СТАЛЬНОЙ МАТЕРИАЛ, СТАЛЬНАЯ ТРУБА ДЛЯ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ И СПОСОБ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
STEEL MATERIAL, STEEL PIPE FOR OIL WELL AND METHOD FOR PRODUCTION OF STEEL MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001]
Настоящее изобретение относится к стальному материалу, стальной трубе для нефтяной скважины и к способу для производства этого стального материала, и более конкретно относится к стальному материалу и стальной трубе для нефтяной скважины, подходящим для использования в кислой окружающей среде, и к способу для производства этого стального материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
В связи с углублением нефтяных скважин и газовых скважин (в дальнейшем нефтяные скважины и газовые скважины вместе обозначаются как «нефтяные скважины»), существует потребность в повышении прочности стальных труб для нефтяных скважин. В частности, широко используются стальные трубы для нефтяных скважин сорта 80 ksi (предел текучести 80-95 ksi, то есть 551-655 МПа) и 95 ksi (предел текучести 95-110 ksi, то есть 655-758 МПа), и в последнее время также начинают поступать запросы на стальные трубы для нефтяных скважин сорта 110 ksi (предел текучести 110-125 ksi, то есть 758-862 МПа) и 125 ksi (предел текучести 125-140 ksi, то есть 862-965 МПа).
[0003]
Большинство глубоких скважин находятся в кислой окружающей среде, содержащей коррозионный сероводород. Стальные трубы для нефтяных скважин для использования в такой кислой окружающей среде обязаны иметь не только высокую прочность, но также и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением (SSC).
[0004]
Технология для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стальных материалов, представляемых стальными трубами для нефтяных скважин, раскрыта в японской патентной заявке № 62-253720 (Патентный документ 1), японской патентной заявке № 59-232220 (Патентный документ 2), японской патентной заявке № 6-322478 (Патентный документ 3), японской патентной заявке № 8-311551 (Патентный документ 4), японской патентной заявке № 2000-256783 (Патентный документ 5), японской патентной заявке № 2000-297344 (Патентный документ 6), японской патентной заявке № 2005-350754 (Патентный документ 7), международной патентной заявке № 2012-519238 (Патентный документ 8) и японской патентной заявке № 2012-26030 (Патентный документ 9).
[0005]
Патентный документ 1 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стали для нефтяных скважин путем уменьшения примесей, таких как Mn и Р. Патентный документ 2 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стали путем двукратной закалки для измельчения зерен.
[0006]
Патентный документ 3 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стального материала сорта 125 ksi путем рафинирования микроструктуры стали с помощью термической обработки, использующей индукционный нагрев. Патентный документ 4 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стальных труб сорта 110-140 ksi путем улучшения закаливаемости стали с использованием процесса прямой закалки, а также увеличения температуры отпуска.
[0007]
3
2
Каждый из Патентного документа 5 и Патентного документа 6 предлагает способ улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стали для низколегированных труб, применяемых в нефтяной промышленности, сорта 110-140 ksi путем управления формами карбидов. Патентный документ 7 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стального материала сорта 125 ksi (862 МПа) или выше путем управления плотностью дислокаций и коэффициентом диффузии водорода так, чтобы они соответствовали желаемым значениям. Патентный документ 8 предлагает способ для улучшения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением стали сорта 125 ksi (862 МПа) путем подвергания низколегированной стали, содержащей 0,3-0,5 мас.% C, многократной закалке. Патентный документ 9 предлагает способ для управления формами или количеством карбидов путем использования процесса отпуска, состоящего из двухступенчатой термической обработки. Более конкретно, в Патентном документе 9 предлагается способ, который улучшает стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением стали сорта 125 ksi (862 МПа) путем снижения численной плотности больших частиц MC или частиц MC.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0008]
Патентный документ 1: Японская опубликованная патентная заявка № 62-253720
Патентный документ 2: Японская опубликованная патентная заявка № 59-232220
Патентный документ 3: Японская опубликованная патентная заявка № 6-322478
Патентный документ 4: Японская опубликованная патентная заявка № 8-311551
Патентный документ 5: Японская опубликованная патентная заявка № 2000-256783
Патентный документ 6: Японская опубликованная патентная заявка № 2000-297344
Патентный документ 7: Японская опубликованная патентная заявка № 2005-350754
Патентный документ 8: Международная патентная заявка № 2012-519238
Патентный документ 9: Японская опубликованная патентная заявка № 2012-26030
[0009]
Однако даже при применении методик, раскрытых в вышеупомянутых Патентных документах 1-9, в случае стальных труб для нефтяных скважин, имеющих предел пластической деформации 125 ksi (YS 862 МПа) или больше, превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением в некоторых случаях не может быть получена устойчиво.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
[0010]
Задачей настоящего изобретения является предложить стальной материал и стальную трубу для нефтяной скважины, имеющие высокий предел текучести в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 тыс. фунтов на кв.дюйм), а также превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
[0011]
Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением имеет следующий химический состав в массовых процентах: С: от 0,25 до 0,50, Si: от 0,05 до 0,50, Mn: от 0,05 до 1,00, P: 0,025 или меньше, S: 0,0100 или меньше, Al: от 0,005 до 0,100, Cr: от 0,30 до 1,50, Mo: от 0,25 до 1,50, Ti: от 0,002 до 0,050, B: от 0,0001 до 0,0050, N: от 0,002 до 0,010, О: 0,0100 или меньше, V: от 0 до 0,30, Nb: от 0 до 0,100, Ca: от 0 до 0,0100, Mg: от 0  до 0,0100, Zr: от 0 до 0,0100, Co: от 0 до 0,50, W: от 0 до 0,50, Ni: от 0 до 0,50, и Cu: от 0 до 0,50, с остатком, представляющим собой Fe и примеси. Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением содержит растворенный C в диапазоне 0,010-0,050 мас.%. Предел текучести стального материала находится в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа, а его отношение предела текучести к пределу прочности составляет 90% или больше.
[0012]
c1
Способ производства стального материала в соответствии с настоящим изобретением включает в себя процесс подготовки, процесс закалки и процесс отпуска. В процессе подготовки готовится промежуточный стальной материал, имеющий вышеупомянутый химический состав. В процессе закалки, после процесса подготовки, промежуточный стальной материал, который имеет температуру 800-1000°C, охлаждается со скоростью охлаждения 300°C/мин или больше. В процессе отпуска промежуточный стальной материал после закалки выдерживается в течение 10-180 мин при температуре в диапазоне от 670°C до точки A, и после этого охлаждается от 600 до 200°C со средней скоростью охлаждения от 5 до 100°C/с.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013]
Стальной материал и стальная труба для нефтяной скважины в соответствии с настоящим изобретением имеют высокий предел текучести в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а также превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014]
1SSC
[Фиг. 1] Фиг. 1 иллюстрирует соотношение между количеством растворенного C и значением вязкости разрушения K для соответствующих тестов.
1SSC
[Фиг. 2] Фиг. 2 иллюстрирует соотношение между количеством растворенного C и значением вязкости разрушения K для соответствующих тестов примеров.
[Фиг. 3A] Фиг. 3A показывает вид сбоку и поперечное сечение тестового образца DCB, который используется в тесте DCB в примерах.
[Фиг. 3B] Фиг. 3B представляет собой вид в перспективе клина, который используется в тесте DCB в примерах.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0015]
Авторы настоящего изобретения провели исследования, касающиеся способа получения как высокого предела текучести в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), так и стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением в стальном материале и стальной трубе для нефтяной скважины, и получили следующие находки.
[0016]
(a) В стальном материале, который имеет высокую прочность, плотность дислокаций стального материала возрастает по мере увеличения прочности. С другой стороны, дислокации захватывают водород. Следовательно, если плотность дислокаций стального материала увеличивается, количество водорода, захватываемого стальным материалом, тоже увеличивается. В результате концентрация водорода в стальном материале увеличится, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. Другими словами, если плотность дислокаций стального материала уменьшается, то количество водорода, захватываемого стальным материалом, тоже уменьшается. В результате концентрация водорода в стальном материале уменьшится, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением увеличится.
[0017]
(b) С другой стороны, для того, чтобы повысить предел текучести YS, эффективно увеличить плотность дислокаций стального материала. Однако, как было описано выше, если плотность дислокаций стального материала увеличивается, стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. С другой стороны, если помешать дислокациям стального материала превращаться в подвижные дислокации, исчезновение дислокаций может быть предотвращено, и таким образом уменьшение плотности дислокаций может быть подавлено. В этом случае прочность стального материала может быть сохранена. Поэтому авторы настоящего изобретения задумали повысить предел текучести стального материала путем создания сидячих дислокаций в стальном материале.
[0018]
В частности, авторы настоящего изобретения провели исследования того, как заставить дислокации стать сидячими дислокациями растворенного C, посредством C, который растворен в стальном материале (далее упоминаемого как «растворенный C»). В результате авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда количество растворенного C в стальном материале регулируется, существуют случаи, в которых не только увеличивается предел текучести стального материала, но также увеличивается и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Другими словами, регулируя количество растворенного C в стальном материале, можно увеличить стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением, сохраняя при этом плотность дислокаций стального материала.
[0019]
Таким образом, авторы настоящего изобретения пришли к выводу, что для того, чтобы одновременно получить в стальном материале и высокую прочность, и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением, необходимо достичь баланса между плотностью дислокаций и плотностью сидячих дислокаций растворенного C путем подходящего управления его количеством. Поэтому авторы настоящего изобретения провели дополнительные исследования относительно способа достижения такого баланса путем подходящего управления количеством растворенного C.
[0020]
[Соотношение между количеством растворенного C и стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением]
Сталь, содержащая химический состав, показанный в Таблице 1, была подвергнута горячей прокатке, и были произведены стальные листы, имеющие толщину 15 мм.
[0021]
[Таблица 1]
ТАБЛИЦА 1
Химический состав (в мас.%; остаток - Fe и примеси)
C
Si
Mn
P
S
Al
Cr
Mo
Ti
B
N
O
V
Nb
Ni
Cu
0,28
0,31
0,44
0,007
0,0005
0,041
0,50
0,71
0,013
0,0014
0,003
0,0013
0,10
0,012
0,03
0,01
[0022]
После осуществления горячей прокатки, каждый стальной лист охлаждался до снижения температуры стального листа до нормальной температуры. Затем стальной лист нагревался до 920°C для закалки и подвергался отпуску при 690°C. После отпуска стальной лист охлаждался до комнатной температуры. Соответствующие скорости охлаждения (°C/с) после отпуска показаны в Таблице 2. Охлаждение после отпуска выполнялось с использованием устройства водяного охлаждения поливного типа.
