Способ производства стального проката для изготовления гибких труб для колтюбинга (варианты)
METHOD FOR PRODUCTION OF ROLLED STEEL FOR THE MANUFACTURE OF FLEXIBLE PIPES FOR COILED TUBING (VARIANTS)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения проката стали, используемого для изготовления сварных непрерывных гибких труб для колтюбинговых установок.
Технология колтюбинга основана на использовании гибких непрерывных труб, которые заменяют традиционные сборные бурильные трубы при работах внутри скважин.
Способ изготовления гибких труб из малоуглеродистых и низколегированных сталей состоит в том, что из рулонов тонколистовой стали необходимой толщины вырезают непрерывные ленты, ширина которых соответствует длине окружности образующей готовой трубы. Затем непрерывные ленты сваривают в стык, швы зачищают и поверхность обрабатывают. Полученную стальную ленту направляют в трубопрокатный стан, где она проходит между валками, формирующими из нее трубу. Для соединения кромок последней применяют кузнечную сварку. Далее наружную поверхность трубы со стороны сварного шва зачищают и подвергают отпуску с последующим охлаждением. После этого трубу пропускают через калибровочный стан и подвергают термообработке, после которой готовую трубу наматывают на транспортную катушку или барабан колтюбинговой установки.  Колтюбинговая труба изготавливается в большинстве случаев, из стали, является длинномерной (до 5000 метров). Они наматывается на барабан, благодаря чему можно использовать ее многократно.
Основной причиной разрушения колтюбинговых труб из стали является образование микротрещин, что связано с усталостным характером разрушения (гибкие трубы подвергаются одновременно пластическому деформированию и действию внутреннего давления) и коррозионными процессами.
Образование микротрещин провоцируется местными неоднородностями стали, из которой изготовлена труба или сварной шов.
В связи с этим актуальным на данный момент является получение проката стали с оптимальными прочностными и деформационными характеристиками, такими как предел прочности, предел текучести и удлинение. Также к прокату для колтюбинговых труб предъявляются требования по коррозионной стойкости.
Из патента на изобретение RU 2712159 (приоритет 14.12.2017), известен горячекатаный стальной лист, используемый для изготовления непрерывных гибких труб (колтюбинга). Горячекатаный лист имеет состав, содержащий, мас.%: С более 0,10 до 0,16, Si 0,1-0,5, Mn 1,6-2,5, P 0,02 или менее, S 0,005 или менее, Al 0,01-0,07, Cr более 0,5 до 1,5, Cu 0,1-0,5, Ni 0,1-0,3, Мо 0,1-0,3, Nb 0,01-0,05, V 0,01-0,10, Ti от 0,005 до 0,05, N 0,005 или менее, остальное Fe и неизбежные примеси. Лист имеет микроструктуру, содержащую 3-20 об.% мартенсита, 10 об.% или менее остаточного аустенита, остальное представляет собой бейнит. Изготавливаемые горячекатаные листы обладают пределом текучести 600 МПа или более, пределом прочности на разрыв 950 МПа или более, равномерным относительным удлинением 7,0%. В изобретении используют стальной горячекатанный лист с высоким пределом текучести и с микроструктурой, в которой преобладает бейнит.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является техническое решение, охраняемое патентом RU 2710817 (приоритет 14.12.2017), принятое за прототип. Из патента известна стальная сварная труба для колтюбига, которая имеет следующий состав, в мас.%: С: от более, чем 0,10 до 0,16, Si: от 0,1 до 0,5, Mn: от 1,6 до 2,5, Р: 0,02 или менее, S: 0,005 или менее, Al: от 0,01 до 0,07, Cr: от более, чем 0,5 до 1,5, Cu: от 0,1 до 0,5, Ni: от 0,1 до 0,3, Мо: от 0,1 до 0,3, Nb: от 0,01 до 0,05, V: от 0,01 до 0,10, Ti: от 0,005 до 0,05, N: 0,005 или менее, Fe и неизбежные примеси – остальное. Труба обладает микроструктурой, содержащей от 2 до 10 об.% остаточного аустенита и 20 об.% или менее мартенсита, причем остаток представляет собой бейнит. Изготавливаемые трубы характеризуются пределом текучести, составляющим 896 МПа или более, равномерным относительным удлинением, составляющим 9,0% или более, и высоким сопротивлением малоцикловой усталости.
