MATERIALS SCIENCE RESEARCH OF TOOL JOINTS OF DRILL PIPES WELDED BY DIFFERENT FLUXES
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article contains the results of comparative analysis of chemical composition, microstructure and properties of welded metal and base metal after welding repair using different fluxes. The following process technological parameters were considered: oxidation resistance, lack of cooling down, slag removability. Protective environment composition influence of welding on a properties complex and microstructure was carried out on five samples of tool joint nipples made of 40KhMFA steel. Two experimental welding were carried out at each site. Welding was carried out on a pipe base wire Np-30KhGSA. Fused and ceramic fluxes were used separately and as a mechanical mixture in various ratios. Also surfacing was carried out in the environment of protective gase. It has been established that welding in a gas environment is accompanied by spattering of the metal. The microstructure of such a resurface welding is porous and consists of sorbite, bainite and perlite. Conducting welding under a mixture of fluxes in various ratios made it possible to establish a number of regularities. Increasing the proportion of ceramic flux leads to increased doping and increase in hardness of resurface welding. In this case, the microstructure of the welding consists of lower bainite and sorbite. An increase in the content of the flux fused leads to an increase in the pollution of the welding with inclusions. In this case, the microstructure of the welding is rough and has a dendritic structure. The best quality of welding is provided by using a composition consisting of a fused and ceramic flux in a ratio of 1: 1. At the same time, the resulting microstructure of welding is closest to the initial microstructure of the tool joint in the state of delivery.

Keywords:
tool joint, drill pipe, welded, chemical composition, microstructure, properties, flux
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение. Восстановление изношенной поверхности замковых соединений бурильных труб из стали 40ХМФА производится методом электродуговой наплавки под флюсом с использованием наплавочной проволоки Нп-30ХГСА. В процессе восстановления на поверхности замкового соединения происходит формирование валиков из продольных участков, располагаемых вдоль образующей тела замка. По всей ширине наплавляемого валика формируется общая ванна жидкого металла. Наплавку формируют при перемещении электродов в прямом и обратном направлении вдоль оси вращающейся трубы. Перемещение электродов совмещают с подачей флюса [1].

В соответствии с технологическим процессом [2], для наплавки может быть использован плавленый, либо керамический флюс. Отличительной особенностью и достоинством плавленого флюса является малая окислительная способность по отношению к металлу сварочной ванны и хорошая формирующая способность валика при наплавке шириной до 100 мм. Недостатком же является плохая отделяемость шлаковой корки при повышенной температуре изделия, а также низкое качество наплавленного металла и зоны термического влияния. При непрерывной наплавке удаление шлака до завершения первого оборота имеет важное значение [3]. Несвоевременное удаление шлака сопровождается повышением температуры в наплавленном слое, что ведёт к микроструктурным изменениям. В этой связи перспективным выгладит проведение восстановительного ремонта в среде защитных газов, ранее не нашедшее применения для восстановительного ремонта замковых соединений. Применение газовой атмосферы позволяет в принципе уйти от проблемы удаления грата.

При использовании керамических флюсов проблемы с удалением шлаковой корки отсутствуют. Легирующий порошок интенсивно расплавляется в дуге и растворяется в сварочной ванне, что обуславливает его высокую модифицирующую способность, и, вместе с тем, завышенную твёрдость наплавленного слоя [4]. Как следствие повышенной твердости становится затруднительной дальнейшая механическая обработка. Кроме того, в поверхностных слоях появляются остаточные растягивающие напряжения, нередко вызывающие растрескивание наплавки в процессе остывания.

Ситуацию усугубляет отсутствие разрушающего контроля замковых соединений после восстановительного ремонта. Контроль ограничен замером твёрдости и дефектоскопией. При этом результаты такого контроля не позволяют получить полной информации об уровне механических свойств, которым должен обладать замок, так как твёрдость металла основы будет значительно отличаться от твёрдости металла наплавки. Материаловедческих исследований в данном направлении ранее не производилось, в связи с чем задача подбора защитной среды, в частности флюса, для проведения наплавки является актуальной и требующей решения.

