Способ термической обработки нефте - газопроводных труб

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра теплофизики, автоматизации и экологии печей

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

“Основы инженерного творчества”

Способ термической обработки нефте - газопроводных труб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                         Выполнила:

студентка гр. 08-ТОМ

                                                                                               Чуева М.Е.

                                                                                                Проверил:

                                                                              Чернышов Е.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2012

Содержание

1.Задание………………………………………………………………………… 3

2.Общие сведения……………………………………………………………….. 3

3.Описание проблемной  ситуации……………………………………………... 4

4.Предварительная постановка  задачи………………………………………… 5

5.Выбор аналогов и  прототипа и описание их признаков……………………. 6

6.Уточнённая постановка  задачи………………………………………………. 7

7.Описание заявки на изобретение…………………………………………….. 7

  7.1.Название……………………………………………………………………. 7

  7.2.Область техники, к которой относится изобретение……………………. 7

  7.3.Аналоги и их  недостатки………………………………………………….. 7

  7.4.Прототип и его  недостатки………………………………………………... 8

  7.5.Задача изобретения……………………………………………………….... 8

  7.6.Сущность изобретения…………………………………………………….. 8

  7.7.Формула изобретения…………………………………………………….. 10

8.Список использованных  источников……………………………………….. 11

9.Построение конструктивной функциональной структуры (КФС) способа термической обработки нефте – газопроводных труб………………………..12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Задание

          Разработка или усовершенствование способа термической обработки нефте-газопроводных труб из малоуглеродистой стали, стойких к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих сероводород, на основе патентного поиска.

 

2.Общие сведения  о техническом объекте

Электросварные нефте-газопроводные трубы

Изделие представляет собой  электросварную трубу из низколегированной  стали с продольным швом, со снятым наружным и внутренним гратом.

Электросварные обсадные трубы изготавливаются из горячекатаной низколегированной стали. Они применяются для предохранения стенок нефтяных и газовых скважин от разрушений, попадания воды в скважины, а также для разделения друг от друга газоносных и нефтяных пластов.

              К качеству обсадных труб предъявляются высокие требования, т.к. они работают в сложных условиях комплексного нагружения, под действием температур, агрессивных сред. Большое влияние на работоспособность труб, а также на требования, предъявляемые к их качеству, оказывают следующие условия их эксплуатации: высокие температуры, наличие коррозионных сред.

Термическая обработка  металлов

               Назначение термической обработки металлов - получение требуемой твердости, улучшение прочностных характеристик металлов и сплавов. Термическая обработка металлов включает в себя следующие операции:

отжиг, нормализация, закалка, отпуск (предназначен для снятия напряжения после закалки, получения требуемой твердости и структуры), обработка холодом. [1]

               Химико-термическая обработка металлов (последняя включает в себя цементацию, нитроцементацию, азотирование, борирование и др. процессы).

                Суть термической обработки металлов – нагрев, выдержка при заданной температуре, охлаждение. Для каждого вида термической обработки металлов в зависимости от марки стали существуют свои температуры и способы охлаждения.

                Отжиг для термической обработки металлов применяют для улучшения обработки металлов резанием, для снижения твердости, для получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений после операции металлургического передела. При проведении операции отжига охлаждение всегда медленное с печью.

               Нормализация при термической обработке металлов необходима для получения оптимальной структуры и твердости среднеуглеродистых конструкционных сталей.

              Закалка - это нагрев до требуемой температуры в процессе термической обработки металлов (в зависимости от критических точек стали), выдержка при этой температуре и резкое охлаждение, в результате чего получается структура мартенсита и максимальная твердость.

              Для проведения правильной термической обработки металлов необходимо четко определить типы сталей. Выбрать температуру нагрева, охлаждающую среду, а также тип оборудования.

              Стали при термической обработке приобретают высокую твердость, износостойкость и прочность. [2]

 

3.Описание  проблемной ситуации

Описание проблемной ситуации заключается в ответе на вопросы:

1. В чём состоит затруднение и какова его предыстория?

              Малоуглеродистая сталь нефте - газопроводных труб, не стойкая к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих сероводород.

2. Что необходимо сделать для устранения проблемы?

              Для устранения данной проблемы необходимо трубы с температуры конца прокатки охладить на воздухе, нагреть до 1080-1120°С, охладить в воде, повторно нагреть до 880-920°С, охладить в воде и окончательно нагреть до 740-760°С, охладить в воде. Провести отпуск при 680-700°С с охлаждением на воздухе.

3. Что мешает устранению проблемной ситуации для достижения поставленной цели?

             Некоторые из ранее разработанных сталей не в полной мере удовлетворяют современным требованиям в отношении величины ударной вязкости при температурах эксплуатации трубопроводов, сопротивления хрупкому разрушению, сегрегационной химической и структурной однородности. В новых требованиях большая роль отводится также улучшению свариваемости металла в заводских и полевых условиях.

4. Что даёт решение задачи для предприятия, народного хозяйства, общества?

             Способ был опробован в промышленных условиях на трубах размером 273х18 мм полученных из литой заготовки ОАО "Северский трубный завод”. Были получены высокие результаты, относящиеся к задаче изобретения. Так по сравнению с прототипом значения ударной вязкости при температуре минус 40°С на продольных образцах возросли в среднем на 33,00% а коррозионная стойкость к питтинговой коррозии на 64,1%.

 

4.Предварительная постановка задачи

              Усовершенствовать способ термической обработки нефте- газопроводных труб из малоуглеродистой стали, обеспечивающий оптимальное сочетание хладностойкости и стойкости к сульфидному растрескиванию.