Однако вышеуказанные технические решения обладают следующими недостатками. Горячекатанный стальной прокат, из которых в дальнейшем производят гибкие трубы, обладает преимущественно бейнитной структурой, которая отрицательно влияющей на обрабатывание резанием. Технология получения гибких труб включает операции вырезанных из рулонов стали непрерывных лент, с последующим формированием в трубу и сваркой. А в случае плохой обрабатываемости резанием в местах срезов будут образовываться невидимые глазу дефекты, такие как грубый срез, повышенная шероховатость, заусенцы, микротрещины, что в дальнейшем может плохо сказаться на качестве гибких труб, так как неизбежно приведет к образованию дефектов, как в процессе получения гибких труб, следствием чего будет значительный процент выбраковки, так и к понижению сопротивления малоцикловой усталости и уменьшению срока службы гибких труб в процессе их использования. Заявленное изобретение решает эту проблему.
Таким образом, стальной прокат, используемый для изготовления непрерывных гибких труб, наряду с повышенными пределами текучести и прочности на разрыв, равномерным относительным удлинением, коррозионной стойкостью, должен также обладать хорошими характеристиками после обрабатывания резанием.
Задачей заявленного изобретения является получение стального проката с высокими значениями механических характеристик: предела текучести, предела прочности на разрыв, равномерного относительного удлинения, а также обладающего коррозионной стойкостью и высоким качеством поверхности среза после обработки резаньем (роспуска полосы).
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.
По одному варианту заявленное изобретение заключается в способе производства стального проката для изготовления гибких труб для колтюбинга, включающем выплавку стали в сталеплавильном агрегате, внепечную обработку стали, разливку, нагрев под прокатку, горячую прокатку, смотку полосы в рулон, при этом, согласно изобретению, выплавляют сталь, содержащую основные компоненты, мас.%:
Углерод 0,07-0,18;
Кремний 0,15-0,60;
Марганец 0,5-1,2;
Сера не более 0,005;
Фосфор не более 0,015;
Хром 0,2 -1,0;
Никель 0,02-0,4;
Медь 0,301-0,5;
Алюминий 0,01-0,15;
Ванадий не более 0,15;
Ниобий 0,001-0,15;
Титан 0,001-0,15;
Молибден 0,001-0,35;
Кальций не более 0,010;
Азот не более 0,01;
один или несколько компонентов из группы:
Бор               0,001-0,003;
Кислород      0,001-0,004;
Водород  не более 0,001;
Олово           0,005-0,010;
Свинец         0,005-0,010;
Висмут          0,005-0,010.
Fe остальное.
При этом нагрев и прокатку осуществляют до температуры 1180-1250°С, начало чистовой прокатки осуществляют при температуре 1000-1120°С, прокатку заканчивают при температуре 800-950°С, а смотку полос осуществляют при температуре 480-600°С.
По другому варианту заявленное изобретение заключается в способе производства стального проката для изготовления гибких труб для колтюбинга, включающем выплавку стали в сталеплавильном агрегате, внепечную обработку стали, разливку, нагрев под прокатку, горячую прокатку, смотку полосы в рулон, при этом, согласно изобретению, выплавляют сталь, содержащую основные компоненты, мас.%:
Углерод 0,03-0,12;
Кремний 0,15-0,60;
Марганец 0,5-1,3;
Сера не более 0,005;
Фосфор не более 0,015;
Хром 0,2-1,0;
Никель 0,02-0,4;
Медь 0,20-0,70;
Алюминий 0,01-0,15;
Ванадий не более 0,15;
Ниобий 0,001-0,15;
Титан 0,001-0,15;
Молибден не более 0,15;
Кальций не более 0,010;
Азот не более 0,010;
один или несколько компонентов из группы:
Бор               0,001-0,003;
Кислород      0,001-0,004;
Водород  не более 0,001;
Олово           0,005-0,010;
Свинец         0,005-0,010;
Висмут          0,005-0,010.