Методология. Для исследований влияния состава защитной среды наплавки на комплекс физико-механических свойств и микроструктурное состояние были отобраны пять ниппельных фрагментов замковых соединений бурильных труб группы прочности “Д”, изготовленных в соответствии с ГОСТ 27834-95 из стали 40ХМФА. На каждом объекте было произведено по две опытных наплавки. Наплавка производилась в условиях центра по ремонту бурильных труб (далее ЦРБТ), наплавочной проволокой Нп-30ХГСА [5] с использованием плавленого флюса 48ОФ-10 [6] и керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) [7] по отдельности и в виде механической смеси в различных соотношениях, а также в газовой среде. Внешний вид объектов исследования представлен на рисунке 1.

 

а)                          б)                           в)                            г)                           д)

Рис. 1. Образцы, восстановленные в различных защитных средах

 

 

В таблице 1 представлены характеристики тестируемых защитных сред и их условная маркировка.

 

Таблица 1

Экспериментальные защитные среды

№ п/п

Рисунок №

Состав защитной среды

Условная маркировка

1

1 (а)

плавленый флюс 48ОФ-10

Б

2

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 4:1

Б4/С1

3

1 (б)

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 3:1

Б3/С1

4

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 2:1

Б2/С1

5

1 (в)

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:1

Б1/С1

6

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:2

Б1/С2

7

1 (г)

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:3

Б1/С3

8

флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:4

Б1/С4

9

1 (д)

керамический флюс ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б)

С

10

углекислый газ

УГ

 

Осмотр внешней и внутренней поверхностей образца на наличие поверхностных дефектов проводили визуально. Определение геометрических параметров проводили с помощью универсальных измерительных приборов, обеспечивающих необходимую точность измерений. Химический состав стали определяли спектральным методом [8] с помощью эмиссионного спектрометра СПАС 02. Испытания на одноосное растяжение [9] проводились на разрывной машине Р10М-авто. Испытания на ударную вязкость [10] проводились на маятниковом копре МК-30. Замер твёрдости [11] проводился на твердомере ТШ-2М. Оценка микроструктурного состояния проводилась на продольных микрошлифах [12] после травления 3% раствором азотной кислоты в спирте на инвертированных микроскопах Leitz Wetzlar MM6 и Carl Zeiss Vert A1, а также с использованием электронного микроскопа Jeol Superprobe 733.

Основная часть. Перед проведением опытных наплавок было проведено исследование химического состава объектов исследования. Было установлено, что металл всех образцов соответствует стали марки 40ХМФА, т.е. исследуемые замки соответствуют требованиям в части ремонтопригодности [13]. Результаты анализа технологичности процесса наплавки приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 видно, что повышение концентрации в смеси керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) сопровождается значительным ростом твёрдости поверхностного слоя металла наплавки. Наилучшие показатели в части обеспечения процесса нанесения наплавки были получены при использовании смеси флюсов 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношениях 1:1 и 1:2. При использовании в качестве защитной среды углекислого газа необходимость в удалении шлаковой корки отпадает, однако процесс наплавки сопровождается интенсивным разбрызгиванием металла, что затрудняет его осуществление. Результаты проведения химического анализа металла наплавки приведены в таблице 3.

Из данных таблицы 3 видно, что наибольшее содержание углерода в наплавке - 0,39 %, дает использование керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б). Этим  и объясняется рост поверхностной твёрдости наплавленного слоя с повышением концентрации данного флюса в смеси. Одновременно с углеродом в наплавке повышается содержание и других элементов марочного состава, что должно отразиться в изменении механических свойств. Результаты определения механических характеристик металла исследуемых образцов представлены в таблице 4.

 

Таблица 2

Оценка технологичности процесса наплавки

п/п

Защитная среда

Твёрдость

наплавки, HB

Выявленные замечания

1

Б

252

Шлаковая корка удаляется не полностью и только после застывания. Твёрдость наплавки ниже регламентируемой

2

Б4/С1

263

3

Б3/С1

270

Шлаковая корка сложно удаляется в процессе наплавки. Твёрдость наплавки значительно ниже регламентируемой

4

Б2/С1

282

5

Б1/С1

298

Шлаковая корка легко удаляется. Твёрдость наплавки на нижнем регламентируемом уровне

6

Б1/С2

300

7

Б1/С3

383

Шлаковая корка не нуждается в принудительном удалении (отваливается сама). Наплавленный слой имеет поверхностную твёрдость выше регламентируемой, обработка затруднительна

8

Б1/С4

395

9

С

405

10

УГ

295

Сильное разбрызгивание металла в процессе наплавки. Твёрдость наплавки ниже регламентируемого уровня

