Высокопрочная коррозионно-стойкая бесшовная труба из нефтепромыслового сортамента и способ ее получения
HIGH-STRENGTH CORROSION-RESISTANT SEAMLESS PIPE FROM OIL-FIELD RANGE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочных легированных коррозионностойких сталей, используемых для изготовления насосно-компрессорных труб и обсадных труб, применяемых для нефте- и газодобычи, эксплуатирующихся в агрессивных средах, которые одновременно содержат углекислый газ и сероводород, и работающих в холодных макроклиматических районах по ГОСТ 16350 с температурой окружающего воздуха до минус 60°С.
Как известно, высокопрочные обсадные и насосно-компрессорные трубы обычно изготавливают из легированной хромомолибденовой или хромоникельмолибденовой стали с применением закалки и отпуска (Трубы нефтяного сортамента. Справочник. / Под ред. А.Е. Сарояна. М: Недра, 1987, с. 304-305, 402).
Известен способ изготовления высокопрочных насосно-компрессорных и обсадных труб из низкоуглеродистой малолегированной стали мартенситного класса, включающий высокотемпературный нагрев, прошивку, раскатку стенки, подогрев, редуцирование или калибрование диаметра, охлаждение и отпуск, и отличающийся тем, что трубу изготавливают из стали, содержащей углерод в пределах 0,06-0,18% и легированной хромом, марганцем, никелем, молибденом, ванадием, ниобием, алюминием, бором, азотом и РЗМ в количествах и соотношении элементов, обеспечивающих закалку охлаждением на воздухе; однократный нагрев под прошивку осуществляют до температур 1150-1250°С, подогрев под редуцирование или калибровку диаметра осуществляют до температур 1000-1050°С, охлаждение прокатанной трубы до температуры конца мартенситного превращения ведут на воздухе со скоростью выше критической, на холодильнике стана при укладке труб, исключающей их соприкосновение, отпускают при температуре t 300-670°С или без отпуска с выдержкой при температуре t 15-30°С в течение не менее 8 часов (RU2070585, 1996).
Также известны трубы, в том числе нефтяного сортамента, изготавливаемые из стали низкоуглеродистой малолегированной стали 15Х5М (Марочник сталей и сплавов. / Под ред. А.С. Зубченко. М.: «Машиностроение», 2003), имеющей следующий химический состав, мас. %: углерод не более 0,15; кремний не более 0,50; марганец не более 0,50; хром 4,50-6,00; молибден 0,45-0,60; никель не более 0,60; медь не более 0,20; фосфор не более 0,03; сера не более 0,025, железо и примеси - остальное.
Известные трубы имеют достаточную стойкость к сульфидному растрескиванию в сероводородсодержащей среде, но не обладают стойкостью к углекислотной коррозии.
2
Известна бесшовная стальная труба для нефтяных скважин, содержащая, мас. %: от 0,15 до 0,50% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,3 до 1,0% Mn, 0,015% или менее Р, 0,005% или менее S, от 0,01 до 0,1% Al, 0,01% или менее N, от 0,1 до 1,7% Cr, от 0,4 до 1,1% Мо, от 0,01 до 0,12% V, от 0,01 до 0,08% Nb, от 0,0005 до 0,003% В и остальное Fe и неизбежные примеси, которая обладает микроструктурой, содержащей отпущенную мартенситную фазу, представляющую собой главную фазу, и которая содержит зерна первичного аустенита с размером зерна равным 8,5 или более, и 0,06 мас. % или более диспергированного выделения МС-типа, по существу, в зернистой форме, причем содержание растворенного Мо равно 0,40 мас. % или более (RU 2493268, 2013).
Также известен способ изготовления вышеописанной бесшовной стальной трубы для нефтяных скважин, включающий в себя повторный нагрев материала стальной трубы содержащей, в мас. %: от 0,15 до 0,50% С, от 0,1 до 1,0% Si, от 0,3 до 1,0% Mn, 0,015% или менее Р, 0,005% или менее S, от 0,01 до 0,1% Al, 0,01% или менее N, от 0,1 до 1,7% Cr, от 0,4 до 1,1% Мо, от 0,01 до 0,12% V, от 0,01 до 0,08% Nb, от 0,0005 до 0,003% В и остальное Fe и неизбежные примеси, до температуры от 1000 до 1350°С; горячую прокатку материала стальной трубы в бесшовную стальную трубу заданной формы; охлаждение бесшовной стальной трубы до комнатной температуры со скоростью не более низкой, чем при охлаждении воздухом; и отпуск бесшовной стальной трубы при температуре от 665 до 740°С (там же).