[0023]
[Таблица 2]
ТАБЛИЦА 2
№ теста
Скорость охлаждения после отпуска (°C/с)
YS(МПа)
TS(МПа)
YR(%)
Количество растворенного C (мас.%)
K<sub>1SSC</sub>(мПа√м)
1
2
3
Среднее значение
1
1
880
951
92,5
0,005
24,7
26,7
25,9
25,8
2
2
882
952
92,6
0,007
26,8
27,7
27,4
27,3
3
5
891
950
93,8
0,021
34,5
33,7
33,5
30,9
4
15
895
950
94,2
0,029
36,5
35,5
34,5
35,5
5
35
900
953
94,4
0,035
35,6
35,0
37,2
35,9
[0024]
После охлаждения каждый стальной лист был подвергнут испытанию на разрыв, основанному на методе, который будет описан далее. В дополнение к этому, количество растворенного C (мас.%) вычислялось на основе метода испытаний и способа вычисления, которые будут описаны далее. Следует отметить, что количество растворенного C вычислялось на основе разности между содержанием C в соответствующем стальном листе и количеством C, которое выделилось в виде карбидов (в дальнейшем также упоминаемым как «количество выделившегося C»), как будет описано позже в методе испытаний. Количество выделившегося C вычислялось на основе остаточного количества и концентрации в цементите каждого из Fe, Cr, Mn и Mo, а также остаточного количества каждого из V и Nb. Остаточное количество (мас.%) и концентрация (мас.%) в цементите соответствующих элементов показаны в Таблице 3.
[0025]
[Таблица 3]
ТАБЛИЦА 3
№ теста
Остаточное количество(мас.%)
Концентрация в цементите(мас.%)
Количество растворенного C (мас.%)
Fe
Cr
Mn
Mo
V
Nb
Fe
Mn
Cr
Mo
1
2,65
0,22
0,12
0,24
0,07
0,012
90,1
2,6
4,1
3,2
0,005
2
2,60
0,22
0,13
0,24
0,07
0,012
90,1
2,6
4,1
3,2
0,007
3
2,43
0,21
0,11
0,24
0,07
0,012
90,1
3,0
3,7
3,3
0,021
4
2,35
0,23
0,11
0,25
0,07
0,012
83,4
3,8
7,5
5,2
0,029
5
2,26
0,22
0,10
0,28
0,07
0,012
85,2
2,9
5,6
6,2
0,035
[0026]
1SSC
1SSC
В дополнение к этому, тест DCB был выполнен на основе метода испытаний, который будет описан позже, и значение вязкости разрушения K (МПа√м), было определено для каждого теста. Фиг. 1 иллюстрирует соотношение между количеством растворенного C и значением вязкости разрушения K для каждого теста.
[0027]
1SSC
1SSC
Как показано на Фиг. 1, значение вязкости разрушения K увеличивается в соответствии с увеличением количества растворенного C. При количестве растворенного C 0,010 мас.% или больше значение вязкости разрушения K составляет 30,0 МПа√м или больше, что означает превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0028]
1SSC
Поэтому авторы настоящего изобретения более подробно изучили взаимосвязь между количеством растворенного С и стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением. Фиг. 2 показывает соотношение между количеством растворенного C и стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением для каждого теста примеров, которые будут описаны позже. График на Фиг. 2 был получен аналогично графику на Фиг. 1 с использованием количества растворенного С (мас.%) и значения вязкости разрушения K (МПа√м) для тех стальных материалов, которые имели химический состав, соответствующий диапазону настоящего изобретения, и для которых производственные условия, отличающиеся от времени выдержки в процессе отпуска и скорости охлаждения в процессе отпуска, находились в предпочтительном диапазоне настоящего изобретения.
[0029]
1SSC
1SSC
Как показано на Фиг. 2, когда количество растворенного C составляет 0,010 мас.% или больше, значение вязкости разрушения K составляет 30,0 МПа√м или больше, что означает превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. С другой стороны, когда количество растворенного C составляет больше чем 0,050 мас.%, значение вязкости разрушения K составляет меньше чем 30,0 МПа√м. Другими словами, было подтверждено, что когда количество растворенного C является слишком высоким, стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается.
[0030]
Причина, по которой стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается, когда количество растворенного С является слишком высоким, как описано выше, не выяснена. Однако что касается диапазона химического состава и YS по настоящему изобретению, превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением может быть получена при количестве растворенного C 0,050 мас.% или меньше.
[0031]
1SSC
Следовательно, путем корректировки химического состава и условий отпуска для получения YS в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а также путем удержания количества растворенного С в диапазоне от 0,010 до 0,050 мас.% значение вязкости разрушения K можно сделать равным 30,0 МПа√м или больше, и может быть получена превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. Соответственно, в настоящем изобретении количество растворенного C находится внутри диапазона 0,010-0,050 мас.%.
[0032]
Следует отметить, что для того, чтобы подходящим образом управлять количеством растворенного C и достичь баланса плотности дислокаций, микроструктура стального материала должна состоять преимущественно из мартенсита отпуска и отпущенного бейнита. Термин «преимущественно состоящий из мартенсита отпуска и отпущенного бейнита» означает, что суммарная объемная доля мартенсита отпуска и отпущенного бейнита составляет 90% или больше. Когда микроструктура стального материала преимущественно состоит из мартенсита отпуска и отпущенного бейнита, в стальном материале по настоящему изобретению значение YS находится в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а отношение предела текучести к пределу прочности YR (отношение между YS и прочностью при растяжении TS) составляет 90% или больше.
[0033]
Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением, который был получен на основе вышеописанных находок, имеет следующий химический состав: C: от 0,25 мас.% до 0,50 мас.%, Si: от 0,05 мас.% до 0,50 мас.%, Mn: от 0,05 мас.% до 1,00 мас.%, P: 0,025 мас.% или меньше, S: 0,0100 мас.% или меньше, Al: от 0,005 мас.% до 0,100 мас.%, Cr: от 0,30 мас.% до 1,50 мас.%, Mo: от 0,25 мас.% до 1,50 мас.%, Ti: от 0,002 мас.% до 0,050 мас.%, B: от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%, N: от 0,002 мас.% до 0,010 мас.%, О: 0,0100 мас.% или меньше, V: от 0 мас.% до 0,30 мас.%, Nb: от 0 мас.% до 0,100 мас.%, Ca: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%, Mg: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%, Zr: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%, Co: от 0 мас.% до 0,50 мас.%, W: от 0 мас.% до 0,50 мас.%, Ni: от 0 мас.% до 0,50 мас.%, и Cu: от 0 мас.% до 0,50 мас.%, с остатком, представляющим собой Fe и примеси. Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением содержит растворенный C в диапазоне 0,010-0,050 мас.%. Предел текучести находится в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа, а отношение предела текучести к пределу прочности составляет 90% или больше.
[0034]
Вышеупомянутый химический состав может содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из V: от 0,01 мас.% до 0,30 мас.%, и Nb: от 0,002 мас.% до 0,100 мас.%.
[0035]
Вышеупомянутый химический состав может содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из Ca: от 0,0001 мас.% до 0,0100 мас.%, Mg: от 0,0001 мас.% до 0,0100 мас.%, и Zr: от 0,0001 мас.% до 0,0100 мас.%.
[0036]
Вышеупомянутый химический состав может содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из Co: от 0,02 мас.% до 0,50 мас.% и W: от 0,02 мас.% до 0,50 мас.%.
[0037]
Вышеупомянутый химический состав может содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из Ni: от 0,02 мас.% до 0,50 мас.%, и Cu: от 0,01 мас.% до 0,50 мас.%.
[0038]
Вышеупомянутый стальной материал может быть стальной трубой для нефтяной скважины, которая имеет вышеупомянутый химический состав и содержит 0,010-0,050 мас.% растворенного C и имеет предел текучести в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа и отношение предела текучести к пределу прочности 90% или больше.
[0039]
Стальная труба для нефтяной скважины может быть стальной трубой, которая используется для магистральной трубы, или может быть стальной трубой, используемой для труб, применяемых в нефтяной промышленности (нефтегазопромысловых труб, OCTG). Стальная труба для нефтяной скважины может быть бесшовной стальной трубой. Трубы, применяемые в нефтяной промышленности, являются, например, обсадными или насосно-компрессорными трубами.
[0040]
Если стальная труба для нефтяной скважины в соответствии с настоящим изобретением имеет вышеупомянутый химический состав, то она будет иметь превосходную прочность и превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением, даже если толщина ее стенки будет составлять 15 мм или больше.
[0041]
1SSC
2
2
Упомянутый выше термин «превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением» означает в частности, что значение K (МПа√м) составляет 30,0 МПа√м или больше в тесте DCB, выполненном в соответствии со «Способом D» стандарта NACE TM0177-2005 с использованием автоклава, в который герметично помещаются раствор, полученный путем смешивания дегазированного 5%-го соляного раствора и 4 г/л уксуснокислого натрия и доведенный до значения pH 3,5 с использованием соляной кислоты, и газообразная смесь из 10% HS и 90% CO с полным давлением 1 атм.
[0042]
Кроме того, вышеупомянутый термин «количество растворенного C» означает разность между количеством C (мас.%) в карбидах в стальном материале и содержанием C в химическом составе стального материала. Количество C в карбидах в стальном материале определяется Формулами (1) - (5) с использованием концентрации Fe <Fe>a, концентрации Cr <Cr>a, концентрации Mn <Mn>a, концентрации Mo <Mo>a, концентрации V <V>a и концентрации Nb <Nb>а в карбидах (цементите и карбидах типа MC), получаемых как остаток при выполнении анализа остатка экстракции стального материала, и концентрации Fe <Fe>b, концентрации Cr <Cr>b, концентрации Mn <Mn>b и концентрации Mo <Mo>b в цементите, получаемом при выполнении точечного анализа с помощью EDS относительно цементита, идентифицированного путем наблюдения с помощью TEM пленки-реплики, полученной способом извлечения реплики.
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
<C>a=(<Fe>a/55,85+<Cr>a/52+<Mn>a/53,94+<Mo>c/95,9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50,94+<Mo>d/95,9+<Nb>a/92,9)×12 (4)
(количество растворенного C)=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
Следует отметить, что в настоящем описании термин «цементит» означает карбиды, имеющие содержание Fe 50 мас.% или больше.
