Термическая обработка труб нефтяного сортамента из высокохромистой стали Х5М и 20Х13

Б. П. КОЛЕСНИК, Г. П. ТАЛАЛАЙ, И. К. КОЗЛОВ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 8. 1968 г.

Применяемые в настоящее время трубы из углеродистых и низколегированных сталей 40Х, 36Г2С непригодны для эксплуатации в агрессивных средах вследствие их сильной коррозии.

На основании работ, проведенных ЦНИИЧерметом и ВНИИГазом, для таких труб были рекомендованы высокохромистая нержавеющая сталь 20Х13 и жаропрочная хромомолибденовая сталь Х5М. Трубы из этих сталей необходимо подвергать упрочняющей термической обработке для получения требуемых механических свойств по группе прочности «Е», ГОСТ 633-63. В работах [1-5] влияние термической обработки на повышение прочности сталей не рассмотрено.

В настоящей работе было изучено влияние режима закалки и отпуска на свойства сталей Х5М и 20Х13 с целью определения оптимального режима упрочняющей термической обработки для труб нефтяного сортамента.

Исследования проводили в лабораторных условиях, на заготовках размером 14×14×70 мм. Образцы при закалке охлаждали на воздухе, так как исследованные стали относятся к мартенеитному классу [1]. Сталь Х5М закаливали от 900 °C, сталь 20X13 — от 1050 °C [1, 6].

Было изучено влияние отпуска на свойства этих сталей после закалки от указанных температур. Результаты испытаний механических свойств после различных температур отпуска приведены в табл. 1. Данные показывают, что с повышением температуры отпуска с 200 до 450-500 °C механические свойства не изменяются. Отпуск при более высоких температурах приводит к интенсивному разупрочнению стали. При этом наблюдается снижение ударной вязкости, достигающее минимального значения при температуре отпуска 500 °C для стали Х5М и при 550 °C для стали 20X13.

Таблица 1. Механические свойства закалённых образцов сталей Х5М и 20Х13 после отпуска при различных температурах

Температура отпуска в °C	σ_T = σ_в		δ₅	ψ	a_н	HRC
Температура отпуска в °C	в кГ/мм²		в %		в кГ/см²	HRC
Сталь Х5М
200	101	129	16	63	12,8	33
400	103	125	18	64	12,2	34
450	104	126	20	65	12,6	35
500	114	128	16	64	9,4	34
550	78	87	19	73	25,5	18
600	61	73	22	77	28,4	12
Сталь 20Х13
200	133	163	13	50	8,3	44
300	130	149	14	57	10	40
350	130	150	14	58	10,9	38
450	136	154	15	57	7,3	43
500	133	154	19	54	7,7	44
550	110	121	17	62	6,3	39
600	94	104	14	60	7,2	27
650	77	90	19	63	11,1	20
700	66	80	18	64	10,4	17
Примечание: Образцы из стали Х5М закаливали от 900 °C, из стали 20Х13 — от 1050 °C.

Даже при максимальном охрупчивании обе стали обладают достаточным запасом вязкости для нормальной работы труб нефтяного сортамента (4 кГм/см²).

Снижение ударной вязкости наблюдается после отпуска при 450-600 °C у стали 20X13 и при 500 °C у стали Х5М, что вызвано явлением вторичной твердости. В обеих сталях при этих температурах выделяются карбиды преимущественно по границам зерен (рис. 1, а, е). При более высоком отпуске структура стали представляет собой сорбит с равномерно распределенными по всему сечению карбидами (рис. 1, 6, г). Ударная вязкость при этом повышается, особенно, у стали Х5М.

Микроструктура сталей

Рис.1. Микроструктура сталей (×500): а, б — сталь 20Х13 после закалки от 1050 °C; в, г — сталь Х5М после закалки от 900 °C; а — отпуск при 500 °C; б — при 550 °C; в — при 600 °C; г — при 700 °C.

Одновременно определяли ударную вязкость при отрицательных температурах. Испытания показали, что отпуск при 600 и 500 °C соответственно для сталей 20X13 и Х5М нежелателен (рис. 2). Поэтому для обеспечения требуемых свойств стали 20X13 рекомендуется отпуск при 700 °C и стали Х5М при 600 °C.

Зависимость ударной вязкости от температуры испытания

Рис.2. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания: а — сталь 20Х13; б — сталь Х5М; 1, 4 — отпуск при 500 °C; 2, 5 — при 550 °C; 3, 6 — при 600 °C.

На Первоуральском Новотрубном заводе была изготовлена опытно-промышленная партия труб нефтяного сортамента из стали Х5М. Из заготовок диаметром 90 мм были прокатаны насосно-компрессорные трубы размером 88,9×6,5 мм и муфтовые трубы размером 107×13,3 мм. Термическая обработка труб проводилась по следующему режиму: нагрев в камерной печи до 900-920 °C, охлаждение на воздухе, отпуск при 600-620 °C с охлаждением на воздухе. Все испытанные трубы опытной партии удовлетворяли требованиям группы прочности «Е», ГОСТ 633-63 (табл. 2).

Таблица 2. Механические свойства труб опытной партии

Размеры труб в мм	σ_T	σ_в	δ₅
Размеры труб в мм	в кГ/мм²		в %
88,9×6,5	70	90	18
88,9×6,5	70	77	15
88,9×6,5	73	95	18
107×13,3	60	82	29

Список литературы:

1. Химушин Ф. Ф. Нержавеющие стали. М., Металлургиздат, 1963.
2. Справочник по машиностроительным материалам. Т. 1. Под ред. Г. И. Погодина-Алексеева. М., Машгиз, 1959.
3. Коломбье Л., Гохман И. Нержавеющие и жаропрочные стали. М., Металлургиздат, 1958.
4. Кларк К. Жаропрочные сплавы. М., Металлургиздат, 1957.
5. Кудрявцев И. В. «МиТОМ», 1965, №1.
6. Шмыков А. А. Справочник термиста. М., Машгиз, 1956.