Известная бесшовная стальная труба для нефтяных скважин и способ ее получения обеспечивают высокую прочность (предел текучести 758 МПа или выше, т.е. 110 ksi или более) и заданную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. Вместе с тем, сведений о коррозионной стойкости в среде, одновременно содержащей диоксид углерода, отсутствуют.
2
2
2
Известна высокопрочная бесшовная стальная труба для трубных изделий нефтепромыслового сортамента, содержащая, мас. %: С от 0,20 до 0,50, Si от 0,05 до 0,40, Mn от 0,3 до 0,9, Al от 0,005 до 0,1, N 0,006 или менее, Cr от более 0,6 до 1,7 или менее, Мо от более 1,0 до 3,0 или менее, V от 0,02 до 0,3, Nb от 0,001 до 0,02, В от 0,0003 до 0,0030, О (кислород): 0,0030 или менее и Ti от 0,003 до 0,025, при выполнении соотношения Ti/N: от 2,0 до 5,0, при этом бесшовная стальная труба имеет микроструктуру, включающую фазу отпущенного мартенсита с объемной долей 95% или более, фазу первичного аустенита с размером зерен 8,5 или более, а в поперечном сечении, перпендикулярном направлению прокатки, число включения на нитридной основе с размером частиц 4 мкм или более и числом составляющим 100 или менее при расчете на 100 мм, включения на нитридной основе с размером частиц меньшим 4 мкм и числом составляющим 1000 или менее при расчете на 100 мм, включения на оксидной основе с размером частиц 4 мкм или более и числом, составляющим 40 или менее при расчете на 100 мм и включения на оксидной основе с размером частиц меньшим 4 мкм числом составляющим 400 или менее при расчете на 100 мм (RU 2661972, 2018).
3
Способ получения вышеописанной бесшовной трубы включает задание температуры нагревания при нагревании материала исходного сырья для стальной трубы в диапазоне от 1050°С до 1350°С; проведение охлаждения в отношении бесшовной стальной трубы при скорости охлаждения, равной или большей в сопоставлении со скоростью охлаждения при воздушном охлаждении, после деформации в горячем состоянии вплоть до достижения температурой поверхности бесшовной стальной трубы температуры, составляющей 200°С или менее; проведение обработки для закалки в отношении бесшовной стальной трубы, по меньшей мере один раз, после охлаждения, при которой бесшовную стальную трубу повторно нагревают до температуры в диапазоне от температуры превращения Ас до 1000°С или менее и быстро охлаждают вплоть до достижения температурой поверхности бесшовной стальной трубы температуры, составляющей 200°С или менее; и проведение обработки для отпуска после обработки для закалки, при которой бесшовную стальную трубу нагревают до температуры в диапазоне от 600°С до 740°С.(там же).
Известная бесшовная труба и способ ее получения обеспечивают высокий предел текучести YS, составляющий 862 МПа или более, и превосходную стойкость к растрескиванию СКН. Вместе с тем, сведения о коррозионной стойкости в среде, одновременно содержащей диоксид углерода, отсутствуют.
Наиболее близкой к предлагаемой являются насосно-компрессорные и обсадные трубы, изготовленные из коррозионно-стойкой стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, РЗМ, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод не более 0,16, кремний 0,30-0,50, марганец 0,50-0,70, хром 3,0-6,0, молибден 0,40-1,00, ванадий 0,04-0,10, ниобий 0,04-0,10, алюминий 0,02-0,05, РЗМ 0,005-0,015, железо и неизбежные примеси - остальное. В качестве неизбежных примесей сталь содержит не более 0,01 мас. % серы и не более 0,01 мас. % фосфора. Известные трубы получают известным способом путем их нормализации и последующего отпуска. (RU 2371508, 2009).
1/2
Известные трубы характеризуются высокими механическими свойствами и стойкостью одновременно как к углекислотной коррозии, так и сульфидному коррозионному воздействию под напряжением и биокоррозии. Недостатком известных труб является недостаточная стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод Д, (Kissc составляет 25-35 МПа*м), что не позволяет использовать в средах с большим содержанием сероводорода (более агрессивных средах).
Техническая задача - получение высокопрочных бесшовных труб НКТ и обсадных труб, пригодных для использования при промысловых работах в нефтяных скважинах и скважинах природного газа, работающих на большой глубине в условиях низких температур в жесткой коррозионно-активной среде, одновременно содержащих диоксид углерода и сероводород.
1/2
Технический результат - получение высокопрочных коррозионно-стойких бесшовных насосно-компрессорных труб (НКТ) и обсадных труб, характеризующихся пределом текучести от 552 до 862 МПа, эксплуатирующихся на большой глубине в условиях пониженных температур в средах (нужно дать нижнюю границу концентрация по диоксиду углерода и сероводорода) с совместным содержанием углекислого газа и сероводорода (СКРН по NACE ТМ0177 по методу Д Kissc составляет не менее 37 МПа*м).