[0043]
c1
Способ для производства стального материала в соответствии с настоящим изобретением включает в себя процесс подготовки, процесс закалки и процесс отпуска. В процессе подготовки готовится промежуточный стальной материал, имеющий вышеупомянутый химический состав. В процессе закалки, после процесса подготовки, промежуточный стальной материал, который имеет температуру 800-1000°C, охлаждается со скоростью охлаждения 300°C/мин или больше. В процессе отпуска промежуточный стальной материал после закалки выдерживается при температуре в диапазоне от 670°C до точки A в течение 10-180 мин, и после этого промежуточный стальной материал охлаждается со средней скоростью охлаждения 5-100°C/с от 600°C до 200°C.
[0044]
Процесс подготовки вышеупомянутого способа производства может включать в себя процесс подготовки исходного материала, имеющего вышеупомянутый химический состав, а также процесс горячей обработки исходного материала для того, чтобы получить промежуточный стальной материал.
[0045]
Далее будут подробно описаны стальной материал и стальная труба для нефтяной скважины по настоящему изобретению. Символ «%» применительно к составу означает «мас.%», если явно не указано иное.
[0046]
[Химический состав]
Химический состав стального материала в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие элементы.
[0047]
C: от 0,25 мас.% до 0,50 мас.%.
Углерод (C) улучшает закаливаемость и увеличивает прочность стального материала. Если содержание C составляет 0,25 мас.% или больше, при условии, что содержания других элементов находятся внутри диапазона, определенного в настоящем изобретении, предел текучести может быть сделан равным 862 МПа или больше. C также способствует сфероидизации карбидов во время отпуска в процессе производства, а также увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если карбиды диспергируются, прочность стального материала дополнительно увеличивается. Эти эффекты не будут получены, если содержание C будет слишком низким. С другой стороны, если содержание C будет слишком высоким, то ударная вязкость стального материала уменьшится, так что растрескивание при закалке станет более вероятным. Следовательно, содержание C устанавливается внутри диапазона 0,25-0,50 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания С составляет 0,45 мас.%, и более предпочтительно 0,40 мас.%.
[0048]
Si: от 0,05 мас.% до 0,50 мас.%.
Кремний (Si) раскисляет сталь. Если содержание Si является слишком низким, этот эффект не может быть получен. С другой стороны, если содержание Si является слишком высоким, стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Si устанавливается внутри диапазона 0,05-0,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Si составляет 0,15 мас.%, и более предпочтительно 0,20 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Si составляет 0,45 мас.%, и более предпочтительно 0,40 мас.%.
[0049]
Mn: от 0,05 мас.% до 1,00 мас.%
Марганец (Mn) раскисляет стальной материал. Mn также улучшает закаливаемость. Если содержание Mn является слишком низким, эти эффекты не могут быть получены. С другой стороны, если содержание Mn является слишком высоким, Mn сегрегирует на границы зерна вместе с примесями, такими как P и S. В таком случае стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Mn находится внутри диапазона 0,05-1,00 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Mn составляет 0,25 мас.%, и более предпочтительно 0,30 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Mn составляет 0,90 мас.%, и более предпочтительно 0,80 мас.%.
[0050]
P: 0,025% или меньше
Фосфор (P) является примесью. P сегрегирует на границы зерна и уменьшает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Поэтому содержание фосфора составляет 0,025 мас.% или меньше. Предпочтительный верхний предел содержания Р составляет 0,020 мас.%, и более предпочтительно 0,015 мас.%. Предпочтительно, чтобы содержание Р было настолько низким, насколько это возможно. Нижний предел содержания Р составляет, например, 0,003 мас.%.
[0051]
S: 0,0100% или меньше
Сера (S) является примесью. S сегрегирует на границы зерна и уменьшает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Следовательно, содержание серы составляет 0,0100 мас.% или меньше. Предпочтительный верхний предел содержания S составляет 0,0050 мас.%, и более предпочтительно 0,0030 мас.%. Предпочтительно, чтобы содержание S было настолько низким, насколько это возможно. Нижний предел содержания S составляет, например, 0,0003 мас.%.
[0052]
Al: от 0,005 мас.% до 0,100 мас.%
Алюминий (Al) раскисляет стальной материал. Если содержание Al является слишком низким, этот эффект не получается, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. С другой стороны, если содержание Al является слишком высоким, образуются грубые включения на основе оксидов, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Al находится внутри диапазона 0,005-0,100 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания алюминия составляет 0,015 мас.%, и более предпочтительно 0,020 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания алюминия составляет 0,080 мас.%, и более предпочтительно 0,060 мас.%. В настоящем описании содержание «Al» означает содержание «кислоторастворимого Al», то есть содержание «растворимого Al».
[0053]
Cr: от 0,30 мас.% до 1,50 мас.%
Хром (Cr) улучшает закаливаемость стального материала и увеличивает прочность стального материала. Cr также увеличивает стойкость к размягчению при отпуске и обеспечивает высокотемпературный отпуск. В результате стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением увеличивается. Если содержание Cr является слишком низким, эти эффекты не могут быть получены. С другой стороны, если содержание Cr является слишком высоким, ударная вязкость и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшаются. Следовательно, содержание Cr находится внутри диапазона 0,30-1,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Cr составляет 0,35 мас.%, и более предпочтительно 0,40 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Cr составляет 1,30 мас.%.
[0054]
Mo: от 0,25 мас.% до 1,50 мас.%
Молибден (Mo) улучшает закаливаемость стального материала. Mo также образует мелкие карбиды и увеличивает стойкость стального материала к размягчению при отпуске. В результате Mo увеличивает стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением за счет высокотемпературного отпуска. Если содержание Mo является слишком низким, эти эффекты не могут быть получены. С другой стороны, если содержание Mo является слишком высоким, вышеупомянутые эффекты насыщаются. Следовательно, содержание Mo находится внутри диапазона 0,25-1,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Мо составляет 0,50 мас.%, и более предпочтительно 0,65 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Мо составляет 1,20 мас.%, и более предпочтительно 1,00 мас.%.
[0055]
Ti: от 0,002 мас.% до 0,050 мас.%
Титан (Ti) образует нитриды и измельчает кристаллические зерна за счет эффекта закрепления. В результате прочность стального материала увеличивается. Если содержание Ti является слишком низким, этот эффект не может быть получен. С другой стороны, если содержание Ti является слишком высоким, нитриды Ti огрубляются, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Ti находится внутри диапазона 0,002-0,050 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания титана составляет 0,003 мас.%, и более предпочтительно 0,005 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания титана составляет 0,030 мас.%, и более предпочтительно 0,020 мас.%.
[0056]
B: от 0,0001 мас.% до 0,0050 мас.%
Бор (B) растворяется в стали, улучшает закаливаемость стального материала и увеличивает его прочность. Этот эффект не получается, если содержание бора является слишком низким. С другой стороны, если содержание бора является слишком высоким, образуются грубые нитриды, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание бора находится внутри диапазона 0,0001-0,0050 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания бора составляет 0,0003 мас.%, и более предпочтительно 0,0007 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания бора составляет 0,0035 мас.%, и более предпочтительно 0,0025 мас.%.
[0057]
N: от 0,002 мас.% до 0,010 мас.%
Азот (N) неизбежно содержится в стали. N образует грубые нитриды и уменьшает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Следовательно, содержание N устанавливается внутри диапазона 0,002-0,010 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания N составляет 0,005 мас.%, и более предпочтительно 0,004 мас.%. Предпочтительно, чтобы содержание N было настолько низким, насколько это возможно. Однако в том случае, когда содержится определенное количество Ti, N содержится в количестве 0,002 мас.% или больше для рафинирования зерен путем выделения мелких нитридов.
[0058]
O: 0,0100% или меньше
Кислород (O) является примесью. O образует грубые оксиды и уменьшает коррозионную стойкость стального материала. Поэтому содержание кислорода составляет 0,0100 мас.% или меньше. Предпочтительный верхний предел содержания О составляет 0,0030 мас.%, и более предпочтительно 0,0020 мас.%. Предпочтительно, чтобы содержание О было настолько низким, насколько это возможно. Нижний предел содержания О составляет, например, 0,0003 мас.%.
[0059]
Остаток химического состава стального материала в соответствии с настоящим изобретением представляет собой Fe и примеси. Здесь термин «примеси» относится к элементам, которые, во время промышленного производства стального материала попадают в него из руды или используемого в качестве сырья лома, или из производственной среды и т.п., и которые могут содержаться в пределах такого диапазона, который не оказывает негативного влияния на стальной материал по настоящему изобретению.
[0060]
[Дополнительные элементы]
Химический состав описанного выше стального материала может дополнительно содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из V и Nb вместо части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным и увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0061]
V: от 0 мас.% до 0,30 мас.%
2
Ванадий (V) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, V объединяется с C или N, образуя карбиды, нитриды или карбонитриды и т.п. (в дальнейшем называемые «карбонитридами и т.п.»). Эти карбонитриды и т.п. измельчают подструктуру стального материала за счет эффекта закрепления и улучшают стойкость стали к сульфидному растрескиванию под напряжением. V также образует мелкие карбиды во время отпуска. Эти мелкие карбиды увеличивают стойкость стального материала к размягчению при отпуске и увеличивают прочность стального материала. В дополнение к этому, поскольку V также образует сферические карбиды типа MC, V подавляет образование игольчатых карбидов типа MC, и тем самым увеличивает стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество V, эти эффекты получаются в некоторой степени. Однако если содержание V является слишком высоким, ударная вязкость стального материала ухудшается. Следовательно, содержание V устанавливается внутри диапазона 0-0,30 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания V составляет 0,01 мас.%, и более предпочтительно 0,02 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания V составляет 0,15 мас.%, и более предпочтительно 0,12 мас.%.
[0062]
Nb: от 0 мас.% до 0,100 мас.%
2
Ниобий (Nb) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Nb образует карбонитриды и т.п. Эти карбонитриды и т.п. измельчают подструктуру стального материала за счет эффекта закрепления и улучшают стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. В дополнение к этому, поскольку Nb также образует сферические карбиды типа MC, Nb подавляет образование игольчатых карбидов типа MC, и тем самым увеличивает стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество Nb, эти эффекты получаются в некоторой степени. Однако если содержание Nb является слишком высоким, нитриды образуются в избыточном количестве, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Nb устанавливается внутри диапазона 0-0,100 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Nb составляет 0,002 мас.%, более предпочтительно 0,003 мас.%, и еще более предпочтительно 0,007 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Nb составляет менее чем 0,050 мас.%, более предпочтительно 0,025 мас.%, и еще более предпочтительно 0,020 мас.%.
