КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ И ОБСАДНЫХ ТРУБ
CORROSION-RESISTANT STEEL FOR TUBING AND CASINGS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным сталям, предназначенным для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, а также скважинного оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.
Как известно, высокопрочные обсадные и насосно-компрессорные трубы обычно изготавливают из легированной хромомолибденовой или хромоникельмолибденовой стали с применением закалки и отпуска (Трубы нефтяного сортамента. Справочник. /Под ред. А.Е.Сарояна. М.: Недра, 1987, с.304-305, 402). Например, в патенте РФ №2070585, МПК C21D 9/14 предлагается использовать для изготовления высокопрочных насосно-компрессорных и обсадных труб стали с низким содержанием углерода (менее 0,18%) и комплексным легированием хромом, марганцем, ванадием, никелем, молибденом, ниобием, алюминием.
В соответствии со стандартом Американского Нефтяного института 5CT/ISO 11960 для таких труб рекомендуется использовать, в частности, стали группы прочности L80 типа 9Сr со следующим содержанием компонентов, мас.%:
углерод
не более 0,15
кремний
не более 1,00
марганец
0,30- 0,60
молибден
0,90-1,10
хром
8,00-10,00
никель
не более 0,50
медь
не более 0,25
фосфор
не более 0,02
сера
не более 0,01
Данная сталь обладает стойкостью к углекислотной коррозии, но не обеспечивает необходимой стойкости стали к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН).
Наиболее близкой к предлагаемой стали по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является сталь 15×5М (Марочник сталей и сплавов. /Под ред. А.С.Зубченко. М.: «Машиностроение», 2003), имеющая следующий химический состав, мас.%:
углерод
не более 0,15
кремний
не более 0,50
марганец
не более 0,50
хром
4,50-6,00
молибден
0,45-0,60
никель
не более 0,60
медь
не более 0,20
фосфор
не более 0,03
сера
не более 0,025
Указанная сталь имеет достаточную стойкость к сульфидному растрескиванию в сероводородсодержащей среде, но не обладает стойкостью к углекислотной и бактериальной коррозии.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание стали для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, обеспечивающей высокий уровень их механических свойств и стойкость к коррозии в различных агрессивных средах.
Поставленная задача решается за счет того, что коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, железо и неизбежные примеси, в отличие от прототипа дополнительно содержит ванадий, ниобий, алюминий и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
не более 0,16
кремний
0,30-0,50
марганец
0,50-0,70
хром
от более 3,0-6,0
молибден
0,40-1,00
ванадий
0,04-0,10
ниобий
0,04-0,10
алюминий
0,02-0,05
РЗМ
0,005-0,015
железо и неизбежные примеси
остальное
При этом примеси могут содержать серы не более 0,01 мас.% и не более 0,01 мас.% фосфора.
Сущность предлагаемого изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются сравнительными примерами и данными проведенных экспериментов, представленными в таблицах:
Таблица 1 - варианты химического состава стали. Таблица 2 - механические свойства. Таблица 3 - результаты испытаний на стойкость к сульфидной и углекислой коррозии. Таблица 4 - результаты испытаний на стойкость к биокоррозии (оценивается как количество клеток СВБ-бактерий в поле зрения при 3000-кратном увеличении).
Как видно из приведенных данных, предложенные состав стали и количественное содержание компонентов обеспечивают такую совокупность механических свойств стали и ее коррозионной стойкости, которая отсутствует у известных из уровня техники аналогов.