Fe остальное.
В этом случае нагрев и прокатку осуществляют при температуре 1180-1250°С, начало чистовой прокатки осуществляют при температуре 900-1020°С, прокатку заканчивают при температуре 800-950°С, а смотку полос осуществляют при температуре 300 – 440°С.
Соотношение Са/S в этом варианте способа должно быть не менее 1.
Выбор компонентов заключается в следующем.
Углерод (C) содержится в заявленном составе стали в количестве от 0,03 до 0,18 %. С увеличением содержания углерода повышаются твердость и прочность и понижается пластичность стали.  Заявленное количество углерода в стали обеспечивает заданный уровень прочности и пластичности, без ухудшения свариваемости при стыковой сварке.
Кремний (Si), содержащийся в количестве 0,15-0,60 мас.% является элементом, стабилизирующим феррит, сильным раскислителем и повышает прочность стали.
Добавка марганца (Mn) в количестве 0,5-1,30 мас.%  улучшает прокаливаемость и прочность стали. Также, марганец способствует раскислению стали и снижает негативное влияние серы. В заявленных пределах марганец улучшает прокаливаемость стали, повышает предел текучести.
Сера (S) вызывает красноломкость стали, снижает ее механические свойства, увеличивает склонность стали к коррозии и истиранию. В связи с этим содержание серы в стали должно быть не более 0,005 %.
2
3
Добавление кальция (Ca) в состав стали также вызывает раскисление фазы расплава при производстве стали, что повышает уровень чистоты и улучшает свойства конечного продукта. Известно, что при концентрации алюминия в составе стали свыше 0,05% практически единственной равновесной фазой является корунд (AlO). Частицы корунда имеют остроугольную форму и являются концентраторами напряжений, что приводит к снижению механических свойств. Кроме того, при такой концентрации алюминия наблюдается образование пленочных нитридов алюминия по границам зерен. Устранение отрицательного влияния корунда возможно при помощи его модифицирования кальцием, что положительно сказывается на механических свойствах стали.
Однако, во избежание формирования в стали крупных блоков оксида Ca, ухудшающих пластичность стали, содержание Ca в составе стали должно быть не более 0,010 %.
Фосфор (P) повышает жесткость и улучшает способность к упрочнению посредством смешанного кристаллического упрочнения. Недостатком фосфора является то, что он сильно понижает уровень жесткости. Присоединение фосфора к границам зерен вызывает разрушения на границах зерен. Незначительное содержание фосфора благоприятно влияет на улучшение процесса стружкообразования и качества обрабатываемой поверхности при обрабатываемости резанием. При концентрации фосфора, превышающей значение 0,015%, проявляется его негативное влияние на пластичность и хладноломкость стали.
Хром (Сr) является ферритообразующим элементом, его присадка ведет к расширению температурного интервала затвердевания стали. Хром увеличивает прокаливаемость стали и уменьшает склонность к перегреву, а также увеличивает сопротивление стали истиранию, что обеспечивает усталостную долговечность. Также хром повышает коррозионную стойкость стали. В связи с этим содержание хрома в заявленном составе стали соответствует значениям 0,2-1,0 %.
Содержания никеля (Ni) в стали в количестве 0,02-0,4 % обеспечивает повышение прочности, ударной вязкости и коррозионной стойкости стали.
Медь (Cu) является элементом, повышающим сопротивление атмосферной коррозии, а также повышает прочность феррита. Однако в связи с тем, что большое количество меди может вызывать красноломкость, а также по причине того, что при содержании более 0,7% ухудшается свариваемость стали, содержание меди в составе стали варьируется в диапазоне 0,2-0,7 %, в зависимости от варианта реализации изобретения.
Алюминий (Al) является сильным раскислителем. Содержание алюминия в стали в количестве менее 0,01 не позволит в достаточной степени раскислить сталь. Максимальное содержание алюминия в количестве 0,15 % по причине возможного снижения характеристик по обрабатываемости резанием и повышению в стали содержания неметаллических включений.
