Стальные трубы используют в бурении скважин для добычи нефти, газа и воды. Этот важный элемент оборудования также служит для защиты стенок скважины от обрушения. При этом сталь должна быть прочной, пластичной, устойчивой к коррозии, иметь высокую ударную вязкость (т. е. обладать высокой конструкционной прочностью) – это нужно, чтобы изделия оставались работоспособными как можно дольше. Существующие марки стали либо не обладают необходимыми сочетаниями этих показателей, либо слишком сложны и экономически не выгодны в производстве. Ученые Пермского Политеха предложили способ термической обработки низкоуглеродистой мартенситной стали, который обеспечивает лучшее сочетание ее механических свойств.
Фото: evening_tao, freepik
Исследование опубликовано в журнале «Черные металлы», № 10 (1114), 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Бурильные трубы должны обладать высокой прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к коррозии, так как они подвергаются значительным механическим нагрузкам и агрессивным химическим средам. Перспективными для их производства считаются особые стали – низкоуглеродистые мартенситные. Они, с одной стороны, содержат малое количество углерода (до 0,2%), за счет чего достигается оптимальное сочетание механических свойств: пластичность позволяет легко формировать и обрабатывать сталь, чтобы получать трубы нужной формы, а ударная вязкость отвечает за способность материала справляться с нагрузками. С другой стороны, особая структура этих сталей обеспечивает их высокую прочность, из-за чего стали не разрушаются под большими внешними нагрузками.
Электронная микроскопия низкоуглеродистой мартенситной стали с увеличением 13000
Для улучшения характеристик стали проводят ее термическую обработку – закалку из двухфазной области, когда металл сначала нагревают до высоких температур, а затем быстро охлаждают, благодаря чему он меняет свою кристаллическую структуру. В результате повышается прочность, твердость и износостойкость, но падает ударная вязкость. Преимущество сталей с изучаемой структурой состоит в том, что они упрощают этот процесс, потому что закаливаются при охлаждении на обычном воздухе и не требуют специального ускорения этого процесса, при этом значительного падения ударной вязкости не происходит.
Разные методы закалки могут неодинаково отражаться на характеристиках металла. Существующие марки либо не обладают необходимым сочетанием прочности, вязкости и пластичности, либо их получение требует слишком больших технологических и финансовых затрат.
Ученые Пермского Политеха исследовали изменения структуры низкоуглеродистой мартенситной стали при нагреве и охлаждении и предложили такой способ ее закалки, который обеспечивает лучшее сочетание ее механических свойств.
Для этого политехники изготовили образцы в виде слитков и нагрели их до высоких температур (800 °С и более), при которых происходит изменение структуры стали в твердом состоянии. Этот процесс называется закалкой из межкритического температурного интервала. После этого провели испытания для определения характеристик механических свойств образцов, вырезанных из готового изделия.
– Эксперимент показал, что изменения атомной структуры металла при нагреве 5-40 °C/мин протекают одновременно по двум механизмам – сдвиговому и диффузионному, которые иногда могут накладываться. При первом механизме атомы смещаются «группами», т. е. не теряют связей со своими соседями – это быстрый процесс, который позволяет получить требуемую структуру, определяющую свойства материала. Причем для этого не нужны значительные энергетические затраты, – комментирует Сергей Гребеньков, ведущий инженер кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
– При более высоких температурах нагрева атомы перемещаются на расстояния больше межатомных – это диффузионный механизм, он более длителен, но с его помощью также можно достичь желаемых механических свойств стали, – поясняет Сергей Лаптев, аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ.
– В результате мы установили, что закалка стали из межкритического интервала температур обеспечивает для выбранной стали лучшее сочетание необходимых свойств по сравнению с традиционными технологиями. Предел прочности находится на уровне 1300 МПа, относительное сужение – порядка 70%, а ударная вязкость – 2.5 МДж/м2. Сталь такого состава и характеристик может служить альтернативой современным сталям для бурильных труб, – рассказывает Александр Шацов, профессор кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, доктор технических наук.
Предложенный учеными Пермского Политеха состав стали и метод термообработки заметно улучшает свойства материала. Это имеет важное значение для производства стальных бурильных труб, позволяет повысить их конструкционную прочность. Работа защищена патентом РФ №2760140.