Для решения поставленной задачи заявляются высокопрочная коррозионно-стойкая бесшовная труба нефтепромыслового сортамента с пределом текучести от 552 до 862 МПа, полученная закалкой из аустенитной области с последующим высоким отпуском из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод не более 0,17; кремний 0,30-0,50; марганец не более 0,40; хром 4,5-5,5; молибден 0,30-0,90; ванадий 0,02-0,08; ниобий 0,02-0,08; алюминий 0,02-0,05; никель от 0,01 до 0,25; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом в качестве неизбежных примесей содержит не более 0,01 мас. % серы и не более 0,01 мас. % фосфора, при выполнении следующего условия:
25×Mn×SxCr≤0,5 где:
S - абсолютная величина содержания серы, мас. %;
Cr - абсолютная величина содержания хрома, мас. %;
Mn - абсолютная величина содержания марганца, мас. %.
Дополнительно сталь может содержать медь в количестве не более 0,25 мас %.
2
Широко известно, что соединение MnS отрицательно влияет на стойкость к сероводородному растрескиванию. При содержании хрома более 4,5 мас. % образуется оксидная пленка на поверхности стали (защищает от СО-коррозии), препятствует выходу ионов водорода, чем способствует снижению коррозионной стойкости к сероводороду.
Нами было установлено, что для достижения высокой коррозионной стойкости к сероводородосодержащим средам, в заявляемых бесшовных трубах необходимо выполнения дополнительного условия: 25×Mn×S×Cr≤0,5, которое определяет соотношение марганца, хрома и серы друг по отношению к другу, обеспечивая достижение заявленного технического результата - заявляемая высокопрочная коррозионно-стойкая бесшовная труба нефтепромыслового сортамента, применяемая для изготовления насосно-компрессорных труб и обсадных труб, имеет высокие прочностные свойства и стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением.
Заявляемую высокопрочную коррозионно-стойкую бесшовную трубу нефтепромыслового сортамента из стали, характеризующейся составом, описанным выше, получают термической обработкой предварительно изготовленных бесшовных труб заданного размера путем их закалки из аустенитной области и последующего высокого отпуска, а именно бесшовные трубы подвергают нагреву в область аустенитизации от 860 до 950°С, с последующим закалочным охлаждением водой, а затем осуществляют отпуск в интервале температур от 560 до 760°С.
Закалочное охлаждение водой ведут путем подачи воды на поверхность бесшовной трубы путем ее распыления (спрейер) или путем погружения бесшовной трубы в ванну с водой.
Заявляемое изделие и способ его получения связаны между собой единым изобретательским замыслом и приводят к получению одного технического результата.
Осуществление изобретения.
В настоящем изобретении в качестве материала для изготовления высокопрочной коррозионно-стойкой бесшовной трубы нефтепромыслового сортамента используют сталь, которая включает в себя не более 0,17 мас. % С, от 0,30 мас % до 0,50 мас. % Si, не более 0,40 мас % Mn, от 4,5 мас. % до 5,5 мас. % Сг, от 0,40 мас. % до 0,80 мас. % Мо, от 0,03 мас. % до 0,09 мас. % V, от 0,03 мас. % до 0,09 мас. % Nb, от 0,02 мас. % до 0,05 мас. % Al, от 0,01 мас. % до 0,25 мас. % Ni, 0,15 мас% или менее N, остальное Fe и неизбежные примеси, причем в качестве неизбежных примесей содержит 0,01 мас. % или менее Р, 0,010% или менее S при условии, что содержание марганца, серы и хрома удовлетворяет следующему соотношению: 25×Mn*S×Cr≤0,5.
Сталь заявляемой бесшовной трубы дополнительно может содержать до 0,25 мас. % меди.
Заявляемые бесшовные трубы характеризуются содержанием в стали следующих компонентов.
Углерод (С) не более 0,17 мас. %.
С целью ограничения охрупчивания материала по границам зерен, снижения вязкости и стойкости к СКРН углерод ограничен 0,017 мас. %.
Марганец (Mn) не более 0,40 мас. %.
2
Ограничение содержания марганца не более 0,4 мас. % благотворно сказывается как на общей HS коррозии так и на СКРН, вследствие снижения скорости образования и количества сульфида MnS, который формируется при эксплуатации.
Хром (Cr) от 4,5 мас. % до 5,5 мас. %.
При содержании хрома свыше 5,5 мас. % приводит к ухудшению стойкости к СКРН, содержание менее 4,5 мас. % не обеспечивает требуемой стойкости к углекислой коррозии.