Ванадий (V) карбидообразующим элементом, измельчающим зерно аустенита, что повышает прочность и увеличивает вязкость стали. Однако при содержании V в стали выше 0,15%, может образовываться большое количество частиц карбида ванадия, которые снижают вязкость стали и ее свариваемость. В связи с этим, содержание ванадия в стали ограничивается 0,15 мас.%.
Ниобий (Nb) является сильным карбидообразующий элементом, повышающим прочность, вязкость и твердость низколегированной стали, а также обеспечивает увеличение сопротивления стали окислению при высокой температуре. Содержание Nb согласно настоящего изобретения составляет 0,001%-0,15%.
Титан (Ti) в составе стали образует прочные карбиды и нитриды, а также способствует измельчению зерна аустенита. Введение титана в сталь, предназначенную для электросварки, обеспечивает уменьшение самозакаливаемости. Также добавление титана эффективно для увеличения действия бора в стали, за счет фиксации примесей азота в виде нитридов азота (TiN) и торможения образования нитридов бора. Cодержание Ti в составе стали варьируется в диапазоне 0,001-0,15 мас.%.
Молибден (Mo) для легирования стали введен в количестве от 0,001 до 0,35%, так как в этом диапазоне Mo повышает прочность и твердость стали, улучшает ее пластические свойства и сохраняются оптимальные свойства свариваемости.
Азот (N) является легирующим элементом и способствует образованию нитридов в стали. Чрезмерное содержание азота дает повышение прочности вкупе с быстрой утратой жесткости, а также эффектами старения. С другой стороны, посредством целевого добавления азота путем легирования, в сочетании с элементами микролегирования титан и ниобий, можно получить мелкозернистое упрочнение при помощи нитридов титана и (карбо)нитридов ниобия. Более того, за счет добавления азота подавляется образование грубого зерна при повторном нагреве перед горячей прокаткой. В соответствии с настоящим изобретением, содержание азота должно быть не более 0,01 %.
Бор (B) введен в состав стали с целью увеличения прокаливаемости и улучшения обработки резанием при внешнем резании. За счет связывания бором азота, бейнитные структуры стали имеют меньшую твердость, и благодаря этому склонны к пластической деформации. Ведение в состав стали бора в количестве до 0,003 % способствует увеличению пластичных свойств стали.
Кислород (О) из-за эффекта охрупчивания и отрицательного воздействия на сопротивляемость старению ограничен содержанием в количестве до 0,004 %.
Водород (Н) в составе стали является неизбежной примесью, что значительно добавляет хрупкости и диффундирует преимущественно в места, которые удобны с точки зрения энергии (дефекты, границы зерен и т.д.). В частности, за счет преобразования атомарного водорода в молекулярный могут создаваться холодные трещины. В связи с этим, содержание Н в составе стали ограничено значением не более чем 0,001 %.
Свинец (Pb) и олово (Sn) являются вредными примесями, в связи с этим, их содержание в стали ограничено количеством не более 0,01% каждого.
Висмут при его содержании до 0,010% улучшает свойства стали к обработке резаньем во время роспуска полос. Его большее введение в сталь экономически не целесообразно.
Стальной прокат, в соответствии с настоящим изобретением, должен иметь феррито-перлитную структуру с долей феррита не менее 80 %.
Были экспериментально определены следующие параметры способа производства, обеспечивающие получение данной микроструктуры стали.
В одном варианте изобретения сляб, содержащий состав, включающий углерод в количестве 0,07-0,18%, нагревали до температуры 1180-1250°С. Начало горячей чистовой прокатки осуществляли при температуре 1000-1120°С, чистовую прокатку заканчивали при температуре 800-950°С, а смотку полос осуществляли при температуре 480 – 600°С.
В другом варианте изобретения сляб, содержащий состав, включающий углерод в количестве 0,03-0,12%, нагревали до температуры 1180-1250°С. Начало горячей чистовой прокатки осуществляли при температуре 900-1020 °С, чистовую прокатку заканчивали при температуре 800-950 °С, а смотку полос осуществляли при температуре 300-440°С.
Эти параметры способа обеспечили получение указанной микроструктуры и соответственно требуемых механических свойств.
Примеры осуществления заявленного способа.
Достижение технического результата заявленного изобретения подтверждено примерами.