[0063]
Суммарное содержание вышеупомянутых V и Nb предпочтительно составляет 0,2 мас.% или меньше, и еще более предпочтительно 0,15 мас.% или меньше.
[0064]
Химический состав описанного выше стального материала может дополнительно содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из Ca, Mg и Zr вместо части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным и увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0065]
Ca: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%
Кальций (Ca) является дополнительным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Ca измельчает сульфиды в стальном материале и увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество Ca, этот эффект получается в некоторой степени. Однако если содержание Ca является слишком высоким, оксиды в стальном материале огрубляются, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Ca устанавливается внутри диапазона 0-0,0100 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Ca составляет 0,0001 мас.%, более предпочтительно 0,0003 мас.%, и еще более предпочтительно 0,0006 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Ca составляет 0,0025 мас.%, и более предпочтительно 0,0020 мас.%.
[0066]
Mg: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%
Магний (Mg) является дополнительным элементом и может не содержаться. Если он содержится, Mg делает серу в стальном материале безвредной путем образования сульфидов и увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество Mg, этот эффект получается в некоторой степени. Однако если содержание Mg является слишком высоким, оксиды в стальном материале огрубляются, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Mg устанавливается внутри диапазона 0-0,0100 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Mg составляет 0,0001 мас.%, более предпочтительно 0,0003 мас.%, еще более предпочтительно 0,0006 мас.%, и наиболее предпочтительно 0,0010 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Mg составляет 0,0025 мас.%, и более предпочтительно 0,0020 мас.%.
[0067]
Zr: от 0 мас.% до 0,0100 мас.%
Цирконий (Zr) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Zr измельчает сульфиды в стальном материале и увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество Zr, этот эффект достигается в некоторой степени. Однако если содержание Zr является слишком высоким, оксиды в стальном материале огрубляются, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание Zr устанавливается внутри диапазона 0-0,0100 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Zr составляет 0,0001 мас.%, более предпочтительно 0,0003 мас.%, и еще более предпочтительно 0,0006 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Zr составляет 0,0025 мас.%, и более предпочтительно 0,0020 мас.%.
[0068]
В том случае, когда два или более элементов, выбираемых из вышеупомянутой группы, содержащей Ca, Mg и Zr, содержатся в комбинации, общее количество этих элементов предпочтительно составляет 0,01 мас.% или меньше, и более предпочтительно 0,005 мас.% или меньше.
[0069]
Химический состав описанного выше стального материала может дополнительно содержать один или более элементов, выбираемых из группы, состоящей из Co и W вместо части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным элементом, который формирует покрытие, защищающее от коррозии в среде сероводорода, и подавляет проникновение водорода. Таким образом, каждый из этих элементов увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0070]
Co: от 0 мас.% до 0,50 мас.%.
Кобальт (Co) является дополнительным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Co формирует покрытие, защищающее от коррозии в среде сероводорода, и подавляет проникновение водорода. Таким образом, Co увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество Co, этот эффект достигается в некоторой степени. Однако если содержание Co будет слишком высоким, то закаливаемость стального материала уменьшится, и прочность стального материала уменьшится. Следовательно, содержание Co устанавливается внутри диапазона 0-0,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Co составляет 0,02 мас.%, и более предпочтительно 0,05 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Co составляет 0,45 мас.%, и более предпочтительно 0,40 мас.%.
[0071]
W: от 0 мас.% до 0,50 мас.%.
Вольфрам (W) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, W формирует покрытие, защищающее от коррозии в среде сероводорода, и подавляет проникновение водорода. Таким образом, W увеличивает стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением. Если содержится даже небольшое количество W, этот эффект достигается в некоторой степени. Однако, если содержание W является слишком высоким, образуются грубые карбиды, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшается. Следовательно, содержание W устанавливается внутри диапазона 0-0,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания W составляет 0,02 мас.%, и более предпочтительно 0,05 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания W составляет 0,45 мас.%, и более предпочтительно 0,40 мас.%.
[0072]
Химический состав описанного выше стального материала может дополнительно содержать один или более типов элементов, выбираемых из группы, состоящей из Ni и Cu вместо части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным и увеличивает закаливаемость стали.
[0073]
Ni: от 0 мас.% до 0,50 мас.%.
Никель (Ni) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Ni улучшает закаливаемость стального материала и увеличивает его прочность. Если содержится даже небольшое количество Ni, этот эффект получается в некоторой степени. Однако, если содержание Ni будет слишком высоким, то Ni будет способствовать локальной коррозии, и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. Следовательно, содержание Ni устанавливается внутри диапазона 0-0,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Ni составляет 0,02 мас.%, и более предпочтительно 0,05 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Ni составляет 0,35 мас.%, и более предпочтительно 0,25 мас.%.
[0074]
Cu: от 0 мас.% до 0,50 мас.%.
Медь (Cu) является опциональным элементом, и может не содержаться. Если он содержится, Cu улучшает закаливаемость стального материала и увеличивает его прочность. Если содержится даже небольшое количество Cu, этот эффект получается в некоторой степени. Однако, если содержание Cu будет слишком высоким, то закаливаемость будет слишком высокой, и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. Следовательно, содержание Cu устанавливается внутри диапазона 0-0,50 мас.%. Предпочтительный нижний предел содержания Cu составляет 0,01 мас.%, более предпочтительно 0,02 мас.%, и еще более предпочтительно 0,05 мас.%. Предпочтительный верхний предел содержания Cu составляет 0,35 мас.%, и более предпочтительно 0,25 мас.%.
[0075]
[Количество растворенного C]
В настоящем изобретении количество растворенного C находится внутри диапазона 0,010-0,050 мас.%. Если количество растворенного C будет меньше чем 0,010 мас.%, то фиксация кристаллических дислокаций будет недостаточной, и стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. С другой стороны, если количество растворенного C будет больше чем 0,050 мас.%, то наоборот, стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. Следовательно, количество растворенного C находится внутри диапазона 0,010-0,050 мас.%. Предпочтительный нижний предел количества растворенного C составляет 0,020 мас.%, и более предпочтительно 0,030 мас.%.
[0076]
Количество растворенного C внутри вышеупомянутого диапазона получается, например, путем управления временем выдержки для отпуска и управления скоростью охлаждения после отпуска. Причина этого описывается ниже.
[0077]
Если время выдержки во время отпуска будет коротким, отпуск будет недостаточным. В таком случае выделение карбидов в стальном материале будет недостаточным, и количество растворенного C будет слишком высоким. В результате стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением уменьшится. С другой стороны, если время выдержки во время отпуска будет слишком большим, то эти эффекты будут насыщаться. Следовательно, время выдержки во время отпуска находится в диапазоне 10-180 мин.
[0078]
В процессе отпуска, если скорость охлаждения после отпуска является медленной, растворенный C будет повторно выделяться по мере уменьшения температуры. В обычных способах для производства стального материала, поскольку охлаждение после отпуска выполнялось путем естественного охлаждения стального материала, скорость охлаждения была низкой. Следовательно, количество растворенного C было почти равно 0 мас.%. Следовательно, в настоящем варианте осуществления скорость охлаждения после отпуска является повышенной, и получается количество растворенного C в диапазоне 0,010-0,050 мас.%.
[0079]
Способ охлаждения представляет собой, например, способ, который осуществляет принудительное охлаждение полой гильзы непрерывно от температуры отпуска, чтобы тем самым непрерывно снижать температуру поверхности стального материала. Примеры такого типа непрерывной охлаждающей обработки включают в себя способ, который охлаждает стальной материал погружением в водяную баню, а также способ, который охлаждает стальной материал ускоренным образом путем охлаждения поливом водой, охлаждения туманом или принудительного воздушного охлаждения.
[0080]
Скорость охлаждения после отпуска измеряется в области, которая наиболее медленно охлаждается внутри поперечного сечения отпускаемого стального материала (например, в случае принудительного охлаждения обеих поверхностей скорость охлаждения измеряется в центральной части толщины стального материала). В частности, в том случае, когда стальной материал представляет собой стальной лист, скорость охлаждения после отпуска может быть измерена путем вставки оболочечной термопары в центр толщины стального листа и измерения температуры. В том случае, когда стальной материал представляет собой стальную трубу, скорость охлаждения после отпуска может быть измерена путем вставки оболочечной термопары в центр толщины стенки стальной трубы и измерения температуры. Кроме того, в случае принудительного охлаждения только поверхности одной стороны стального материала температура поверхности на неохлаждаемой стороне стального материала может измеряться посредством бесконтактного инфракрасного термометра.
[0081]
Температурная область от 600°C до 200°C является температурной областью, в которой диффузия C является сравнительно быстрой. Следовательно средняя скорость охлаждения в температурной области от 600°C до 200°C составляет 5°C/с или больше. Предпочтительный нижний предел скорости охлаждения после отпуска составляет 10°C/с, и более предпочтительно 15°C/с.
[0082]
С другой стороны, если скорость охлаждения после отпуска будет слишком быстрой, будет выделяться очень мало C, растворившегося в результате выдержки во время отпуска. В результате в некоторых случаях количество растворенного C будет чрезмерным. Следовательно, скорость охлаждения после отпуска составляет не больше чем 100°C/с. Предпочтительный верхний предел скорости охлаждения после отпуска составляет 50°C/с, и более предпочтительно 40°C/с.
[0083]
В этом случае количество растворенного C можно удерживать в диапазоне 0,010-0,050 мас.%.
[0084]
[Способ для вычисления количества растворенного C]
Термин «количество растворенного C» означает разность между количеством C (мас.%) в карбидах в стальном материале и содержанием C в химическом составе стального материала. Количество C в карбидах в стальном материале определяется Формулами (1) - (5) с использованием концентрации Fe <Fe>a, концентрации Cr <Cr>a, концентрации Mn <Mn>a, концентрации Mo <Mo>a, концентрации V <V>a и концентрации Nb <Nb>а в карбидах (цементите и карбидах типа MC), получаемых как остаток при выполнении анализа остатка экстракции стального материала, и концентрации Fe <Fe>b, концентрации Cr <Cr>b, концентрации Mn <Mn>b и концентрации Mo <Mo>b в цементите, получаемом при выполнении точечного анализа с помощью EDS относительно цементита, идентифицированного путем наблюдения с помощью TEM пленки-реплики, полученной способом извлечения реплики.