При этом следует отметить, что введение в состав стали ниобия и ванадия способствует связыванию углерода в карбиды, уменьшая выделение молибдена и хрома в структуре. Таким образом повышается количество хрома и молибдена в твердом растворе, что оказывает положительное влияние на стойкость к углекислотной коррозии, поскольку хром и молибден склонны к образованию на поверхности стали защитных аморфных фаз, повышающих коррозионную стойкость. При содержании хрома в стали менее 3,0 мас.% не обеспечивается стойкость к углекислотной коррозии, а при содержании хрома свыше 6,0 мас.% ухудшается стойкость к СКРН. Трубы, изготовленные из стали с содержанием молибдена менее 0,4 мас.%, не обладают хладостойкостью, а при содержаниимолибдена свыше 1,0 мас.% также снижается стойкость к СКРН. При содержании ванадия свыше 0,10 мас.% наблюдается значительное ухудшение свариваемости, а содержание ниобия свыше 0,10 мас.% приводит к появлению грубых карбонитридов, что негативно сказывается на стойкости стали к коррозионному растрескиванию. Введение ванадия и ниобия в количествах менее 0,04 мас.% не обеспечивает формирование в структуре стали карбонитридов ванадия и ниобия, необходимых для повышения сойкости к углекислотной коррозии за счет увеличения содержания хрома в феррите.
Введение редкоземельных металлов положительно сказывается на стойкости стали к сульфидной коррозии, т.к. они связывают серу в оксисульфиды и гидриды. Количественное содержание РЗМ обусловлено следующим: при содержании РЗМ менее 0,005 мас.% (вариант №5) их концентрация оказалась недостаточной для связывания серы в сульфиды (оксисульфиды) РЗМ, а при увеличении содержания РЗМ выше 0,015 мас.% (вариант №6) при заявленной концентрации серы не более 0,01 мас.% происходило излишнее обогащение границ зерен РЗМ, что обуславливает склонность стали к межзеренному разрушению и, следовательно, ведет к уменьшению вязкости, повышению температуры хрупковязкого перехода и снижению стойкости к СКРН.
Введение алюминия в указанном количестве достаточно для связывния растворенного кислорода в прочные оксиды. При содержании алюминия более 0,05 мас.% возможно формирование в границах кристаллов нитридов алюминия пленистых форм, охрупчивающих сталь. При содержании алюминия менее 0,02 мас.% сталь не будет являться раскисленной.
Таким образом, совокупность всех признаков предложенной стали обеспечивает высокий уровень механических свойств и стойкость к коррозии в различных агрессивных средах, что позволяет использовать ее для изготовления насосно-компрессорных, обсадных труб и скважинного оборудования, эксплуатирующихся в средах, содержащих сероводород и углекислый газ.
Таблица 1
№ п/п
Массовые доли элементов, %
С
Si
Mn
Cr
Mo
Аl
V
Nb
PЗM
1
0,14
0,35
0,55
4,50
0,40
0,04
0,07
0,04
0,007
2
0,16
0,30
0,70
3,00
0,80
0,03
0,04
0,10
0,008
3
0,14
0,32
0,58
6,00
0,40
0,05
0,10
0,08
0,005
4
0,12
0,50
0,50
3,50
1,00
0,04
0,10
0,07
0,015
5
0,16
0,35
0,60
6,00
0,80
0,02
0,07
0,05
0,001
6
0,16
0,45
0,63
5,50
0,60
0,05
0,05
0,05
0,020
7 (прототип)
0,15
0,50
0,50
5,50
0,50
-
-
-
-
Во всех вариантах примеси содержат S=0,010 мас.%, Р=0,010 мас.%
Таблица 2
№ п/п
Предел прочности, σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучести, σ<sub>т</sub>, МПа
Ударная вязкость, KCV<sup>-60 </sup>Дж/см<sup>2</sup>
Доля вязкой составляющей в изломе, %
1
740
600
225,4
100
2
720
610
180,5
80
3
735
610
108,6
50
4
690
580
112,3
50
5
763
650
125,3
55
6
710
615
73,2
35
7(прототип)
770
659
59,8
21
Таблица 3
№ п/п
Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод Д, K<sub>issc</sub>, МПа*м<sup>1/2</sup>
Скорость СO<sub>2</sub>-коррозии, Т<sub>исп</sub> 60°С, мм/год
1
35,7
0,28
2
34,5
0,34
3
30,8
0,20
4
32,3
0,30
5
25,3
0,25
6
31,4
0,32
7(прототип)
31,4
0,36
Таблица 4
№ пп/п
Количество клеток в поле зрения , при × 3000, шт.
1
17
2
21
3
23
4
10
5
36
6
5
7(прототип)
55