ТРУБА ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ
HIGH CORROSION RESISTANCE PIPE

2
2
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству труб нефтяного сортамента, которые могут эксплуатироваться как в обычных условиях, так и в скважинах с коррозионно-агрессивными средами, содержащими сероводород (HS) и углекислый газ (СО).
Известно производство труб в коррозионностойком исполнении из сталей с различным содержанием хрома, которые условно можно разделить на две группы по содержанию хрома: до 1% и более 1%.
Первая группа труб (содержание хрома до 1%) относится к сероводородостойкому исполнению и изготовлена из сталей со следующим содержанием элементов (масс.%):
15ХФА - углерод 0,13; марганец 0,52; кремний 0,27; хром 0,57; молибден 0,02; сера 0,007; фосфор 0,013; алюминий 0,042; ванадий 0,048 [Металловедение и термическая обработка, №2 (656), 2010. с. 9-14];
32ХГ - углерод 0,32; марганец 0,72; кремний 0,27; хром 1,02; молибден 0,01; сера 0,006; фосфор 0,008; алюминий 0,02 [Инженерная практика, №11-12, 2011. с. 18-21];
26ХМФА-2 - углерод 0,26/0,27; марганец 0,62/0,58; кремний 0,24/0,24; хром 0,94/0,89; молибден 0,53/0,52; никель 0,09/0,14; медь 0,013/0,20; сера 0,004/0,006; фосфор 0,010/0,006; алюминий 0,01/0,02; ванадий 0,04/0,04; ниобий 0,003/-; титан 0,005/- [Металловедение и термическая обработка, №5 (623), 2007. с. 18-22] / [Инженерная практика, №11-12, 2011. с. 18-21].
Недостатком применения данных сталей для производства труб является низкая стойкость против язвенной коррозии в средах, содержащих растворенный углекислый газ, скорость локальной коррозии достигает 8 мм/год, рекомендован низкий рабочий диапазон по парциальному давлению углекислого газа (0,01-0,05 МПа).
Вторая группа труб (содержание хрома более 1%), предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ, изготовлена из стали со следующим содержанием элементов (мас.%): углерод 0,1-0,35; хром 1,0-6,0; молибден 0,4-1,0, после нормализации и двойного отпуска [пат. РФ №2368836, опубл. 27.09.2009].
Недостатком применения данной стали для производства труб является низкий запас по уровню прочностных свойств, максимально возможно достижение группы прочности Ε в соответствии с ГОСТ 633-80 (предел прочности не менее 689 МПа и предел текучести не менее 552 МПа), а также проведение термической обработки в три стадии ведет к потери производительности за счет проведения неоднократной загрузки термического оборудования в условиях серийного поточного процесса изготовления труб.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является труба из стали, имеющей следующее соотношение компонентов (мас.%):
углерод 0,14-0,23,
кремний 0,14-0,40,
марганец 0,50-0,90,
ниобий 0,02-0,08,
ванадий 0,05-0,17,
алюминий 0,020-0,050,
титан 0,005-0,030,
хром 0,60-1,10,
сера не более 0,010,
фосфор не более 0,015,
азот не более 0,010,
никель не более 0,30,
медь не более 0,30,
кальций 0,0010-0,0030,
кислород не более 20ppm,
водород не более 2ppm;
остальное железо и неизбежные примеси;
экв
экв
при хромовом эквиваленте Cr=[Cr]+2·[Mo]+5·[V]+1,5·[Nb]+1.5·[Ti], равном 1,6≤Cr≤2,5 (пат. РФ №2437954, опубл. 27.12.2011).
2
2
Недостатком данного состава при изготовлении труб нефтяного сортамента является невысокая стойкость против язвенной коррозии в средах, содержащих углекислый газ, возможность их применения только в средах с соотношением Pco/Рнs≤20, что обусловливает в них протекание коррозионного разрушения под воздействием сероводорода (водородное расслоение, сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением) при малой доле развития углекислотной коррозии. Кроме того, недостаточно полно реализовано положительное влияние хрома, меди и никеля на коррозионную стойкость труб против углекислотной коррозии в виду их малого содержания в данном химическом составе.
2
2
2
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение коррозионной стойкости металла труб в средах, содержащих сероводород (при парциальном давлении HS до 1,5 МПа) и углекислый газ (при парциальном давлении СО до 0,1 МПа) как одновременно, так и в отдельности с достижением уровня прочностных свойств (предел прочности не менее 655 МПа и предел текучести от 552 до 758 МПа), соответствующих группам прочности N80 тип Q, L80 тип 1, R95 (К, Е, Л) по отечественным нормативным стандартам и международному стандарту API Spec 5CT/ISO 11961, и сопротивления ударным нагрузкам при минус 60°С не менее 70 Дж/см.
