В Пермском Политехе предложили метод термообработки, улучшающий свойства стали для бурильных труб

Москва, 5 дек - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Пермского Политеха (ПНИПУ) изучили изменения структуры низкоуглеродистой мартенситной стали при нагреве и охлаждении и предложили способ термической обработки, который обеспечивает лучшее сочетание механических свойств металла.
Об этом сообщила пресс-служба вуза.

Для наблюдения за изменением структуры стали в твердом состоянии сотрудники Пермского Политеха изготовили образцы в виде слитков и нагрели их до 800 °С и более, т. е. провели закалку из межкритического температурного интервала.

Затем исследователи провели испытания фрагментов, вырезанных из изделия, чтобы изучить их механические свойства.
Отмечается, что работа политехников запантентована.



Тезисы профессора кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, д.т.н. А. Шацова:

• в результате работы было установлено, что закалка стали из межкритического интервала температур обеспечивает для выбранной стали лучшее сочетание необходимых свойств в отличие от традиционных технологий;
• предел прочности находится на уровне 1300 МПа, относительное сужение - около 70%, ударная вязкость - 2,5 МДж/м²;
• сталь с таким составом и характеристиками может стать альтернативой современным сталям для бурильных труб.

Эксперимент, проведенный исследователями, показал, что изменения атомной структуры металла при нагреве 5-40 °C/мин протекают одновременно по 2^м фазам - сдвиговому и диффузионному, которые иногда накладываются, рассказал ведущий инженер той же кафедры, к.т.н. С. Гребеньков.

Тезисы ученых:

• при сдвиговом механизме атомы смещаются «группами» и не теряют связей с соседями. Это быстрый процесс, позволяющий получить нужную структуру, которая определяет свойства материала;
• диффузионный механизм происходит при более высоких температурах нагрева, когда атомы перемещаются на расстояния больше межатомных. Этот процесс занимает больше времени, но также помогает достичь желаемых механических свойств стали.

Бурильные трубы из стали

• трубы из стали используют в бурении скважин для добычи нефти, газа и воды;
• также они защищают стенки скважины от обрушения;
• бурильные трубы должны обладать высокой прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к коррозии, чтобы выдерживать механические нагрузки и сохранять работоспособность в агрессивных химических средах.

Для соответствия подобным характеристикам при производстве используются низкоуглеродистые мартенситные стали.

Как улучшить характеристики металла?

Для повышения эффективности стали ее подвергают термообработке, при которой сначала происходит нагрев, а затем необходимо быстрое охлаждение. В результате подобной закалки металл меняет свою кристаллическую структуру. Повышается прочность, твердость и износостойкость стали, однако уменьшается ее ударная вязкость.

В чем же преимущество низкоуглеродистой мартенситной стали?

• Низкоуглеродистая мартенситная сталь содержит до 0,2% углерода, благодаря чему достигается приемлемое сочетание механических свойств. Пластичность позволяет обрабатывать сталь для получения требуемой формы труб. Ударная вязкость помогает материалу справляться с нагрузками.
• Особая структура стали обеспечивает высокую прочность изделия, при которой внешнее воздействие не приводит к разрушениям.

Низкоуглеродистые мартенситные стали закаливаются при охлаждении на обычном воздухе и не требуют ускорения этого процесса. В то же время при термообработке не происходит падения ударной вязкости, как в случае с другими видами этого металла.

Уникальность низкоулеродистой мартенситной стали также обусловлена тем, что другие существующие марки или не обладают необходимым сочетанием прочности, вязкости и пластичности, или их получение требует значительных технологических и финансовых затрат.

Напомним, что в ноябре 2024 г. ученые ПНИПУ представили сервис Data Stream Analytics (DSA) для виртуального исследования скважин. В настоящее время программа используется специалистами предприятий-недропользователей в практических целях.

Эта разработка и новое исследование по улучшению механических свойств стали выполнены в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Автор: К. Кожемяченко