ХОЛОДНОКАТАНАЯ ПРОВОЛОКА ИЗ СТАЛИ С ВЫСОКОЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ И С ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ВОДОРОДНОМУ ОХРУПЧИВАНИЮ И УСИЛЕННЫЕ ЕЮ ГИБКИЕ ТРУБОПРОВОДЫ
STEEL COLD-ROLLED WIRE WITH HIGH ENDURANCE STRENGTH AND HIGH RESISTANCE TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT AND FLEXIBLE PIPELINES REINFORCED THEREWITH

Изобретение относится к области металлургии, предназначенной для нефтедобычи, осуществляемой на море. В частности, изобретение относится к стальной проволоке, применяемой в качестве упрочняющих или структурных элементов глубоководных комплектующих элементов или устройств, таких, как гибкие морские трубы для перемещения газообразных или жидких углеводородов.
2
Как известно, первым требованием к проволоке такого типа является, помимо высоких механических свойств, хорошая стойкость к водородному охрупчиванию в серной, кислой среде, в частности, такой как HS, присутствующей в транспортируемых текучих средах и углеводородах.
Сегодня коммерческим предложением в отношении стальной проволоки для морского использования предусматриваются преимущественно слабо легированные сорта стали с пределом прочности на разрыв Rm около 800 МПа.
2
Для производства такой холоднокатаной проволоки применяются, как известно, марганцовистые стали с содержанием 0,15-0,80 вес. % углерода, начальная микроструктура которых является перлитно-ферритной. После получения катанки первоначально круглого сечения проводят соответствующую термообработку для снятия внутренних напряжений и получения необходимой твердости. Однако холоднокатаная проволока, производимая такими традиционными способами, не обладает прочностью в условиях относительно высокой кислотности на больших глубинах, обусловленной высоким содержанием HS в транспортируемом углеводороде.
2
2
Кроме того в настоящее время морские гибкие трубопроводы должны применяться на более значительных глубинах погружения, что делает необходимым увеличение механической прочности на разрыв свыше 800 МПа и усталостной прочности при коррозии, вызываемой присутствием HS и СО.
Кроме того рыночные требования все более ужесточаются в отношении цен, что соответственно затрудняет обычное применение благородных легирующих элементов, таких, как хром, ниобий и др., или продолжительных или многочисленных и, следовательно, дорогостоящих этапов обработки, особенно в том случае, когда они проводятся в горячем виде.
2
2
2
Следовательно, задачей изобретения является создание стальной проволоки с очень высокой стойкостью к водородному охрупчиванию в кислой среде (типа HS) и с очень высокой коррозионной усталостной прочностью (СО+HS) для удовлетворения новых запросов рынка нефти и газа, в частности за счет применения стали со слабо легированным составом.
2
В частности, требуется предупредить внутреннее растрескивание после испытаний под напряжением в течение 30 суток при рН 4,1 в среде с содержанием HS 5 мбар и даже более (сопротивление водородному охрупчиванию).
2
2
Также требуется исключить усталостное разрушение после 2 миллионов циклов испытания на изгиб при знакопеременной нагрузке от +100 МПа до +600 МПа в коррозионной среде с содержанием СО и HS. Более предпочтительно требуется исключить усталостное разрушение при испытании до 4 миллионов циклов (коррозионная усталостная прочность).
Помимо таких эксплуатационных свойств проволоки требуются также хорошие механические свойства, в частности, механическая прочность на разрыв Rm от 800 до 1300 МПа и пластичность А, превышающая или равная 10% для упрощения операций по формообразованию.
Поэтому предметом изобретения является проволока по пункту 1 формулы изобретения. Проволока может также характеризоваться признаками пунктов 2-5 формулы, взятыми раздельно или в сочетании.
Также предметом изобретения является способ по п. 6 формулы изобретения. Способ может также характеризоваться признаками пунктов 7-11 формулы изобретения, взятыми раздельно или в сочетании.
Кроме того, предметом изобретения является гибкий трубопровод по п. 12 формулы изобретения.
Согласно изобретению сорт стали, применяемый для проволоки согласно изобретению, содержит (в вес. %):
0,2≤С%≤0,6
0,5≤Мn%≤1,0
0,1≤Si≤0,5%
0,2≤Сr≤1,0%
Р≤0,020%
S≤0,015%
N≤0,010%
и при необходимости не более 0,07% Аl, не более 0,2% Ni, не более 0,1% Мо и не более 0,1% Сu.
