Закалка стали в жидких средах под давлением

Кобаско Н.И.

Наукова думка, 1980 г.

4. ЗАКАЛКА БУРИЛЬНЫХ ТРУБ И ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Бурильные трубы и замковые соединения обычно изготавливают из среднеуглеродистых легированных сталей типа 40Х, 40ХН. При закалке этих сталей существует большая вероятность образования закалочных трещин. Поскольку бурильные трубы и замковые соединения работают в тяжелонагруженных условиях, т. е. подвергаются усилиям на изгиб, кручение, сжатие и растягивание, то любой зародыш микротрещины при циклических нагрузках развивается в трещину, в результате чего происходит поломка. В связи с этим представляет практический интерес разработка таких методов закалки, которые предотвращали бы возможность зарождения трещин в процессе охлаждения. Как уже упоминалось выше, таким методом является закалка стали при сверхкритической скорости охлаждения в мартенситном интервале.

Интенсификация процессов теплообмена при закалке бурильных труб и замковых соединений может осуществляться различными путями. Остановимся на наиболее распространенном способе охлаждения душем. Обычно стальные изделия, в том числе и бурильные трубы, которые закаливаются с нагрева ТВЧ, в большинстве случаев охлаждаются душем. При большом расходе воды процесс пленочного кипения практически отсутствует. Основным является процесс пузырькового кипения и однофазный конвективный теплообмен. При пузырьковом кипении превращение аустенита в мартенсит в поверхностных слоях охлаждаемого тела задерживается, так как в процессе пузырькового кипения температура поверхности тела изменяется мало. Чтобы предотвратить такую задержку, необходимо обеспечить скорость струи, которая удовлетворяет условию (11.12). При выполнении этого условия отсутствует не только процесс пленочного кипения, но и резко сокращается или полностью отсутствует процесс пузырькового кипения. В этом случае температура поверхности охлаждаемого тела быстро снижается до температуры охлаждающей среды, благодаря чему достигается высокая скорость охлаждения поверхности труб и замковых соединений в области мартенситных превращений. Для сталей 40Х и 40ХН, из которых изготавливаются трубы и замковые соединения, мартенситные превращения заканчиваются ниже 50° С. Поэтому при отсутствии задержки мартенситных превращений при температуре 100—130° С разупрочнение мартенсита происходит в меньшей мере. Таким образом, благодаря более высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале наблюдается взрывообразный характер превращения аустенита в мартенсит, при котором возрастают механические свойства материала, уменьшается износ и повышается долговечность работы стальных деталей.

Поверхностную закалку бурильных труб и замковых соединений можно осуществлять от различных температур нагрева. Если поверхностный слой нагрет до температуры, превышающей значение А_Сз, то закалка на мартенсит происходит равномерно по всей поверхности. Если же поверхностный слой трубы нагрет до температуры, лежащей между А_Сз и A_C1, то закаливаются па мартенсит только перлитные зерна. Среднеуглеродистые стали 40Х и 40ХН по своей структуре состоят из смеси зерен перлита и феррита, которые в указанных марках стали содержатся примерно в одинаковом количестве. При охлаждении от температуры Ао, удовлетворяющей условию A_Cl< Т₀ < А_Са, наблюдается пятнистая закалка поверхности труб, так как зерна перлита, охлажденные в условиях приобретают высокую твердость, а зерна феррита остаются неизменными. По сравнению с незакаленными такие штанги изнашиваются меньше, в результате чего долговечность работы штанги увеличивается.

Поскольку в аустените, образовавшемся при нагреве из перлита, более высокая концентрация углерода, то начало мартенситного превращения находится в области более низких температур. При охлаждении со скоростью, превышающей критическое значение, более эффективно проявляется взрывной характер превращения аустенита в мартенсит и менее интенсивно, благодаря низкой температуре, происходит аннигиляция дислокаций. Поэтому при охлаждении от температуры, лежащей между точками А_С1иА_Сз, происходит заметное упрочнение материала при сохранении его высоких пластических свойств.

Возможен также третий вариант охлаждения, заключающийся в том, что вначале деталь нагревают до температуры выше точки А_Сз, а затем подстуживают ее до температуры, лежащей между точками A_C1и А_Сз. При прохождении через точку А_тферритные зерна измельчаются, что является дополнительным резервом упрочнения материала.

Закалка деталей от температуры, лежащей между точками A_С1и А_Сз, приемлема только в том случае, если при закалке от температуры аустенизации могут образовываться микротрещины или не может быть достигнута сверхкритическая скорость охлаждения в мартенситном интервале, в то время как при охлаждении от температуры Т₀ < А_Сз и Т₀ > A_C1критическая скорость охлаждения в мартенситом интервале достигается.

Для осуществления предложенного способа закалки бурильных труб и замковых соединений в тресте «Киевгеология» спроектирована и изготовлена механизированная установка, позволяющая осуществлять закалку бурильных труб и замковых соединений на установке ТВЧ. Принципиальная схема установки представлена на рис. 72. Последовательность работы на ней следующая.

Бурильная труба помещается на рольганг 1 и через направляющую втулку 2 подается в индуктор 3. В это время вращающийся зажимной патрон 7 захватывает трубу и с помощью передвижной каретки 14 осуществляется враща-тельно-поступательное движение бурильной трубы. В начале постуиально-вращателыюго движения включается установка ТВЧ и происходит разогрев поверхностных слоев трубы до заданной температуры аустенизации. Температура нагрева регулируется задаваемой мощностью в индукторе и скоростью поступательного движения бурильной трубы.

Охлаждение штанги осуществляется интенсивным душем, который создается с помощью спрейера.

При перемещении каретки в правое крайнее положение срабатывают переключатели, специальное приспособление выталкивает штангу из зажимного патрона и труба с помощью выдвижных вилок 5 сбрасывается из рольганга. Каретка возвращается в исходное положение и цикл начинается сначала.

В приведенном примере сверхкритическая скорость охлаждения поверхности бурильных труб достигается подачей воды в спрейер под избыточным давлением, в результате чего значительно увеличивается расход воды и коэффициент теплоотдачи.

Выше было показано практическое использование новых методов закалки применительно к различным деталям, изготовленным из среднеуглеродистых и высокоуглеродных сталей.

Возможен также комбинированный вариант закалки стали, который заключается в следующем. Первоначально закаливаемое изделие, нагретое до температуры аустенизации, охлаждается в холодной воде или водных растворах при Т_с= 20° С под избыточным давлением. Давление над зеркалом ванны поддерживается таким, чтобы температура кипения пристенных слоев была равна температуре М_н или мало отличалась от нее. Последняя должна иметь такое значение, чтобы в переохлажденном аустените не образовывалось более чем 30% мартенсита. Охлаждение под давлением позволяет благодаря повышенной температуре кипения закалочной среды задержать процесс превращения основной массы аустенита в мартенсит.

Продолжительность задержки при пузырьковом кипении, как и в предыдущих примерах, определяется по формуле (V.28).

В момент окончания пузырькового кипения происходит выравнивание градиента температур по сечению тела.