 

Таблица 3

Химический состав металла наплавки исследуемых образцов

п/п

Защитная среда

Содержание элементов, %

C

Mn

Si

Cr

Мо

V

Ni

Сu

S

P

1

Б

0,34

0,67

0,50

0,56

0,02

0,01

0,28

0,18

0,020

0,017

2

Б4/С1

0,34

0,73

0,55

0,67

0,02

0,01

0,65

0,12

0,020

0,010

3

Б3/С1

0,31

0,74

0,54

0,77

0,02

0,01

0,75

0,11

0,010

0,010

4

Б2/С1

0,34

0,77

0,56

0,79

0,03

0,01

0,79

0,13

0,010

0,010

5

Б1/С1

0,32

0,78

0,58

0,80

0,03

0,01

0,80

0,13

0,010

0,010

6

Б1/С2

0,33

0,84

0,56

0,80

0,03

0,01

0,78

0,12

0,020

0,010

7

Б1/С3

0,32

0,86

0,58

0,85

0,06

0,01

0,85

0,12

0,010

0,010

8

Б1/С4

0,32

0,90

0,70

0,89

0,10

0,02

0,91

0,10

0,010

0,020

9

С

0,39

0,99

0,60

0,90

0,13

0,02

1,81

0,13

0,010

0,010

10

УГ

0,29

0,95

1,10

0,79

0,00

0,00

0,21

0,05

0,007

0,005

Сталь 30ХГСА

0,28 – 0,34

0,8 – 1,10

0,90 – 1,20

0,80 – 1,10

-

-

<0,30

<0,025

 

Данные таблицы 4 показывают, что с увеличением доли флюса С временное сопротивление постоянно растет, достигая значения 961 МПа, предел текучести сначала возрастает до 754 МПа (вариант 6), а затем снижается. Аналогично пределу текучести меняется относительное удлинение и ударная вязкость. Наилучшее сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости с требуемой по ГОСТ твердостью (на нижнем уровне) были достигнуто у образца с маркировкой Б1/С1, восстановленного под смесью флюсов ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) и 48 ОФ-10 в соотношении 1:1. Однако ни один из флюсов не обеспечил требуемые для изделия по ГОСТ  27834-95 механические свойства.

Следует отметить, что после проведения ремонта в условиях ЦРБТ регламентируется и контролируется только твёрдость наплавленного слоя. Как показали исследования, контролируемая твёрдость поверхности наплавленного слоя не отражает фактических значений по сечению стенки замкового соединения. Согласно полученным данным, шесть образцов восстановленных замковых соединений могут пройти контроль  в условиях центров по ремонту бурильных труб и быть допущены к эксплуатации. При этом твёрдость основного металла на значительно ниже (на 20-150 HB) контролируемой твердости поверхности. Также более  низким является уровень механических свойств основы замка (см. таблицу 4). Результаты анализа структурных параметров и загрязненности металла объектов исследования неметаллическим включениями представлены в таблице 5

 

 

Таблица 4

Механические характеристики металла образцов, восстановленных наплавкой в различных защитных средах

п/п

Защитная

среда

Испытания на

одноосное растяжение

Испытания на

ударный изгиб,

кДж/м2, KCV

Твердость, НB

sв, МПа

sт, МПа

d, %

Тело

замка

Поверхность наплавки

1

Б

830

671

21

378

256

252

2

Б4/С1

839

682

21

420

245

263

3

Б3/С1

892

718

19

491

246

270

4

Б2/С1

899

642

18

559

246

282

5

Б1/С1

905

734

16

738

271

298

6

Б1/С2

919

754

14

674

260

300

7

Б1/С3

927

688

14

543

262

383

8

Б1/С4

927

667

12

454

265

395

9

С

961

733

11

330

272

405

10

УГ

848

651

20

417

277

295

ГОСТ 27834-95

≥981

≥832

≥13

≥589

300-355

 

.

 

Таблица 5

Металлографический анализ исследуемых образцов

п/п

Защитная среда

Оксиды

Точечные, балл

Оксиды

Строчечные, балл

Сульфиды, балл

Микроструктура

1

Б

4.

3

5

Литая дендритная структура

2

Б4/С1

4.