Содержание углерода составляет от 0,2 до 0,6 вес. %. Низкий показатель позволяет получать достаточную твердость после термообработки. Максимальное содержание ограничено величиной 0,6% для обеспечения достаточной пластичности при холодной деформации в процессе производства проволоки.
Содержание марганца составляет от 0,5 до 1,0 вес. %. Низкий показатель гарантирует получение преимущественно требуемой бейнитной микроструктуры. Максимальное содержание ограничено величиной 1,0% для предупреждения образования трудно деформируемых фаз, таких как мартенсит.
Содержание кремния составляет от 0,1 до 0,5 вес. %. Низкий показатель кремния в сочетании с низким показателем хрома гарантирует получение микроструктуры согласно изобретению по всему сечению фасонной проволоки. Максимальное содержание ограничено величиной 0,5% для исключения образования мартенсита во время термообработки, поскольку эта фаза впоследствии не деформируется.
Содержание хрома составляет 0,2-1,0 вес. %. Низкий показатель хрома в сочетании с низким показателем кремния гарантирует получение микроструктуры согласно изобретению по всему сечению фасонной проволоки. Максимальное содержание ограничено величиной 1,0% для исключения образования мартенсита при термообработке.
Содержание фосфора ограничено величиной 0,020 вес. % для ограничения ликваций, неблагоприятно воздействующих на водородную охрупчивость и усталостную стойкость.
Содержание серы ограничено величиной 0,015 вес. % для ограничения содержания включений, неблагоприятных для усталостной стойкости и водородного охрупчивания.
Содержание азота ограничено величиной 0,010 вес .% для ограничения содержания нитридов, неблагоприятных для усталостной прочности.
Сталь этого сорта может также содержать до 0,07% Аl, до 0,2% Ni, до 0,1% Ni, до 0,1% Мо и до 0,1% Сu. Содержание этих элементов стараются ограничить, поскольку при термообработке они сразу проявляют дисперсные свойства.
Другим важным элементом проволоки согласно изобретению является то, что в микроструктуре стали содержится бейнит. Также в ней может содержаться игольчатый феррит в количестве 35% от поверхности. Также может присутствовать, как правило, пластинчатый перлит в количестве до 15% от поверхности, предпочтительно до 10% от поверхности, более предпочтительно полное его отсутствие в микроструктуре, так как его присутствие не обязательно.
Требуемая микроструктура может быть, следовательно, бейнитной или бейнитно-ферритной, при этом сумма фаз бейнита и игольчатого феррита превышает предпочтительно 50% от поверхности, более предпочтительно 70% от поверхности, наиболее предпочтительно 90% от поверхности, даже составляет 100% от поверхности.
Помимо перлита, количество которого ограничено, стараются также исключить присутствие мартенсита, который не позволяет изготовить проволоку согласно изобретению.
Холоднокатаная проволока (именуемая иногда фасонной) согласно изобретению может производиться любого сечения с учетом ее конечного назначения. В частности, она может иметь круглое поперечное сечение, получаемое, как правило, простым волочением катанки более крупного диаметра.
Также проволока может иметь прямоугольное, уплощенное или профильное в виде U, Z или Т и пр. сечение, при котором требуется, как правило, сочетать волочение с прокаткой. Такие имеющие более сложную форму сечения позволяют разным видам проволоки заходить одна в другую своими кромками или скрепляться для образования шарнирных арматурных сеток.
В частности, проволока предназначена для применения при разработке «морского» нефтяного месторождения для образования арматурной, бандажной или сводовой, проволоки, входящей в структуру нефтепроводов и других гибких трубопроводов. Холоднокатаная стальная проволока применяется в нефтепроводах между двумя экструдированными полимерными слоями, в так называемой «кольцевой» зоне. Проволока согласно изобретению может быть изготовлена любым подходящим способом, позволяющим получать требуемые эксплуатационные свойства. Однако предпочтительно применять способ согласно изобретению, включающий в себя следующие этапы:
- подача горячекатаной стальной катанки с диаметром более или равным 10 мм,
- термообработка этой катанки на аустенизацию при температуре свыше 950°С,
- охлаждение катанки посредством изотермической закалки при температуре от 350 до 600°С для получения структуры с содержанием по меньшей мере 50% бейнита, при необходимости, до 35% игольчатого феррита и до 15% перлита, затем конечное охлаждение до температуры окружающей среды при скорости охлаждения от 30°С до 100°С в секунду,
- механическая холодная обработка охлажденной катанки при общей степени нагартовки от 40 до 90%) для получения механической прочности на растяжение Rm не менее 800 МПа и
- при необходимости термообработка для снятия внутренних напряжений.
