БУРИЛЬНАЯ ТРУБА ВЫСОКОПРОЧНАЯ
HIGH-STRENGTH DRILLING PIPE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкционным сталям, используемым при изготовлении труб, в частности бурильных.
Известна сталь марки 32ХМА-3, применяемая для производства бурильных труб со следующим содержанием (масс. %): углерод 0,34; марганец 0,95; кремний 0,45; хром 1,00; молибден 0,60; никель 0,50; медь 0,20; сера 0,007; фосфор 0,015; алюминий 0,040 [Труды XIII международной научно-практической конференции «Трубы-2005», 1 часть. ОАО «РосНИТИ». 2005. с. 230-234].
Недостатком применения данного состава стали является то, что прокаливаемость с содержанием в микроструктуре не менее 90% мартенсита достигается только до толщины стенки 24 мм, а также повышение себестоимости бурильной трубы, изготовленной из этого состава, из-за дополнительного дорогостоящего легирования стали молибденом.
Для производства бурильных труб в ОАО «Синарский трубный завод» применяется сталь марки 32ХГМА со следующим содержанием (масс. %): углерод 0,31-0,34; кремний 0,30-0,45; хром 0,95-1,10; молибден 0,30-0,40; никель не более 0,25; медь не более 0,20; сера не более 0,010; фосфор не более 0,015; алюминий 0,015-0,045 [Технические условия №0913-180-00186269-2012 «Заготовка трубная из углеродистой, низколегированной и легированной стали»].
Основной недостаток данного состава - повышение себестоимости бурильной трубы из-за необоснованного легирования молибденом, введение которого в данном количестве не обеспечивает прокаливаемость на толстостенных трубах.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является сталь, имеющая следующее соотношение компонентов (масс. %):
углерод 0,31-0,34,
кремний 0,30-0,45,
марганец 0,75-0,95,
ниобий 0,045-0,100,
ванадий 0,001-0,080,
бор 0,002-0,004,
алюминий 0,005-0,006,
титан 0,010-0,045,
хром 1,10-1,50,
сера 0,001-0,045,
фосфор 0,001-0,045,
азот не более 0,012,
никель не более 0,50,
медь не более 0,20;
остальное железо;
при содержании суммы [хром] + [ванадий] + [ниобий], равной 1,15-1,70%, (пат. РФ №2352647, опубл. 20.04.2009).
Недостатком данного состава является возможность применения состава только для труб с толщиной стенки не более 27 мм. Кроме того, бор в количестве 0,002-0,004%, оказывает отрицательное влияние на прокаливаемость с повышением температуры аустенитизации за счет увеличения его растворимости и выделению избыточной борсодержащей фазы по границам зерен аустенита, что приводит к снижению вязко-пластических свойств в высокопрочном состоянии из-за охрупчивающего влияния борсодержащей фазы на границах зерен. А введение сильных карбидообразующих элементов, таких как ванадий 0,001-0,080%, ниобий 0,045-0,100%, требует повышенных температур нагрева при аустенитизации.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение прокаливаемости, равнопрочности металла по сечению и всей длине готового изделия, повышение вязко-пластических свойств металла, производство бурильных труб с толщиной стенки более 27 мм (например, 35 мм) с достижением уровня прочностных свойств (предел прочности не менее 724 МПа и предел текучести от 655 до 1138 МПа) и работы удара (при температуре 21°C не менее 54 Дж, при температуре минус 20°C не менее 100 Дж), соответствующих группам прочности Е, Л, М, Р (E, X, G, S по API Spec 5DP/ISO 11961).