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
<C>a=(<Fe>a/55,85+<Cr>a/52+<Mn>a/53,94+<Mo>c/95,9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50,94+<Mo>d/95,9+<Nb>a/92,9)×12 (4)
(количество растворенного C)=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
Следует отметить, что в настоящем описании термин «цементит» означает карбиды, имеющие содержание Fe 50 мас.% или больше. Далее подробно описывается способ для вычисления количества растворенного C.
[0085]
[Определение содержания C в стальном материале]
В том случае, когда стальной материал является листовым материалом, образец для анализа, имеющий форму механически обработанной стружки, берется из центральной части толщины пластины. Содержание C (мас.%) анализируется способа поглощения в инфракрасной области спектра при сжигании в потоке кислорода. Получаемое значение считается содержанием C (<C>) в стальном материале.
[0086]
[Вычисление количества C, который выделяется в виде карбидов (количество выделившегося C)]
Количество выделившегося C вычисляется с помощью следующих процедур 1-4. В частности, в процедуре 1 выполняется анализ остатка экстракции. В процедуре 2 способ извлечения реплики с использованием просвечивающего электронного микроскопа (TEM) и анализ концентрации (далее называемый «анализом EDS») элементов в цементите выполняются с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии (EDS). В процедуре 3 корректируется содержание Mo. В процедуре 4 вычисляется количество выделившегося C.
[0087]
[Процедура 1. Определение остаточных количеств Fe, Cr, Mn, Mo, V и Nb с помощью анализа остатка экстракции]
3
В процедуре 1 карбиды в стальном материале улавливаются в виде остатка, и определяется содержание Fe, Cr, Mn, Mo, V и Nb в остатке. Здесь термин «карбиды» является общим обозначением для цементита (карбидов типа MC) и карбидов типа MC. Конкретная процедура является следующей. В том случае, когда стальной материал является листовым материалом, цилиндрический тестовый образец, имеющий диаметр 6 мм и длину 50 мм, извлекается из центральной части толщины пластины. В том случае, когда стальной материал является стальной трубой, цилиндрический тестовый образец, имеющий диаметр 6 мм и длину 50 мм, извлекается из центральной части толщины стенки стальной трубы так, чтобы центр толщины стенки стал центром поперечного сечения. Поверхность извлеченного тестового образца полируется для удаления приблизительно 50 мкм предварительным электрополированием с тем, чтобы получить вновь сформированную поверхность. Отполированный таким образом тестовый образец подвергается электролизу в растворе электролита, содержащем 10% ацетилацетона+1% тетрааммония+метанол. Раствор электролита после электролиза пропускается через фильтр с размером ячейки 0,2 мкм для получения остатка. Полученный остаток подвергается кислотному расщеплению, и концентрации Fe, Cr, Mn, Mo, V и Nb определяются в массовых процентах с помощью оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно сопряженной плазмой (ICP). Эти концентрации определяются как <Fe>a, <Cr>a, <Mn>a, <Mo>a, <V>a и <Nb>a, соответственно.
[0088]
[Процедура 2. Определение содержания Fe, Cr, Mn и Mo в цементите способом экстракции реплики и EDS]
В процедуре 2 определяется содержание каждого из Fe, Cr, Mn и Mo в цементите. Конкретная процедура является следующей. Тестовый микрообразец вырезается из центральной части толщины пластины в том случае, когда стальной материал является листовым материалом, и вырезается из центральной части толщины стенки в том случае, когда стальной материал является стальной трубой, и поверхность тестового микрообразца обрабатывается начисто путем зеркального полирования. Тестовый образец погружается на 10 мин в 3%-ый травильный реагент ниталь для протравки поверхности. Затем эта поверхность покрывается углеродной пленкой путем осаждения. Тестовый образец, поверхность которого покрыта пленкой, полученной осаждением, погружается в 5%-ый ниталь и выдерживается в нем 20 мин для отслаивания пленки. Отслоившаяся пленка очищается этанолом, после чего вынимается с помощью листовой сетки и сушится. Эта полученная осаждением пленка (пленка-реплика) наблюдается с использованием TEM, и точечный анализ EDS выполняется для 20 частиц цементита. Концентрация каждого из Fe, Cr, Mn и Mo определяется в массовых процентах, принимая сумму легирующих элементов в цементите, за исключением углерода, за 100%. Концентрации определяются для 20 частиц цементита, и средние арифметические значения для соответствующих элементов определяются как <Fe>b, <Cr>b, <Mn>b и <Mo>b.
[0089]
[Процедура 3. Корректировка количества Mo]
Затем определяется концентрация Mo в карбидах. В этом случае Fe, Cr, Mn и Mo концентрируются в цементите. С другой стороны, V, Nb и Mo концентрируются в карбидах типа MC. Другими словами, при отпуске Мо концентрируется как в цементите, так и в карбидах типа МС. Следовательно, количество Mo вычисляется отдельно для цементита и для карбидов типа MC. Следует отметить, что в некоторых случаях часть V также концентрируется в цементите. Однако количество V, которое концентрируется в цементите, является пренебрежимо малым по сравнению с количеством V, которое концентрируется в карбидах типа MC. Следовательно, при определении количества растворенного C рассматривается только концентрация V в карбидах типа MC.
[0090]
В частности, количество Mo, выделяющегося как цементит (<Mo>c) вычисляется по Формуле (1).
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
[0091]
С другой стороны, количество Mo, выделяющегося как карбиды типа MC (<Mo>d), вычисляется в массовых процентах по Формуле (2).
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
[0092]
[Процедура 4. Вычисление количества выделившегося C]
3
Количество выделившегося C вычисляется как сумма количества C, выделившегося как цементит (<C>a), и количества C, выделившегося как карбиды типа MC (<C>b). <C>a и <C>b вычисляются в массовых процентах по Формулам (3) и (4), соответственно. Следует отметить, что Формула (3) является формулой, которая получена на основе того факта, что структура цементита является структурой типа MC (где M включает в себя Fe, Cr, Mn и Mo).
<C>a=(<Fe>a/55,85+<Cr>a/52+<Mn>a/53,94+<Mo>c/95,9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50,94+<Mo>d/95,9+<Nb>a/92,9)×12 (4)
[0093]
Таким образом, количество выделившегося C равно <C>а+<C>b.
[0094]
[Вычисление количества растворенного C]
Количество растворенного C (<C>c) вычисляется массовых процентах по Формуле (5) как разность между содержанием C (<C>) и количеством выделившегося C в стальном материале.
<C>c=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
[0095]
[Микроструктура]
Микроструктура стального материала по настоящему изобретению преимущественно состоит из мартенсита отпуска и отпущенного бейнита. Более конкретно, объемная доля мартенсита отпуска и/или отпущенного бейнита в микроструктуре составляет 90% или больше. Другими словами, сумма объемных долей мартенсита отпуска и отпущенного бейнита в микроструктуре составляет 90% или больше. Остаток микроструктуры является, например, остаточным аустенитом и т.п. Если микроструктура стального материала, имеющего вышеупомянутый химический состав, содержит мартенсит отпуска и отпущенный бейнит в количестве, эквивалентном доле общего объема 90% или больше, то YS будет иметь значение от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR будет составлять 90% или больше. Следовательно, в настоящем варианте осуществления, если значение YS составляет от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляет 90% или больше, предполагается, что сумма объемных долей мартенсита отпуска и отпущенного бейнита в микроструктуре составляет 90% или больше. Предпочтительно микроструктура состоит только из мартенсита отпуска и/или отпущенного бейнита.
[0096]
2
Следует отметить, что следующий способ может быть использован в случае определения суммы объемных долей мартенсита отпуска и отпущенного бейнита путем наблюдения. В том случае, когда стальной материал является листовым материалом, небольшой образец, имеющий поверхность наблюдения с размерами 10 мм в направлении прокатки и 10 мм в направлении ширины пластины, вырезается из центральной части толщины пластины. В том случае, когда стальной материал является стальной трубой, небольшой образец, имеющий поверхность наблюдения с размерами 10 мм в направлении оси трубы и 10 мм в направлении окружности трубы, вырезается из центральной части толщины стенки. После полирования поверхности наблюдения до зеркального состояния образец погружается приблизительно на 10 с в ниталь для проявления микроструктуры путем травления. Протравленная поверхность наблюдения наблюдается на вторичном электронном изображении, получаемом с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM). Наблюдение выполняется для 10 полей зрения, каждое из которых имеет площадь 400 мкм (с увеличением 5000х). В каждом поле зрения мартенсит отпуска и отпущенный бейнит идентифицируются на основе контраста. Сумма идентифицированных долей площади мартенсита отпуска и отпущенного бейнита берется в качестве доли площади мартенсита отпуска и умеренного бейнита для каждого поля зрения. В настоящем варианте осуществления среднее арифметическое значение сумм долей площади мартенсита отпуска и отпущенного бейнита, определенных в каждом поле зрения, берется в качестве объемной доли мартенсита отпуска и умеренного бейнита.
[0097]
[Форма стального материала]
Форма стального материала настоящего варианта осуществления особенно не ограничивается. Стальной материал представляет собой, например, стальную трубу или стальной лист. В том случае, когда стальной материал представляет собой стальную трубу для нефтяной скважины, ее предпочтительная толщина стенки составляет 9-60 мм. Настоящее изобретение является в частности подходящим для использования в качестве толстостенной стальной трубы для нефтяных скважин. Более конкретно, даже когда стальной материал в соответствии с настоящим изобретением представляет собой толстостенную стальную трубу для нефтяной скважины, имеющую толщину стенки 15 мм или больше, или 20 мм или больше, стальной материал проявляет высокую прочность и превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0098]
[YS и YR стальной материал]
Значение YS стального материала настоящего варианта осуществления составляет от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а его значение YR составляет 90% или больше. В настоящем описании «YS» означает напряжение, соответствующее удлинению 0,65% при испытании на разрыв. Короче говоря, прочность стального материала настоящего варианта осуществления соответствует сорту 125 ksi. Даже при том, что стальной материал настоящего варианта осуществления имеет такую высокую прочность, он также имеет превосходную стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением за счет удовлетворения условиям относительно химического состава, количества растворенного C и микроструктуры, которые были описаны выше.