В таблице 1 представлены составы стали по первому варианту заявленного изобретения. В таблице 2 представлены составы стали по второму варианту заявленного изобретения. В таблице 3 приведены механические характеристики составов стали по первому варианту заявленного изобретения. В таблице 4 приведены механические характеристики составов стали по второму варианту заявленного изобретения.
В таблицах 3, 4 представлены характеристики предела текучести, предела прочности и относительного удлинения, значения по сопротивлению малоцикловой усталости, а также такие характеристики стали после обработки резанием: качество обработанной поверхности.
Сталь выплавляли в конвертере, осуществляли внепечную обработку и разливали в слябы. После нагрева до 1180-1250°С слябы подвергают горячей прокатке.
В первом варианте заявленного изобретения начало чистовой прокатки осуществляли при температуре 1000-1120°С, заканчивали чистовую прокатку при температуре 800-950 °С, и смотку полос осуществляли при температуре 480 – 600°С.
Во втором варианте изобретения начало чистовой прокатки осуществляли при температуре 900-1020°С, заканчивали чистовую прокатку при температуре 800-950°С и смотку полос осуществляли при температуре 300 – 440°С.
В обоих вариантах получали горячекатаные стальные листы с конечной толщиной                   3,3 мм.
Результаты на сопротивление малоцикловой усталости оценивались по максимальному количеству циклов до разрушения в испытании на усталость при растяжении образцов стали.
Как видно из результатов экспериментов, стали, полученные заявленным способом, обладают хорошими механическими характеристиками, отличными характеристиками срезов после обработки резанием и высокой коррозионной стойкостью.
Таблица 1
Образец№
Элементы, мас. %
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
Al
V
Nb
Ti
Mo
Ca
N
B
O
H
Sn
Pb
Bi
1
0,07
0,25
0,9
0,002
0,015
1,0
0,02
0,30
0,10
0,10
0,12
0,12
0,20
0,01
0,009
0,002
0,001
0,001
0,009
0,010
0,010
2
0,08
0,15
0,7
0,005
0,005
0,7
0,30
0,20
0,09
0,15
0,15
0,005
0,080
0,005
0,007
0,001
0,002
-
0,005
0,005
0,007
3
0,12
0,30
1,1
0,001
0,015
0,5
0,35
0,10
0,15
0,05
0,009
0,14
0,005
0,01
0,001
-
0,004
-
0,010
0,006
0,010
4
0,09
0,19
0,8
0,005
0,015
0,4
0,05
0,40
0,01
0,008
0,006
0,12
0,35
0,01
0,009
0,001
0,003
0,001
0,006
0,010
0,009
5
0,10
0,50
1,20
0,001
0,015
0,8
0,15
0,50
0,08
0,02
0,14
0,009
0,30
0,001
0,004
0,003
-
0,001
0,008
0,008
0,006
6
0,13
0,35
1,1
0,005
0,015
0,6
0,07
0,20
0,06
0,12
0,005
0,13
0,009
0,008
0,009
0,002
0,002
0,001
0,007
0,007
0,005
7
0,16
0,20
1,0
0,004
0,012
0,2
0,25
0,10
0,15
0,006
0,003
0,09
0,10
0,01
0,010
0,001
-
0,001
0,010
-
0,009
8
0,18
0,40
0,8
0,002
0,001
1,0
0,4
0,40
0,13
0,010
0,10
0,05
0,25
0,01
0,002
0,003
0,004
0,001
0,006
0,010
0,008
9
0,11
0,19
0,50
0,001
0,015
0,6
0,09
0,20
0,14
0,07
0,008
0,10
0,15
0,005
0,009
-
0,002
0,001
0,010
0,009
0,010
10
0,17
0,55
0,8
0,003
0,010
0,3
0,10
0,50
0,05
0,10
0,13
0,001
0,001
0,01
0,003
0,001
0,004
0,001
0,005
-
0,005
11
0,14
0,60
0,6
0,004
0,002
0,9
0,35
0,30
0,07
0,15
0,001
0,006
0,080
0,007
0,009
0,002