Указанный результат достигается тем, что бурильная труба, выполненная из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, медь, титан, бор, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, отличается тем, что она выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод
0,28-0,34
кремний
0,15-0,45
марганец
0,65-0,95
хром
0,80-1,30
молибден
0,10-0,20
никель
не более 0,50
медь
не более 0,30
титан
0,015-0,045
бор
0,001-0,004
алюминий
0,015-0,050
сера
не более 0,010
фосфор
не более 0,015
азот
не более 0,012
железо и неизбежные примеси остальное, при этом она имеет предел прочности не менее 724 МПа, предел текучести 655-1138 МПа, работу удара при 21°C не менее 54 Дж и работу удара при -20°C не менее 100 Дж.
Технический результат, обеспечиваемый за счет выбранного соотношения отдельных химических элементов в стали, определяется следующими факторами.
Углерод (0,28-0,34) вводится для достижения высокой прокаливаемости и, соответственно, равнопрочности по сечению изделия, так как при дополнительном легировании марганцем, хромом, молибденом, бором и при условиях ведения закалки в воде содержание углерода должно регламентироваться во избежание появления закалочных трещин.
Марганец (0,65-0,95) обеспечивает высокую прочность в дополнении к эффекту раскисления стали. При введении марганца более 1,0% вязко-пластические свойства стали ухудшаются.
Хром (0,80-1,30) оказывает положительный эффект на повышение прокаливаемости, который проявляется с некоторого его минимального содержания в стали, как правило, в пределах от 1,10% до 1,50%. Еще большее влияние хром оказывает в присутствие сильных карбидообразующих элементов, таких как молибден, титан, за счет повышения его содержания в твердом растворе при аустенитизации.
Бор (0,001-0,004) оказывает положительный эффект на прокаливаемость стали. При содержании бора свыше 0,005% ухудшаются вязко-пластические свойства стали вследствие выделения избыточной борсодержащей фазы по границам зерен аустенита. Таким образом, оптимальный диапазон легирования бором 0,001-0,004%.
Молибден (0,10-0,20) вводится в указанном количестве, исходя из того, что при комплексном введении с добавками бора количество молибдена требуется существенно меньше, чем обычно требуется для обеспечения прочности и вязко-пластических свойств изделий при проведении закалки и низкотемпературного отпуска (в случае среднеуглеродистой хромомарганцевой стали содержание молибдена должно составлять не менее 0,30%, а верхнее содержание ограничивается 0,80%, чтобы исключить образование грубых карбидов по границам зерен аустенита, приводящих к обратному эффекту - снижению вязко-пластических свойств).
Температура перехода молибдена в твердый раствор при аустенитизации существенно ниже, чем для ниобия и ванадия, что исключает необходимость нагрева изделия до высоких температур при закалке для достижения положительного влияния на прокаливаемость стали.
Титан (0,015-0,045) фиксирует азот в стали в виде нитридов и обеспечивает присутствие бора в активной форме, то есть в твердом растворе при закалке, что требуется для достижения высокой прокаливаемости. Чтобы получить эти эффекты необходимо введение титана, как минимум, на уровне 0,005%. Верхнее ограничение содержания титана необходимо для предотвращения образования крупных нитридов в структуре.
В условиях Синарского трубного завода были изготовлены трубы из известной и предлагаемой в изобретении стали. На заводе были изготовлены трубы с толщиной стенки более 27 мм - в частности - со стенкой 35 мм.
Результаты промышленного изготовления предлагаемой трубы в сравнение с известными трубами (в том числе, прототипом) приведены в таблице 1 - варианты химического состава, таблица 2 - изучение устойчивости переохлажденного аустенита и прокаливаемости, таблице 3 -механические свойства.
Как видно из приведенных результатов исследования, достигаемые уровень прокаливаемости и механические свойства бурильной трубы из предлагаемой стали делают эффективным их использование в высокопрочном состоянии после термоупрочнения по средствам закалки и отпуска в соответствии с отечественными нормативными документами и международным стандартом API Spec 5DP/ISO 11961.
Предлагаемое решение комплексного легирования бором и молибденом в небольших количествах 0,10-0,20% стали позволяет снизить себестоимость труб до 20% в сравнении с известным решением применения для труб стали с молибденом до 0,65%.