованной поверхности патрубка, от кривой для модельных образцов составило 3,19%, а для нешлифованной – 4,87%. Совпадение достаточно хорошее.

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что коэрцитиметрический метод неразрушающего контроля с применением накладных преобразователей может быть использован для оценки качества такой операции ТО, как отпуск для трубной стали класса прочности Р110.

Недогрев под закалку достаточно четко определяется всеми измеренными магнитными параметрами. А для контроля качества такой операции ТО как отпуск может быть использован коэрцетиметрический метод, поскольку коэрцитивная сила монотонно изменяется во всем диапазоне температур отпуска. Максимальная магнитная проницаемость может быть использована для оценки в диапазоне температур отпуска до 600 ºС.

Финансирование Работа выполнена в раках исследований по проекту СП-150.2018.1 Стипендий Президента РФ молодым ученым и аспирантам. При выполнении работы использовано оборудование ЦКП «Пластометрия»	Funding The work was carried out within the framework of studies on the project SP-150.2018.1 of Scholarships of the President of the Russian Federation to young scientists and postgraduate students. The equipment of the Plastometry CUC was used when performing the work.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Rybin V. V. High-strength steels for trunk pipelines / Rybin V. V., Malyshevsky V. A., E. I. Hlusova // Voporosy materialovedenia 3(59), 127-137 (2009).
2. Pyshmintsev I. Y. New development of high-strength corrosion-resistant pipes for environments, product hydrogen sulfide / I. Y. Pyshmintsev, I. N. Veselov, B. A. Erehinskij. // Pipeline transport: theory and practice 5, 26-31 (2016).
3. Omura T. Super-high strength low alloy steel OCTG with improved sour resistance /T. Omura, M. Numata, M. Ueda // Ferrum Bulletin of the Iron and Steel Institute of Japan 9, 575-579 (2009)
4. Fujii Y. Oil and gas pipes of high corrosion resistance, ensuring the development of natural gas fields /Y. Fujii // Ferrum Bulletin of the Iron and Steel Institute of Japan 9, 568-572 (2009)
5. Liu M. Effect of microstructure and crystallography on sulfide stress cracking in API-5CT-C110 casing steel / M. Liu, C. D. Yang // Material science and Engineering A 671, 244-253 (2016)
6. Efron L. I. “Material science in “large” metallurgy. Pipe steels” / L. I. Efron, Moscow, Metallurgizdat, 2012.
7. Kluev V. V. “Nondestructive testing and diagnostic. Handbook” / V. V. Kluev, Moscow, Mashinostroenie, 1995
8. Bida G.V. “Magnetic properties of heat treated steels” / G. V. Bida, A. P. Nichipuruk, Ekaterinburg, UrO RAN, 2005
9. N. Arzamasov, I.I. Sidorin, G.F. Kosolapov “Materialsciense: Textbook for higher technical educational institutions”, Moscow, Mashinostroenie, 1986
10. Smirnov A. S. Identification of the deformation resistance model of metallic materials, taking into account the volume fraction of dynamically recrystallized grains / A. S. Smirnov, A. V. Konovalov, O. Y. Muisemnek // Deformation and fracture of materials 9, 7-13 (2013).