Кроме того способ согласно изобретению может характеризоваться следующими признаками, взятыми раздельно или в сочетании:
- термообработка катанки на аустенизацию может проводиться непрерывно предпочтительно в газовой или индукционной печи при предварительно размотанной проволоке,
- термообработка на аустенизацию проводится в течение 2-10 минут,
- охлаждение катанки производится изотермической закалкой в ванне расплава, предпочтительно расплава свинца или солей (смесь нитратов/нитритов натрия или калия) или же в псевдоожиженном слое тех же элементов, при этом продолжительность погружения составляет предпочтительно от 1 до 10 минут преимущественно с последующим охлаждением в воду,
- холодная механическая обработка содержит этап волочения с последующим этапом холодной прокатки, при этом волочение проводится предпочтительно для уменьшения сечения по меньшей мере на 15%, даже 20%, а холодная прокатка служит предпочтительно для снижения толщины по меньшей мере на 30%,
- холодная механическая обработка проводится для получения механической прочности на растяжение Rm, составляющей, по меньшей мере 1000 МПа, и сопровождается термообработкой для снятия внутренних напряжений так, чтобы механическая прочность на растяжение Rm не снизилась ниже 800, даже 850 или 900 МПа.
Операция по снятию внутренних напряжений позволяет, в частности, повысить стойкость проволоки к водородному охрупчиванию.
Для большей иллюстрации изобретения были проведены ориентировочные и не ограничивающие испытания.
Испытания
Испытания для оценки параметров проволоки согласно изобретению проводились при следующих условиях:
Водородное охрупчивание (испытание HIC & SSCC, стандарты NACE ТМ0177 и NACE ТМ0284)
2
2
Стальную проволоку погрузили в водный раствор с рН 4,1 и применили газовый барботаж с использованием СО и HS при 5 миллибарах при нагружении 650 МПа. Испытание длилось 30 суток, по истечении которых проволоку исследовали с помощью ультразвука для проверки на возможное присутствие внутренних трещин.
Усталостная прочность в коррозионной среде
2
2
Стальную проволоку погрузили в водный раствор с рН 5 и применили газовый барботаж с использованием CO и HS при 5 миллибарах и при знакопеременном нагружении изгибом от 100 до 500 МПа. Испытание прекратили в момент разрыва проволоки, количество циклов составило несколько миллионов.
Сначала была разработана серия сортов стали, химический состав которой в вес. % представлен в таблице 1.
Из сортов стали 1 - 3 затем изготовили традиционным способом горячекатаную круглую катанку диаметром 15 мм, которую смотали в бухту. На втором этапе провели аустенизацию размотанной проволоки при 1000°С в газовой печи в течение 6 минут.
После этого провели изотермическую закалку в ванне расплава свинца в течение 5 минут при 500°С для сортов стали 1 и 2 и при 410°С для сорта 3, затем охладили в воде для придания проволоке ферритно/бейнитной структуры. На фиг. 1 показано микрографическое изображение, на котором видны разные компоненты микроструктуры для стали сорта 1 (бейнит, игольчатый феррит и пластинчатый перлит), содержавшей менее 35% игольчатого феррита и менее 15% перлита. На фиг. 2 показано микрографическое изображение, на котором видны разные компоненты микроструктуры стали сорта 3, содержавшей 70% бейнита и 30% игольчатого феррита и пластинчатого перлита.
После этого проволоку протянули при обжатии по сечению 30% для получения круглой проволоки диаметром 12,54 мм и прокатали в холодном состоянии с уменьшением толщины на 50% с целью получения плоской проволоки с сечением 16 мм × 6,3 мм. Общая степень нагартовки, соответствующая процентному обжатию по сечению в конце этих обеих операций холодной обработки, составила в данном случае 57%. Затем проволоку подвергли обработке для снятия внутренних напряжений при температуре 600°С в течение 30 секунд.
После этого проволоку подвергли испытаниям для оценки эксплуатационных свойств, результаты которых приведены в таблице 2.
NR: не проводилось
Само собой разумеется, что изобретение не ограничивается описанными примерами и что оно включает в себя множество вариантов и эквивалентов.