Молибден (Мо) от 0,30 мас. % до 0,90 мас. %.
При содержании молибдена не менее 0,30 мас. % повышает стойкость к питтинговой коррозии и СКРН. При содержании молибдена более 0,90 мас. % увеличивается отпускоустойчивость, что может привести к излишней прочности и снижению хладостойкости стали.
Ванадий (V) от 0,03 мас. % до 0,09 мас. %.
Введение ванадия менее 0,03% мас. % не обеспечивает формирование специальных карбонитридов ванадия. При превышении порога в 0,09 мас. % наблюдается существенное ухудшение свариваемости.
Ниобий (Nb) от 0,03 мас. % до 0,09 мас. %.
Введения ниобия больше 0,09 мас. % ведет к появлению карбонитридов неоптимальной формы. При содержании ниобия менее 0,03 мас. % специальные карбонитриды не образуются.
Фосфор (Р) 0,010 мас. % или менее.
Фосфор ухудшает стойкость к коррозии, в частности стойкость к коррозии в среде, содержащей диоксид углерода, поэтому его содержание ограничено 0,010 мас. %.
Cepa (S) 0,010 мас. % или менее.
Сера значительно ухудшает обрабатываемость в горячем состоянии при прошивке и прокатке. Поэтому ее содержание ограничено до 0,010 мас. % или менее. Алюминий (Al) от 0,02 мас. % до 0,05 мас. %.
Введение алюминия в указанном количестве достаточно для связывания растворенного кислорода в прочные оксиды. При содержании алюминия более 0,05 мас. % возможно формирование в границах кристаллов нитридов алюминия пленистых форм, охрупчивающих сталь. При содержании алюминия менее 0,02 мас. % сталь не будет являться раскисленной.
Никель (Ni) от 0,01 мас. % до 0,25 мас. %.
Содержание никеля в указанном количестве увеличивает прокаливаемость, но при содержании никеля более 0,25 мас. % снижается стойкость труб к СКРН.
Дополнительно сталь может содержать медь (Си) от 0,01 мас. % до 0,25 мас. %.
Медь (Cu) увеличивает прокаливаемость, но при содержании меди более 0,25 мас. % трубы становятся склонными к возникновению неравномерной коррозии.
Выплавку трубной заготовки осуществляют в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с последующей обработкой металла на установке «Ковш-Печь» (УКП) и вакууматоре, разливку стали производили на машине непрерывного литья заготовки (МНЛЗ).
Изготовление труб осуществляли на ТПА (Трубопрокатный агрегат) в следующей последовательности: нагрев НЛЗ (Непрерывнолитая зоготовка), прошивка гильз, прокатка труб, подогрев перед редуцированием, редуцирование труб, охлаждение на воздухе. При этом заявляемую бесшовную трубу, изготавливают из стали вышеописанного состава, подвергают термообработке путем нагрева в область аустенитизации при температуре от 860 до 950°С, последующему закалочному охлаждению водой и отпуску в интервале температур от 560 до 760°С на воздухе.
Закалочное охлаждение водой ведут путем подачи воды через форсунки на поверхность бесшовной трубы во время ее прохождения по рольгангу закалки (спрейер) или путем погружения в ванну с водой.
Химические составы сталей для изготовления заявляемых бесшовных труб представлены в Таблице 1. Также в Таблице 1 представлены примеры для сравнения-составы по прототипу и контрольные примеры. Режимы термообработки бесшовных труб, полученных по прототипу, контрольным примерам и примерам по изобретению представлены в Таблице 2.
Как видно из Таблицы 2, воздушное закалочное охлаждение (нормализация) не обеспечивает достаточно равномерной структуры, что снижает стойкость к СКРН и ударную вязкость (примеры 9 и 10 в Таблице 2).
1/2
Как видно из представленной Таблицы 1 и Таблицы 2, заявляемое изобретение позволяет обеспечить получение бесшовной трубы с пределом текучести от 552 до 862 МПа, повышенной стойкостью к коррозии в среде с совместным содержанием углекислого газа и сероводорода (СКРН по NACE ТМ0177 по методу Д Kissc составляет не менее 37 МПа*м), т.е. стойкость к коррозии существенно ниже, чем по бесшовной трубы прототипу, а также высокой эксплуатационной надежностью, обеспечиваемой существенным увеличением стойкости к ударным нагрузкам, в том числе при пониженных температурах. Таким образом, заявляемая бесшовная труба, выполненная из коррозионно-стойкой стали, характеризуемой указанным материалом ее изготовления и способом термической обработки, обладает высоким комплексом прочностных свойств, хладостойкостью и повышенной стойкостью к коррозии в среде с совместным содержанием углекислого газа и сероводорода.