[0099]
[Стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением]
2
2
1SSC
Стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением стального материала настоящего варианта осуществления может быть оценена с помощью теста DCB, выполняемого в соответствии со «Способом D» стандарта NACE TM0177-2005. Используемый жидкий раствор получается путем смешивания дегазированного 5%-го соляного раствора и 4 г/л уксуснокислого натрия, и доведения значения pH до 3,5 с использованием соляной кислоты. Газ, заряжаемый в автоклав, является газообразной смесью из 10% HS и 90% CO с полным давлением 1 атм. После этого тестовый образец DCB со вставленным клином помещается в контейнер и выдерживается в течение трех недель при 24°C с постоянным перемешиванием жидкого раствора и непрерывной продувкой вышеупомянутой газообразной смеси. Значение K (МПа√м) стального материала настоящего варианта осуществления, определенное при вышеописанных условиях, составило 30,0 МПа√м или больше.
[0100]
[Способ производства]
Способ для производства стального материала в соответствии с настоящим изобретением включает в себя процесс подготовки, процесс закалки и процесс отпуска. Процесс подготовки может включать в себя процесс подготовки исходного материала и процесс горячей обработки. В настоящем варианте осуществления способ для производства стальной трубы для нефтяной скважины будет описан в качестве одного примера способа для производства стального материала. Способ для производства стальной трубы для нефтяной скважины включает в себя процесс подготовки полой гильзы (процесс подготовки) и процесс подвергания этой полой гильзы закалке и отпуску для получения стальной трубы для нефтяной скважины (процесс закалки и процесс отпуска). Каждый из этих процессов подробно описывается ниже.
[0101]
[Процесс подготовки]
В процессе подготовки готовится промежуточный стальной материал, имеющий вышеупомянутый химический состав. Способ производства промежуточного стального материала особенно не ограничивается, если промежуточный стальной материал имеет вышеупомянутый химический состав. Используемый в настоящем документе термин «промежуточный стальной материал» относится к листовому стальному материалу в том случае, когда конечный продукт является стальным листом, и относится к полой гильзе в том случае, когда, конечный продукт является стальной трубой.
[0102]
Процесс подготовки может предпочтительно включать в себя процесс, в котором подготавливается исходный материал (процесс подготовки исходного материала), а также процесс, в котором исходный материал подвергается горячей обработке для получения промежуточного стального материала (процесс горячей обработки). Далее подробно описывается случай, в котором процесс подготовки включает в себя процесс подготовки исходного материала и процесс горячей обработки.
[0103]
[Процесс подготовки исходного материала]
В процессе подготовки исходного материала исходный материал производится с использованием расплавленной стали, имеющей вышеупомянутый химический состав. В частности, отливка (сляб, блюм или заготовка) производится с помощью процесса непрерывной разливки с использованием расплавленной стали. Слиток также может быть произведен с помощью процесса изготовления слитка металла с использованием расплавленной стали. По мере необходимости сляб, блюм или слиток могут быть прокатаны для того, чтобы произвести заготовку. Исходный материал (сляб, блюм или заготовка) производится с помощью вышеописанного процесса.
[0104]
[Процесс горячей обработки]
В процессе горячей обработки подготовленный исходный материал подвергается горячей обработке для того, чтобы произвести промежуточный стальной материал. В том случае, когда стальной материал является стальной трубой, промежуточный стальной материал соответствует полой гильзе. Сначала заготовка нагревается в нагревательной печи. Хотя температура нагрева особенно не ограничивается, она находится, например, в диапазоне 1100-1300°C. Заготовка, извлеченная из нагревательной печи, подвергается горячей обработке для того, чтобы произвести полую гильзу (бесшовную стальную трубу). Например, прошивная прокатка (процесс Маннесмана) выполняется в качестве горячей обработки для того, чтобы произвести полую гильзу. В этом случае круглая заготовка прошивается и прокатывается на прошивном стане. При выполнении прошивной прокатки, хотя отношение прошивки особенно не ограничивается, оно находится, например, внутри диапазона 1-4. Круглая заготовка, которая подверглась прошивной прокатке, дополнительно подвергается горячей прокатке для формирования полой гильзы на непрерывном трубопрокатном стане, обжимном стане, калибровочном стане и т.п. Кумулятивное обжатие в этом процессе горячей обработки составляет, например, 20-70%.
[0105]
Полая гильза также может быть произведена из заготовки с помощью другого способа горячей обработки. Например, в случае короткой толстостенной стальной трубы для нефтяных скважин, такой как соединение, полая гильза может быть произведена с помощью ковки. Полая гильза, имеющая толщину стенки 9-60 мм, производится с помощью вышеописанного процесса.
[0106]
Полая гильза, произведенная с помощью горячей обработки, может охлаждаться воздухом (в состоянии после прокатки). Стальная труба, произведенная с помощью горячей обработки, также может быть подвергнута прямой закалке после горячей прокатки без охлаждения до обычной температуры, или может быть подвергнута закалке после выполнения вспомогательного нагревания (подогрева) после горячей прокатки. Однако в случае выполнения прямой закалки или закалки после вспомогательного нагревания предпочтительно останавливать охлаждение посреди процесса закалки и выполнять медленное охлаждение с целью подавления растрескивания при закалке.
[0107]
В том случае, когда прямая закалка выполняется после горячей прокатки, или закалка выполняется после вспомогательного нагревания после горячей прокатки с целью снятия остаточных напряжений, предпочтительно выполнять обработку для снятия напряжений (обработку SR) после закалки и перед термической обработкой следующего процесса. Процесс закалки подробно описывается ниже.
[0108]
3
В процессе закалки подготовленный промежуточный стальной материал подвергается закалке. В данном описании термин «закалка» означает быстрое охлаждение промежуточного стального материала, который имеет температуру не ниже, чем точка A. Температура закалки предпочтительно составляет от 800°C до 1000°C. В том случае, когда прямая закалка выполняется после горячей обработки, температура закалки соответствует температуре поверхности промежуточного стального материала, которая измеряется термометром, расположенным на выходной стороне устройства, которое выполняет окончательную горячую обработку. Кроме того, в том случае, когда закалка выполняется после вспомогательного нагревания после горячей обработки, температура закалки соответствует температуре печи, которая выполняет вспомогательное нагревание.
[0109]
Способ закалки, например, непрерывно охлаждает полую гильзу от температуры начала закалки и непрерывно уменьшает температуру поверхности полой гильзы. Способ выполнения непрерывного охлаждения особенно не ограничивается. Способ выполнения непрерывного охлаждения является, например, способом, который охлаждает полую гильзу путем ее погружения в водяную баню, или способом, который охлаждает полую гильзу ускоренным образом путем охлаждения поливом водой или охлаждения туманом.
[0110]
Если скорость охлаждения во время закалки является слишком медленной, микроструктура не становится преимущественно состоящей из мартенсита и бейнита, и механическое свойство, определенное в настоящей патентной заявке, не получается. Следовательно, скорость охлаждения во время закалки (средняя скорость охлаждения от 800 до 500°С) составляет 300°С/мин или больше. Предпочтительный нижний предел скорости охлаждения во время закалки составляет 450°C/мин, и более предпочтительно 600°C/мин.
[0111]
Предпочтительно закалка выполняется после выполнения нагревания полой гильзы в аустенитной зоне множество раз. В этом случае стойкость стального материала к сульфидному растрескиванию под напряжением увеличивается, потому что аустенитные зерна измельчаются перед закалкой. Нагревание в аустенитной зоне может быть повторено множество раз путем многократного выполнения закалки, или нагревание в аустенитной зоне может быть повторено множество раз путем выполнения нормализации и закалки. Далее будет подробно описан процесс отпуска.
[0112]
[Процесс отпуска]
Процесс отпуска выполняется путем подвергания промежуточного стального материала отпуску после выполнения вышеупомянутой закалки. Температура отпуска подходящим образом регулируется в соответствии с химическим составом стального материала и значением YS, которое должно быть получено. Другими словами, температура отпуска промежуточного стального материала (полой гильзы), имеющего химический состав в соответствии с настоящим вариантом осуществления, регулируется так, чтобы его значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi).
[0113]
c1
Предпочтительная температура отпуска находится в диапазоне от 670°C до точки A. Если температура отпуска составляет 670°C или больше, карбиды сфероидизируются в достаточной степени, и стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением дополнительно увеличивается.
[0114]
Если время выдержки при отпуске (время отпуска) является слишком коротким, количество растворенного C становится чрезмерным, потому что не происходит выделения карбидов. Даже если время отпуска является слишком долгим, эффект от растворения С насыщается. Следовательно, для того, чтобы управлять количеством растворенного C так, чтобы оно находилось внутри подходящего диапазона, время отпуска должно находиться внутри диапазона 10-180 мин. Предпочтительный нижний предел времени отпуска составляет 15 мин. Следует отметить, что в том случае, когда стальной материал является стальной трубой, изменения температуры стальной трубы могут происходить во время выдержки при отпуске. Поэтому в том случае, когда стальной материал является стальной трубой, время отпуска предпочтительно устанавливается внутри диапазона 15-180 мин.
[0115]
Традиционно охлаждение после отпуска является неуправляемым. Однако если скорость охлаждения будет медленной, то почти весь растворенный C будет повторно выделяться при понижении температуры. Другими словами, количество растворенного C будет приблизительно равно 0 мас.%. Следовательно, в настоящем варианте осуществления охлаждение после отпуска является ускоренным. За счет этого получается количество растворенного C в соответствии с настоящим изобретением.
[0116]
Способ охлаждения представляет собой, например, способ, который осуществляет принудительное охлаждение полой гильзы непрерывно от температуры отпуска, чтобы тем самым непрерывно снижать температуру поверхности стального материала. Примеры такого типа непрерывной охлаждающей обработки включают в себя способ, который охлаждает полую гильзу погружением в водяную баню, а также способ, который охлаждает промежуточный стальной материал ускоренным образом путем охлаждения поливом водой, охлаждения туманом или принудительного воздушного охлаждения.
[0117]
Скорость охлаждения после отпуска измеряется в области, которая наиболее медленно охлаждается внутри поперечного сечения отпускаемого промежуточного стального материала (например, в случае принудительного охлаждения обеих поверхностей скорость охлаждения измеряется в центральной части толщины промежуточного стального материала). Температурная область от 600°C до 200°C является температурной областью, в которой диффузия C является сравнительно быстрой. Следовательно средняя скорость охлаждения в температурной области от 600°C до 200°C составляет 5°C/с или больше. Предпочтительный нижний предел скорости охлаждения после отпуска составляет 10°C/с, и более предпочтительно 15°C/с.