0,003
0,001
0,009
0,007
-
12
0,15
0,45
0,55
0,002
0,005
0,5
0,20
0,10
0,03
0,095
0,004
0,15
0,012
0,01
0,005
0,003
0,003
0,001
0,010
0,009
-
Таблица 2
Образец№
Элементы, мас. %
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
Al
V
Nb
Ti
Mo
Ca
N
B
O
H
Sn
Pb
Bi
1
0,05
0,55
0,9
0,005
0,015
0,8
0,02
0,30
0,07
0,02
0,06
0,14
0,05
0,01
0,002
-
0,004
0,001
0,005
0,006
0,005
2
0,08
0,15
0,7
0,004
0,010
0,3
0,25
0,50
0,05
0,15
0,10
0,009
0,04
0,01
0,010
-
0,003
-
-
0,010
0,009
3
0,12
0,30
1,1
0,001
0,012
0,4
0,4
0,03
0,03
0,06
0,15
0,13
0,01
0,01
0,005
0,003
0,004
-
-
0,008
0,006
4
0,10
0,19
1,2
0,001
0,001
0,2
0,09
0,20
0,02
0,010
0,08
0,09
0,10
0,01
0,009
0,002
0,002
0,001
0,007
0,007
0,010
5
0,06
0,50
0,8
0,003
0,015
1,0
0,10
0,60
0,06
0,007
0,005
0,001
0,15
0,01
0,010
0,001
-
0,001
0,010
0,005
0,009
6
0,09
0,35
0,6
0,004
0,010
0,6
0,35
0,40
0,04
0,045
0,003
0,03
0,15
0,007
0,001
0,003
0,004
0,001
0,009
-
-
7
0,07
0,20
0,55
0,002
0,007
0,3
0,25
0,20
0,03
0,10
0,10
0,05
0,05
0,01
0,009
0,002
0,002
0,001
0,010
0,009
0,010
8
0,03
0,40
1,0
0,005
0,010
0,9
0,4
0,60
0,06
0,15
0,008
0,13
0,085
0,01
0,004
0,001
-
0,001
0,005
0,010
0,005
9
0,11
0,30
0,50
0,003
0,012
0,5
0,025
0,30
0,02
0,05
0,13
0,15
0,10
0,003
0,009
0,003
0,003
0,001
0,008
-
-
10
0,04
0,60
1,3
0,002
0,001
1,0
0,09
0,70
0,01
0,12
0,01
0,10
0,12
0,01
0,009
0,001
0,003
0,001
0,010
0,009
0,010
Таблица 3
Механические характеристики
Образец стали №
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Предел текучести образца проката (МПа)
558
660
555
562
595
560
645
604
622
632
565
645
Предел прочности при растяжении (МПа)
731
729
737
727
747
728
729
735
738
741
730
740
Равномерное относительное удлинение (%)
17,1
20,1
18,5
16,8
18,6
16,4
16,8
19,5
17,5
20,0
18,2
16,5
Качество обработанной поверхности
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
Наличие микротрещин после обработки резанием
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
Коррозионная стойкость (потеря массы г/мм<sup>2</sup>)
0,000015
0,000014
0,000015
0,000014
0,000014
0,000015
0,000014
0,000015
0,000014
0,000015
0,000014
0,000014
Количество циклов до разрушения в испытании на усталость при растяжении (разы)
280
286
288
290
282
275
290
278
283
281
293
277
Таблица 4
Механические характеристики
Составы заявленного изобретения
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Предел текучести образца проката (МПа)
560
662
558
565
597
562
648
607
622
632
Предел прочности на разрыв (МПа)
733
730
738
728
748
730
731
735
739
742
Равномерное относительное удлинение (%)
16,8
17,7
19,8
17,3
16,5
16,1
17,8
19,1
17,8
16,3
Качество торца обработанной поверхности
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
В норме
Коррозионная стойкость (потеря массы г/мм<sup>2</sup>)
0,000014
0,000014
0,000013
0,000012
0,000012
0,000012
0,000013
0,000013
0,000012
0,000013
Наличие микротрещин после обработки резанием
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
нет
Количество циклов до разрушения в испытании на усталость при растяжении (разы)
278
284
296
274
283
281
279
290
279
295