Указанный результат достигается тем, что труба повышенной коррозионной стойкости, выполненная из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, никель, медь, железо и неизбежные примеси, содержит компоненты в следующем соотношении (мас.%):
углерод 0,15-0,25
кремний 0,15-0,35
марганец 0,40-0,70
хром 0,70-1,50
молибден 0,10-0,30
ванадий 0,03-0,08
алюминий 0,015-0,050
сера не более 0,010
фосфор не более 0,015
азот не более 0,012
медь 0,15-0,35
никель не более 0,30
железо и
неизбежные примеси остальное,
2
при этом она имеет предел прочности не менее 655 МПа и предел текучести от 552 до 758 МПа, сопротивление ударным нагрузкам при минус 60°С не менее 70 Дж/см
Также указанный результат достигается тем, что труба повышенной коррозионной стойкости, выполненная из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, никель, медь, железо и неизбежные примеси, содержит компоненты в следующем соотношении (мас.%):
углерод 0,15-0,25
кремний 0,15-0,35
марганец 0,40-0,70
хром 0,70-1,50
молибден 0,10-0,30
ванадий 0,03-0,08
алюминий 0,015-0,050
сера не более 0,010
фосфор не более 0,015
азот не более 0,012
медь 0,15-0,35
никель 0,30-0,70
железо и
неизбежные примеси остальное,
при этом при этом она имеет предел прочности не менее 655 МПа и предел текучести от 552 до 758 МПа, сопротивление ударным нагрузкам при
Технический результат, обеспечиваемый за счет выбранного соотношения отдельных химических элементов в стали, определяется следующими факторами.
Углерод (0,15-0,25) позволяет обеспечить требуемый уровень прочностных свойств в результате закалки с отпуском, максимальное ограничение 0,25% позволяет избежать избыточного образования карбидной фазы и значительных структурных напряжений, что отрицательно влияет на стойкость металла в сероводородсодержащих средах.
Марганец (0,40-0,70) обеспечивает прочность в дополнении к эффекту раскисления стали. При введении марганца более 1,0% ухудшаются вязкопластические свойства и снижается коррозионная стойкость стали в виду того, что свыше 0,80% возможно образование ликвационной неоднородности металла.
Хром (0,70-1,50) оказывает положительный эффект на повышение прокаливаемости, особенно в присутствии карбидообразующих элементов, таких как молибден и ванадий за счет повышения его содержания в твердом растворе при аустенитизации. Также хром оказывает положительное влияние на стойкость против язвенной углекислотной коррозии за счет образования защитного слоя на поверхности раздела металл - среда.
Молибден (0,10-0,30) при совместном введении с хромом повышает коррозионную стойкость в сероводородсодержащих средах и обеспечивает достаточный уровень вязкопластических свойств, в том числе при отрицательных температурах, за счет подавления сегрегаций вредных примесей (серы, фосфора и др) по границам зерен.
Ванадий (0,03-0,08) способствует измельчению зеренной структуры и упрочнению стали за счет образования мелкодисперсных карбидов и нитридов.
Содержание в стали более двух сильных карбидо- и нитридообразующих элементов (таких как ванадий, ниобий, титан и др) нецелесообразно, так как это может привести к снижению коррозионной стойкости из-за возможного образования грубых включений по границам зерен, а процесс перехода их в твердый раствор требует высоких температур аустенитизации, что является нетехнологичным.
Медь (0,15-0,35) оказывает непосредственное влияние на защитные свойства продуктов коррозии путем образования плотного слоя окислов при окислении поверхности металла, что служит барьером для дальнейшего проникновения агрессивных сред к металлу, при этом не оказывает видимого влияния на уровень механических свойств. При увеличении содержания меди более 0,35% возрастает вероятность ее отрицательного влияния при горячей обработке давлением, связанного с образованием поверхностных трещин.
Никель (0,30-0,70) увеличивает защитные свойства металла против коррозии за счет его склонности к пассивации и обогащению границы раздела металл - среда, что позволяет его применять наряду с хромом для повышения стойкости против язвенной углекислотной коррозии.
В условиях Синарского трубного завода были изготовлены трубы с известным и предлагаемым в изобретении соотношением компонентов.
Результаты промышленного изготовления приведены в таблице 1 - варианты химического состава, таблице 2 - оценка загрязненности неметаллическими включениями, таблице 3 - механические свойства и таблице 4 - оценка коррозионной стойкости.
-60
2
Как видно из приведенных результатов исследования, достигаемый уровень механических свойств и коррозионная стойкость в средах, содержащих сероводород и углекислый газ, после закалки с отпуском позволяют рекомендовать предлагаемые трубы к использованию в коррозионностойком исполнении. Результаты испытаний на коррозионную стойкость против углекислотной коррозии, проведенные с помощью автоклавной установки, которая позволяет достаточно точно моделировать условия работы скважины путем создания высоких давлений и температур, подтверждают стойкость предлагаемых труб в условиях избыточного давления углекислого газа и применимость данного решения для повышения коррозионной стойкости в средах с парциальным давлением углекислого газа до 0,1 МПа. Также на предлагаемых трубах достигнут высокий уровень ударной вязкости при отрицательной температуре испытания минус 60°С (KCV 180-261 Дж/см), что требуется для хладостойком исполнения применительно к условиям Северных регионов добычи нефти и газа.