[0118]
С другой стороны, если скорость охлаждения после отпуска будет слишком быстрой, будет выделяться очень мало C, растворившегося в результате выдержки во время отпуска. В результате в некоторых случаях количество растворенного C будет чрезмерным. В таком случае стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением, наоборот, уменьшается. Следовательно, скорость охлаждения после отпуска составляет не больше чем 100°C/с. Предпочтительный верхний предел скорости охлаждения после отпуска составляет 50°C/с, и более предпочтительно 40°C/с.
[0119]
Способ производства стальной трубы был описан как один пример вышеупомянутого способа производства. Однако стальной материал по настоящему изобретению может иметь форму стального листа или другую форму. Способ производства стального листа или стального материала другой формы также включает в себя процесс подготовки, процесс закалки и процесс отпуска, аналогично описанному выше способу производства.
ПРИМЕРЫ
[0120]
Было произведено по 180 кг расплавленных сталей, имеющих химические составы, показанные в Таблице 4.
[0121]
[Таблица 4]
ТАБЛИЦА 4
№ теста
Химический состав (в мас.%; остаток - Fe и примеси)
C
Si
Mn
P
S
Al
Cr
Mo
Ti
B
N
O
V
Nb
Ca
Mg
Zr
Co
W
Ni
Cu
1
0,26
0,31
0,42
0,007
0,0007
0,055
0,49
0,68
0,014
0,0013
0,003
0,0007
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
0,27
0,29
0,46
0,007
0,0015
0,053
0,48
0,68
0,016
0,0011
0,004
0,0008
0,10
-
-
-
-
-
-
-
-
3
0,28
0,31
0,46
0,008
0,0013
0,051
1,05
0,67
0,014
0,0013
0,003
0,0008
0,10
0,012
-
-
-
-
-
-
-
4
0,27
0,30
0,43
0,009
0,0006
0,026
1,04
0,68
0,014
0,0013
0,003
0,0010
0,09
0,015
0,0008
-
-
-
-
-
-
5
0,26
0,31
0,44
0,007
0,0005
0,041
0,50
0,71
0,013
0,0014
0,003
0,0013
0,10
0,012
0,0016
0,0005
-
-
-
-
-
6
0,26
0,29
0,45
0,010
0,0010
0,056
0,48
0,70
0,018
0,0013
0,004
0,0016
0,10
0,011
0,0012
-
0,0008
-
-
-
-
7
0,27
0,23
0,41
0,006
0,0011
0,037
1,01
0,80
0,014
0,0013
0,005
0,0006
0,09
0,026
-
-
-
0,35
-
-
-
8
0,26
0,27
0,43
0,007
0,0010
0,029
0,99
0,85
0,013
0,0013
0,003
0,0007
0,09
0,026
-
-
-
-
0,38
-
-
9
0,28
0,26
0,42
0,010
0,0009
0,035
0,53
0,69
0,007
0,0012
0,003
0,0011
0,10
0,029
-
-
-
-
-
0,15
0,15
10
0,27
0,26
0,44
0,012
0,0010
0,036
0,53
1,25
0,007
0,0012
0,004
0,0010
0,10
0,018
0,0013
-
-
0,38
-
-
-
11
0,27
0,26
0,44
0,012
0,0010
0,036
0,65
0,70
0,007
0,0012
0,003
0,0013
0,10
0,030
-
-
-
0,33
0,25
-
-
12
0,26
0,26
0,44
0,010
0,0010
0,036
1,35
0,85
0,007
0,0012
0,004
0,0012
0,10
0,031
0,0008
0,0005
-
-
-
0,03
0,03
13
0,30
0,24
0,41
0,001
0,0004
0,039
1,10
0,69
0,010
0,0005
0,002
0,0012
0,10
0,017
0,0015
-
-
-
-
-
-
14
0,26
0,26
0,43
0,011
0,0008
0,035
1,00
0,69
0,006
0,0011
0,004
0,0010
-
-
-
-
-
-
-
-
-
15
0,26
0,29
0,40
0,010
0,0007
0,031
1,10
0,80
0,015
0,0005
0,003
0,0012
0,10
0,014
0,0016
-
-
-
-
-
-
16
0,29
0,26
0,40
0,006
0,0010
0,030
0,68
0,88
0,015
0,0015
0,008
0,0017
0,10
0,012
0,0022
-
-
-
-
-
-
17
0,29
0,31
0,47
0,005
0,0004
0,038
1,00
1,10
0,018
0,0026
0,005
0,0015
0,10
0,012
0,0021
-
-
-
-
-
-
18
0,28
0,29
0,40
0,009
0,0006
0,032
0,20
0,85
0,015
0,0001
0,003
0,0013
0,10
0,014
-
-
-
-
-
-
-
19
0,29
0,28
0,44
0,011
0,0006
0,037
1,30
0,20
0,006
0,0013
0,005
0,0010
0,05
0,026
0,0016
-
-
-
-
-
-
20
0,27
0,28
1,30
0,011
0,0010
0,036
0,52
0,56
0,006
0,0013
0,004
0,0014
0,09
0,026
0,0016
-
-
-
-
-
-
21
0,28
0,28
0,44
0,011
0,0011
0,033
0,51
0,88
0,027
0,0014
0,015
0,0015
0,09
0,026
0,0015
-
-
-
-
-
-
22
0,28
0,75
0,44
0,011
0,0009
0,034
0,52
0,98
0,027
0,0014
0,005
0,0018
0,09
0,026
0,0015
-
-
-
-
-
-
23
0,28
0,28
0,44
0,010
0,0008
0,036
0,51
1,05
0,006
0,0013
0,005
0,0012
0,09
0,026
0,0015
-
-
-
-
-
-
[0122]
Из этих расплавленных сталей были произведены слитки. Эти слитки были подвергнуты горячей прокатке для того, чтобы получить стальные листы, имеющие толщину 20 мм.
[0123]
После горячей прокатки стальной лист каждого теста охлаждался естественным образом для доведения температуры стального листа до нормальной температуры (25°C).
[0124]
После охлаждения стальные листы были повторно нагреты, чтобы довести температуру стального листа до температуры закалки (920°C, которая находится в однофазной аустенитной зоне), и выдерживались в течение 20 мин. После выдержки стальные листы погружались в водяную баню и закалялись. При этом средняя скорость охлаждения от 800°C до 500°C составляла 900°C/мин. Что касается теста № 23, после выдержки при температуре закалки стальной лист охлаждался погружением в масляную баню. При этом средняя скорость охлаждения от 800°C до 500°C составляла 180°C/мин.
[0125]
c1
c1
После закалки соответствующие стальные листы были подвергнуты отпуску. При отпуске температура отпуска регулировалась так, чтобы стальные листы соответствовали сорту 125 ksi, как определено в стандартах API (предел текучести от 862 до менее чем 965 МПа). После выполнения термической обработки при соответствующих температурах отпуска стальные листы были охлаждены. Охлаждение выполнялось путем регулируемого охлаждения водяным туманом с обеих сторон стального листа. Следует отметить, что оболочечная термопара типа K заранее вставлялась в центральную часть толщины стального листа, и температура измерялась как при отпуске, так и при последующем охлаждении. Температура отпуска (°C) и время отпуска (мин), а также средняя скорость последующего охлаждения от 600°C до 200°C, то есть скорость охлаждения (°C/с) после отпуска, показаны в Таблице 5. Следует отметить, что, точка A стального материала в каждом из тестов 1-23 была равна 750°C, и температура отпуска устанавливалась так, чтобы она была более низкой, чем точка A.
[0126]
[Таблица 5]
ТАБЛИЦА 5
№ теста
Температура отпуска (°C)
Продолжительность отпуска(мин)
Скорость охлаждения после отпуска (°C/с)
YS(МПа)
TS(МПа)
YR(%)
Количество растворенного C (мас.%)
K<sub>1SSC</sub>(мПа√м)
1
2
3
Среднее значение
1
690
15
25
869
928
93,6
0,037
30,8
32,8
34,2
32,6
2
690
15
10
875
938
93,3
0,029
35,2
32,5
32,8
33,5
3
680
40
10
890
950
93,7
0,027
30,4
31,5
31,5
31,1
4
680
40
5
895
953
93,9
0,023
30,7
30,8
31,5
31,0
5
690
30
10
905
955
94,8
0,028
31,7
33,5
31,2
32,1
6
680
35
10
895
960
93,2
0,026
32,6
33,2
32,0
32,6
7
680
35
35
915
975
93,8
0,038
33,5
33,5
35,2
34,1
8
680
35
35
905
970
93,3
0,038
31,3
33,1
32,6
32,3
9
680
60
35
865
925
93,5
0,031
30,4
32,1
33,6
32,0
10
680
30
15
923
980
94,2
0,029
35,0
37,2
37,5
36,6
11
680
30
10
915
992
92,2
0,021
35,8
36,7
36,2
36,2
12
680
30
10
888
945
94,0
0,015
31,5
32,3
33,6
32,5
13
680
60
25
883
933
94,6
0,047
33,6
35,9
35,8
35,1
14
680
30
2
895
950
94,2
0,006
24,5
26,5
26,7
25,9
15
680
40
2
900
955
94,2
0,002
26,2
20,7
22,7
23,2
16
690
5
10
910
968
94,0
0,065
23,2
22,6
24,5
23,4
17
680
10
600
895
973
92,0
0,064
23,5
24,5
25,0
24,3
18
690
30
15
905
965
93,8
0,044
26,0
20,5
23,0
23,2
19
690
30
25
900
960
93,8
0,040
20,0
22,0
23,7
21,9
20
690
30
5
882
934
94,4
0,011
19,5
20,5
21,7
20,6
21
690
30
25
880
945
93,1
0,033
25,3
25,8
27,2
26,1
22
690
30
15
882
934
94,4
0,033
22,3
25,2
20,8
22,8
23
690
10
15
865
1005
86,1
0,022
26,5
20,3
21,5
22,8
[0127]
[Результаты оценки]
[Тесты YS и TS]
Испытание на разрыв выполнялось в соответствии со стандартом ASTM E8. Образцы для испытания на разрыв в виде стержней круглого сечения, имеющих диаметр 6,35 мм и длину параллельной части 35 мм, были приготовлены из центральной части толщины каждого стального листа после описанных выше закалки и отпуска. Осевое направление каждого из образцов для испытания на разрыв было параллельным направлению прокатки стального листа. Испытание на разрыв выполнялось в атмосфере при нормальной температуре (25°C) для каждого тестового образца, и были получены значения YS (МПа) и TS (МПа) в соответствующих положениях. Следует отметить, что в настоящих примерах напряжение при удлинении на 0,65%, получаемое при испытании на разрыв, определялось как значение YS для каждого теста. Кроме того, максимальное напряжение во время равномерного удлинения бралось в качестве значения TS. Отношение между значениями YS и TS принималось в качестве значения YR (%).