 

 

5.Выбор аналогов и прототипа и описание их признаков

             Аналог 1. Способ термической обработки труб из малоуглеродистой стали, включающий нагрев изделия до 900°С и охлаждение на воздухе. [3]

(см. технологические  инструкции ТИ 162-ТР. ТБ-04 и ТИ 162-ТР. ТБ-09 АО "Северский трубный завод").

           Аналог  2. Способ термической обработки труб, включающий охлаждение после прокатного нагрева по выходу изделия из последней клети стана с температурой 830-870°С, путём воздействия на их наружную поверхность водой в течение 0,15-0,30 сек. с интенсивностью 6,0-7,0 л/с на каждый миллиметр толщины стенки. [4]

           Перечисленные аналоги относятся к способам, поскольку отвечают следующим признакам: [5]

1. отдельные приёмы и операции;
2. последовательность операций;
3. режимы проведения операций и их конкретные параметры;
4. соотношение материалов, используемых при проведении процесса;
5. использование элементов и материалов при проведении процесса;

 

           Прототип. Способ термической обработки труб, включающий охлаждение на воздухе с температуры конца прокатки, многократный нагрев с охлаждением в воде и отпуск, отличающийся тем, что осуществляют трехкратный нагрев сначала до 1080 - 1120°С, затем до 880-920°С и окончательный до 740-760°С, а отпуск проводят при 680-700°С с охлаждением на воздухе. [6]

           Данный прототип также относится к способу, так как отвечает ранее приведённым признакам.

 

 

6.Уточнённая постановка  задачи

         Задачей изобретения является повышение хладостойкости и коррозионной стойкости толстостенных труб, получаемых из литой заготовки, упрощение и сокращение продолжительности технологии термической обработки, снижение экономических затрат.

7.Описание заявки на  изобретение

7.1 Название

Способ термической  обработки нефте- и газопроводных труб.

 

7.2Область техники, к которой относится изобретение

          Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при изготовлении нефте- и газопроводных труб из малоуглеродистой стали, стойких к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих сероводород и СО₂.

 

7.3Аналоги и  их недостатки

                       Аналог 1. Способ термической обработки труб из малоуглеродистой стали, включающий нагрев изделия до 900°С и охлаждение на воздухе(см. технологические инструкции ТИ 162-ТР. ТБ-04 и ТИ 162-ТР. ТБ-09 АО "Северский трубный завод"). [3]

          Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает требуемого уровня эксплуатационных свойств труб, особенно хладостойкости и стойкости к сульфидному растрескиванию.

      Аналог 2. Способ термической обработки труб, включающий охлаждение после прокатного нагрева по выходу изделия из последней клети стана с температурой 830-870°С, путём воздействия на их наружную поверхность водой в течение 0,15-0,30 сек. с интенсивностью 6,0-7,0 л/с на каждый миллиметр толщины стенки. [4]

Способ используют при  термической обработке труб нефтяного  сортамента для обеспечения требуемого уровня механических свойств. [4]

         Однако в связи с низкой стойкостью к сульфидному растрескиванию трубы нельзя применять при эксплуатации месторождений даже с низким содержанием сероводорода.

7.4 Прототип и его недостатки

           Способ термической обработки труб, включающий охлаждение на воздухе с температуры конца прокатки, многократный нагрев с охлаждением в воде и отпуск, отличающийся тем, что осуществляют трехкратный нагрев сначала до 1080-1120°С, затем до 880-920°С и окончательный до 740-760°С, а отпуск проводят при 680-700°С с охлаждением на воздухе. [6]

Однако, как показала практика, для труб, изготавливаемых  из литой заготовки на установках с пильгерстаном, когда горячая  деформация не устраняет исходную дендритную структуру и ликвационную неоднородность, такой способ термической обработки не позволяет повысить значения ударной вязкости и коррозионную стойкость до требуемых величин.

 

7.5 Задача изобретения

            Целью изобретения является повышение хладостойкости и коррозионной стойкости толстостенных труб, получаемых из литой заготовки.

 

7.6 Сущность  изобретения

            Поставленная цель достигается тем, что после горячей деформации труб осуществляется циклическая обработка, состоящая из первого нагрева до температуры 1080-1120°С с охлаждением в воде, второго нагрева до температуры 880-920°С с охлаждением в воде, третьего нагрева до температуры 740-760° С с охлаждением в воде и дополнительного нагрева до температуры 680-700°С с охлаждением на воздухе.

            При первом нагреве при 1080-1120°С происходит гомогенизация аустенита, снижение степени ликвационной неоднородности, частичное растворение неметаллических включений и изменение их формы на более округлую. После охлаждения в воде структура состоит из небольшого количества доэвтектоидного феррита, мартенсита и бейнита.

            При втором нагреве при 880-920°С зародыши аустенита будут распределяться равномерно, поскольку первые порции аустенита образуются в местах с более высокой концентрацией углерода на границах мартенситных кристаллов и вокруг бейнитных карбидов. В итоге возникает однородное мелкое аустенитное зерно, которое после охлаждения в воде обеспечивает дисперсную феррито-бейнитно-мартенситную структуру. Образование феррита идет на границах мелкозернистого аустенита, из-за быстрого охлаждения и возникновения упругих напряжений при образовании бейнитных и мартенситных кристаллов в этом феррите будет повышенное количество дислокаций. При третьем нагреве в межкритическую область при 740-780°С, феррит приобретает полигонизованную структуру, поскольку не подвергается фазовой перекристаллизации. Этот нагрев дополнительно измельчает аустенитное зерно.