3

5

Литая дендритная структура

3

Б3/С1

3

3

4

Сорбит, феррит и перлит

4

Б2/С1

3

2

2

Сорбит, феррит и перлит

5

Б1/С1

3

1

2

Сорбит и бейнит

6

Б1/С2

2

1

2

Сорбит и бейнит

7

Б1/С3

2

1

3

Сорбит и бейнит

8

Б1/С4

2

1

2

Бейнит и сорбит

9

С

2

1

2

Бейнит и сорбит

10

УГ

1

2

1

Сорбит, феррит и перлит

 

Из таблицы 5 видно, что металл всех объектов исследования загрязнён неметаллическими включениями, причём степень загрязнённости повышается с увеличением количества плавленого флюса 48-ОФ-10 в смеси. Наилучшие показатели в части чистоты металла наплавки были зафиксированы в образце, восстановленном в газовой защитной среде.

Микроструктура всех объектов исследования состоит преимущественно из сорбита с отдельными участками бейнита, феррита и пластинчатого перлита. Микроструктура наплавки, состоящая из сорбита и нижнего бейнита, наиболее приближенная к исходной микроструктуре металла замка была обнаружена в образце с маркировкой Б1/С1. Образец с маркировкой Б имеет литую микроструктуру наплавки с ярко выраженным дендритным строением, образец с маркировкой С имеет микроструктуру нижнего бейнита и сорбита. Образец с маркировкой УГ имеет микроструктуру сорбита, бейнита и перлита и отличается высокой пористостью. Фотографии описываемых микроструктур представлены на рисунке 2.

Выводы. По совокупности исследованных характеристик с учетом условий и предложенной толщины наплавленного слоя, составляющей 9-10 мм, было установлено, что наилучшие результаты показал образец наплавки с маркировкой Б1/С1, восстановленный под смесью керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) и флюса 48 ОФ-10 в соотношении 1:1. Предложенный состав обеспечивает требуемую технологичность процесса наплавки в отношении обеспечения надёжной защиты от окисления и подстуживания, а также своевременного удаления в процессе восстановления. При этом обеспечивается микроструктурное состояние наплавленного металла, наиболее приближенное к исходной микроструктуре замкового соединения в заводском исполнении.

 

Рис. 2. Микроструктура наплавок образцов с различной маркировкой:

(а) - Б1/С1; (б) - Б; (в) - С; (г) – УГ

References

1. Patent RF № 97119541/02, Sposob remonta poverhnosti // Patent Rossii № 2125508. 1999. Byul.№ 23 Galeev R.G., Tahautdinov sh.f., Zagirov M.M., Kalachev I.F. [i dr.].

2. Tehnologicheskiy process kapital'nogo remonta metodom vosstanovleniya naplavkoy pod flyusom s udlineniem zamkov na komplekse AKN3BT2-1200 UHL 4 truby buril'noy PN-127-9-147.

3. D.A. Miheev Podbor zaschitnoy atmosfery pri vosstanovlenii zamkovyh soedineniy buril'nyh trub // Sbornik nauchnyh statey IV-oy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii 17-18 oktyabrya 2014 goda «Perspektivnoe razvitie nauki, tehniki, tehnologiy», Kursk, 2014. S.226-230.

4. D.A. Miheev, A.P. Amosov Issledovanie avariynyh muft zamkov buril'nyh trub, vosstanovlennyh naplavkoy // Materialy Vserossiyskoy nauchno - tehnicheskoy internet - konferencii 25-28 oktyabrya 2016 g. «Vysokie tehnologii v mashinostroenii». Samara: Samar. gos. tehn. un-t, 2016. 262 s.

5. GOST 10543-82 Provoloka stal'naya naplavochnaya. Tehnicheskie usloviya.

6. OST 5 R. 9206-75. Flyusy plavlenye.

7. TU 1718-051-11142306-2007. Flyusy keramicheskie.

8. GOST 18895-97. Stal'. Metod fotoelektricheskogo spektral'nogo analiza.

9. GOST 1497-84. Metally. Metody ispytaniy na rastyazhenie.

10. GOST 9454-78. Metally. Metod ispytaniya na udarnyy izgib pri ponizhennyh, komnatnoy i povyshennyh temperaturah.

11. GOST 9012-59. Metally. Metod izmereniya tverdosti po Brinellyu.

12. GOST 8233-56. Stal'. Etalony mikrostruktury.


Login or Create
* Forgot password?