euro-pravda.org.ua

Російські вчені розробили метод покращення конструкційної міцності сталі для бурильних труб.

Сталеві труби використовують для буріння свердловин з метою видобутку нафти, газу та води. Цей важливий елемент обладнання також слугує для захисту стінок свердловини від обрушення. Сталь повинна бути міцною, пластичною, стійкою до корозії та мати високу ударну в’язкість (тобто мати значний запас міцності) — це необхідно для того, щоб вироби залишалися працездатними якомога довше. Існуючі марки сталі або не мають необхідних комбінацій цих показників, або є занадто складними та економічно невигідними у виробництві. Вчені Пермського Політеху запропонували метод термічної обробки низьковуглецевої мартенситної сталі, що забезпечує краще поєднання її механічних властивостей.
Российские ученые разработали метод повышения прочности стали, используемой в бурильных трубах.

Дослідження опубліковане у журналі «Чорні метали». Дослідження виконано в рамках програми стратегічного академічного лідерства «Пріоритет 2030».

Бурильні труби повинні мати високу міцність, ударну в'язкість і стійкість до корозії, оскільки вони піддаються значним механічним навантаженням і агресивним хімічним середовищам. Перспективними для їх виробництва вважаються особливі сталі — низьковуглецеві мартенситні.

Вони, з одного боку, містять невелику кількість вуглецю (до 0,2 відсотка), завдяки чому досягається оптимальне поєднання механічних властивостей: пластичність дозволяє легко формувати та обробляти сталь, щоб отримати труби потрібної форми, а ударна в'язкість відповідає за здатність матеріалу витримувати навантаження. З іншого боку, особлива структура цих сталей забезпечує їх високу міцність, внаслідок чого сталі не руйнуються під великими зовнішніми навантаженнями.

Для покращення характеристик сталі проводять її термічну обробку — загартування з двофазної області, коли метал спочатку нагрівають до високих температур, а потім швидко охолоджують, внаслідок чого він змінює свою кристалічну структуру. В результаті підвищується міцність, твердість і зносостійкість, але знижується ударна в'язкість. Перевага сталей з досліджуваною структурою полягає в тому, що вони спрощують цей процес, оскільки загартовуються при охолодженні на звичайному повітрі і не потребують спеціального прискорення цього процесу, при цьому значного зниження ударної в'язкості не відбувається.

Різні методи загартування можуть по-різному відображатися на характеристиках металу. Існуючі марки або не мають необхідного поєднання міцності, в'язкості та пластичності, або їх отримання вимагає занадто великих технологічних і фінансових витрат.

Вчені Пермського Політеху дослідили зміни структури низьковуглецевої мартенситної сталі при нагріванні та охолодженні і запропонували такий спосіб її загартування, який забезпечує краще поєднання її механічних властивостей.

Для цього політехніки виготовили зразки у вигляді слитків і нагріли їх до високих температур (800 °С і більше), при яких відбувається зміна структури сталі в твердому стані. Цей процес називається загартуванням з міжкритичного температурного інтервалу. Після цього провели випробування для визначення характеристик механічних властивостей зразків, вирізаних з готового виробу.

«Експеримент показав, що зміни атомної структури металу при нагріванні 5-40 °C/хв відбуваються одночасно за двома механізмами – зсувному та дифузійному, які іноді можуть накладатися. При першому механізмі атоми зміщуються «групами», тобто не втрачають зв'язків зі своїми сусідами – це швидкий процес, який дозволяє отримати потрібну структуру, що визначає властивості матеріалу. Причому для цього не потрібні значні енергетичні витрати», – коментує Сергій Гребеньков, провідний інженер кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ, кандидат технічних наук.

«При вищих температурах нагріву атоми переміщуються на відстані більші міжатомних – це дифузійний механізм, він більш тривалий, але з його допомогою також можна досягти бажаних механічних властивостей сталі», – пояснює Сергій Лаптєв, аспірант кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ.

«В результаті ми встановили, що загартування сталі з міжкритичного інтервалу температур забезпечує для вибраної сталі краще поєднання необхідних властивостей у порівнянні з традиційними технологіями. Межа міцності знаходиться на рівні 1300 МПа, відносне звуження – близько 70 відсотків, а ударна в'язкість – 2,5 МДж/м2. Сталь такого складу та характеристик може служити альтернативою сучасним сталям для бурильних труб», – розповідає Олександр Шацов, професор кафедри «Металознавство, термічна та лазерна обробка металів» ПНІПУ, доктор технічних наук.

Запропонований вченими Пермського Політеху склад сталі і метод термообробки помітно покращує властивості матеріалу. Це має велике значення для виробництва сталевих бурильних труб, дозволяє підвищити їх конструкційну міцність. Робота захищена патентом.