[0128]
[Тест определения микроструктуры]
Для всех микроструктур настоящих вариантов осуществления, кроме Теста № 23, поскольку значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, было определено, что сумма объемных долей мартенсита отпуска и отпущенного бейнита составляла 90% или больше. В случае Теста № 23 считается, что образовывался феррит.
[0129]
[Тест измерения количества растворенного C]
Количество растворенного C (мас.%) измерялось и вычислялось с помощью описанного выше способа измерения. Следует отметить, что в качестве TEM использовался прибор JEM-2010 производства компании JEOL Ltd., ускоряющее напряжение было установлено равным 200 кВ, а для точечного анализа EDS ток облучения составлял 2,56 нА, и измерение выполнялось в течение 60 с в каждой точке. Области наблюдения с помощью TEM имели размер 8 мкм × 8 мкм, и наблюдение выполнялось в произвольных 10 полях зрения. Остаточные количества каждого элемента и концентрации каждого элемента в цементите, которые использовались для вычисления количества растворенного C, показаны в Таблице 6.
[0130]
[Таблица 6]
ТАБЛИЦА 6
№ теста
Остаточное количество(мас.%)
Концентрация в цементите (мас.%)
Количество растворенного C (мас.%)
Fe
Cr
Mn
Mo
V
Nb
Fe
Cr
Mn
Mo
1
2,5
0,23
0,10
0,24
-
-
88,6
4,1
2,6
4,7
0,037
2
2,4
0,23
0,13
0,28
0,080
-
82,6
7,5
3,8
5,0
0,029
3
2,5
0,51
0,10
0,19
0,069
0,012
76,3
14,6
2,8
5,0
0,027
4
2,4
0,51
0,09
0,20
0,069
0,015
76,3
14,5
3,0
5,1
0,023
5
2,3
0,22
0,10
0,28
0,078
0,012
85,2
5,6
2,9
5,0
0,028
6
2,3
0,21
0,11
0,29
0,076
0,011
87,8
3,7
3,0
4,8
0,026
7
2,2
0,47
0,09
0,22
0,067
0,026
79,8
10,7
2,5
6,0
0,038
8
2,1
0,45
0,09
0,20
0,060
0,026
76,7
14,6
2,6
5,0
0,038
9
2,5
0,23
0,11
0,28
0,082
0,029
82,3
8,1
2,8
5,5
0,031
10
2,5
0,23
0,10
0,28
0,070
0,018
81,4
7,7
2,9
6,8
0,029
11
2,5
0,22
0,11
0,29
0,079
0,030
80,2
10,8
2,9
5,5
0,021
12
2,4
0,22
0,11
0,28
0,083
0,031
70,4
20,9
2,5
4,5
0,015
13
2,4
0,50
0,11
0,21
0,071
0,017
84,7
6,8
2,6
5,0
0,047
14
2,7
0,51
0,11
0,20
-
-
85,9
7,2
2,9
4,0
0,006
15
2,5
0,51
0,11
0,21
0,072
0,014
77,6
15,0
2,2
4,8
0,002
16
2,4
0,26
0,11
0,16
0,050
0,026
88,7
4,2
3,0
3,7
0,065
17
2,2
0,46
0,09
0,20
0,065
0,012
79,9
10,0
3,3
6,3
0,064
18
2,6
0,15
0,09
0,20
0,073
0,014
90,1
2,0
2,5
5,0
0,044
19
2,6
0,50
0,10
0,10
0,030
0,026
77,5
17,0
3,2
1,8
0,040
20
2,3
0,60
0,20
0,29
0,070
0,026
80,5
6,8
5,0
6,9
0,011
21
2,4
0,51
0,10
0,20
0,068
0,026
83,2
7,0
3,0
6,0
0,033
22
2,3
0,51
0,10
0,20
0,080
0,026
85,3
8,0
1,5
4,5
0,033
23
2,5
0,52
0,11
0,21
0,070
0,026
83,3
7,3
3,0
5,6
0,022
[0131]
[Тест DCB]
Для каждого стального листа тест DCB выполнялся в соответствии со «Способом D» стандарта NACE TM0177-2005, и оценивалась стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. В частности, три тестовых образца DCB, проиллюстрированные на Фиг. 3A, были взяты из центральной части толщины стенки каждого стального листа. Фиг. 3A показывает вид сбоку и поперечное сечение тестового образца DCB. Тестовые образцы DCB брались таким образом, что продольное направление каждого тестового образца DCB было параллельным направлению прокатки. Клин, проиллюстрированный на Фиг. 3B, был дополнительно подготовлен из каждого стального листа. Фиг. 3B представляет собой вид этого клина в перспективе. Толщина t клина составляла 3,10 мм.
[0132]
2
2
Этот клин вводился в разрез между плечами тестового образца DCB. После этого тестовый образец DCB с введенным клином помещался в контейнер. Жидкий раствор, полученный путем смешивания дегазированного 5%-го соляного раствора и 4 г/л уксуснокислого натрия и доведенный до значения pH 3,5 с помощью соляной кислоты, заливался в этот контейнер так, чтобы он был не полностью заполнен. После этого газовая смесь из 10% HS и 90% CO заряжалась при полном давлении 1 атм в автоклав для перемешивания жидкой фазы, и эта газовая смесь насыщалась в жидком растворе.
[0133]
После герметизации контейнера, подвергнутого вышеописанному процессу, контейнер выдерживался в течение трех недель при 24°C с постоянным перемешиванием жидкого раствора и непрерывным продуванием вышеупомянутой газовой смеси. После этого тестовые образцы DCB были вынуты из контейнера.
[0134]
1SSC
Штифт вставлялся в отверстие, сформированное в концах плеч каждого тестового образца DCB, и часть разреза открывалась с помощью машины для испытания на растяжение, и измерялось напряжение Р для освобождения клина. В дополнение к этому, разрез в тестовом образце DCB освобождался в жидком азоте, и измерялась длина «a» распространения трещины относительно распространения трещины во время погружения. Длина «a» распространения трещины измерялась визуально с использованием штангенциркуля с нониусом. Значение вязкости разрушения K (МПа√м) определялось с использованием Формулы (6) на основе полученного напряжения P освобождения клина и длины «a» распространения трещины.
[0135]
[0136]
В Формуле (6) h обозначает высоту (мм) каждого плеча тестового образца DCB, B обозначает толщину (мм) тестового образца DCB, и Bn обозначает толщину перемычки (мм) тестового образца DCB. Эти параметры определены в «Способе D» стандарта NACE TM0177-96.
[0137]
ISSC
ISSC
ISSC
ISSC
ISSC
Для каждого теста были определены значения вязкости разрушения K (МПа√м) трех тестовых образцов DCB. Для каждого теста среднее значение вязкости разрушения этих трех тестовых образцов DCB было определено как значение вязкости разрушения K (МПа√м) соответствующего теста. Полученные значения вязкости разрушения K показаны в Таблице 5. Если значение вязкости разрушения K, которое было определено как описано выше, составляло 30,0 МПа√м или больше, считалось, что стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением является хорошей. Следует отметить, что зазор между плечами, когда клин вводится перед погружением в тестовую ванну, влияет на значение K. Соответственно, реальные измерения зазора между плечами выполнялись заранее с использованием микрометра, и было также подтверждено, что зазор находится внутри диапазона, указанного в стандартах API.
[0138]
[Результаты теста]
Результаты теста показаны в Таблице 5.
[0139]
ISSC
Что касается Таблицы 4 и Таблицы 5, химические составы стальных листов Тестов №№ 1-13 были подходящими, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше. В дополнение к этому, количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%. В результате значение K составило 30,0 МПа√м или больше, и была показана превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением.
[0140]
ISSC
С другой стороны, для стальных листов Тестов №№ 14 и 15, хотя химические составы были подходящими, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, скорость охлаждения после отпуска была слишком медленной. Следовательно, количество растворенного C было меньше чем 0,010 мас.%. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0141]
ISSC
Для стального листа Теста № 16, хотя химический состав был подходящим, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, время отпуска было слишком коротким. Следовательно, количество растворенного C было больше чем 0,050 мас.%. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0142]
ISSC
Для стального листа Теста № 17, хотя химический состав был подходящим, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, скорость охлаждения после отпуска была слишком быстрой. Следовательно, количество растворенного C было больше чем 0,050 мас.%. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0143]
ISSC
Для стального листа Теста № 18, хотя количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, содержание Cr было слишком низким. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0144]
ISSC
Для стального листа Теста № 19, хотя количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, содержание Mo было слишком низким. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0145]
ISSC
Для стального листа Теста № 20, хотя количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, содержание Mn было слишком высоким. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0146]
ISSC
Для стального листа Теста № 21, хотя количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, содержание N было слишком высоким. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0147]
ISSC
Для стального листа Теста № 22, хотя количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), а значение YR составляло 90% или больше, содержание Si было слишком высоким. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена.
[0148]
ISSC
Для стального листа Теста № 23, хотя химический состав был подходящим, количество растворенного C находилось в диапазоне 0,010-0,050 мас.%, и значение YS находилось в диапазоне от 862 до менее чем 965 МПа (от 125 до менее чем 140 ksi), значение YR было меньше чем 90%. В результате значение вязкости разрушения K было меньше чем 30,0 МПа√м, и превосходная стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением не была проявлена. Считается, что причина заключалась в том, что феррит образовывался в микроструктуре, поскольку скорость охлаждения после закалки была низкой.
[0149]
Один вариант осуществления настоящего изобретения был описан выше. Однако вышеописанный вариант осуществления является просто примером для осуществления настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается вышеописанным вариантом осуществления, и вышеописанный вариант осуществления может быть подходящим образом модифицирован внутри диапазона, который не отклоняется от сути настоящего изобретения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0150]
Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением является широко применимым к стальным материалам, предназначенным для использования в кислой среде, и предпочтительно может использоваться в качестве стального материала для нефтяных скважин, который используется в среде нефтяных скважин, и еще более предпочтительно может быть использован в качестве стальных труб для нефтяных скважин, таких как обсадные трубы, насосно-компрессорные трубы и магистральные трубы.