Хладостойкая, маломагнитная сталь для узлов и деталей бурового оборудования

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке хладостойких, маломагнитных сталей для бурового оборудования, в частности нефте- и газодобывающей промышленности. Сталь содержит, мас.%: углерод 1,0-1,2, марганец 24,0-26,0, хром 2,5-5,0, алюминий 4,0-6,0, бор 0,005-0,1, иттрий 0,005-0,05, церий 0,005-0,05, ванадий 0,08-0,12, ниобий 0,01-0,04, кальций 0,001-0,01, железо - остальное. Сталь имеет высокие механические свойства и низкую магнитную проницаемость, величина которой не изменяется в диапазоне рабочих температур бурового оборудования. 6 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке сталей для бурового оборудования, в частности нефте- и газодобывающей промышленности, эксплуатирующихся в условиях Сибири, Сахалина и Крайнего Севера, обладающих малой и не изменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемостью, высоким уровнем механических свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность оборудования в ходе его длительной эксплуатации.

Требование к маломагнитности для ряда элементов бурового оборудования связано с ужесточением норм по безопасности эксплуатации, надежности и работоспособности, повышением требований по экологической безопасности буровых установок, эксплуатируемых при бурении в газоносных слоях, то есть там, где наведенный при вращении бура электромагнитный заряд может привести, например, к возгоранию или взрыву попутного газа. Взрывобезопасность процесса бурения считается достаточной при понижении магнитной проницаемости материалов оборудования до величины, не превышающей 1,01 в магнитном поле Земли и во внешних магнитных полях, напряженностью выше поля насыщения.

Среди материалов с низкой магнитной проницаемостью особое место занимают стабильные аустенитные стали, созданные на базе сплавов системы железо-углерод-марганец, например, широко известные стали типа «Ферманал» (90Г29Ю9ВБМ). Магнитная структура этих материалов в области нормальных температур представляет собой неупорядоченный магнетик типа спинового стекла со статистически распределенными в нем кластерами, обладающими антиферромагнитным упорядочением. При понижении температуры в сплавах наблюдается постепенный переход от неупорядоченной структуры к структуре не полностью скомпенсированного антиферромагнетика. Температурный диапазон этого превращения зависит от концентрации в сплавах углерода и марганца.

Магнитная проницаемость стали 90Г29Ю9ВБМ в аустенитизированном состоянии находится в пределах 1,01-1,02 как в магнитном поле Земли, так и во внешних магнитных полях, напряженностью выше 30 кА/м. Однако основная область применения этой группы сталей лежит в области высоких температур, в частности из нее изготавливается бандаж и диски газотурбинных двигателей. Сталь перегружена элементами, обеспечивающими ей максимальную прочность и, в частности, жаропрочность - вольфрамом и молибденом, что значительно повышает стоимость материала, повышает ее магнитную проницаемость при образовании в структуре стали карбидных фаз. Это требует изыскания иной системы дополнительного легирования железо-углерод-марганцевых сплавов, которая обеспечивала достаточный уровень прочностных свойств и малую магнитную проницаемость материала в рабочем диапазоне бурового оборудования и при этом не ухудшала хладостойкости стали в условиях низких температур северных регионов страны.

Таким путем повышения прочностных свойств при одновременном обеспечении малой магнитной проницаемости железо-углерод-марганцевых сплавов является дополнительное легирование их хромом, что, в частности, было сделано в стали 110Г25Х4Ю4 (А.С. СССР №1344811 от 15 октября 1987 г., МКИ C22C 38/38). Однако несмотря на имеющиеся теоретические обоснования по выбору системы легирования сталей, их термической обработки и путей повышения надежности и долговечности оборудования из таких материалов, до настоящего времени не сложилось единой концепции по оптимизации выбора сталей для оборудования, эксплуатируемого в условиях северных регионов страны. Также отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по технологии выплавки, раскисления сталей для северных регионов страны и назначения режимов их термической обработки.

Исходя из необходимости обеспечения повышенной прочности сталей при условии сохранения высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах, хладостойкости и малой, неизменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемости наиболее перспективной для разработки оптимального состава является группа стабильных аустенитных сталей, в состав которых были введены микролегирующие добавки нескольких элементов из группы ванадия, циркония, ниобия и титана. Проведен анализ влияния легирования стали этими элементами, показавший, что совместное введение в сталь ванадия и ниобия позволяет максимально измельчить зерно стали, тем самым повысить ее сопротивляемость хрупким разрушениям при отрицательных температурах. Также была проанализирована роль добавок РЗМ и ЩЗМ, введение которых позволяет получить наиболее благоприятное распределение неметаллических включений в структуре стали. Учитывая, что основными требованиями к сталям буровых установок, эксплуатируемым в регионах Сибири, Сахалина и Крайнего Севера, является повышенная прочность при сохранении максимально низкой температуры вязкохрупкого перехода и одновременном обеспечении минимальной величины магнитной проницаемости именно эти параметры были выбраны при оптимизации состава стали.

Известны стали, близкие по составу к заявляемой:

Высокоуглеродистая марганцевистая аустенитная сталь с хорошей обрабатываемостью. Като Тэцуо, Абэяма Сёдзо, Кимура Токурё [Дайдо токусюко к. к.]. Япон. заявка, кл. 10J172 (С22С 38/04), №54 - 35112, заявл. 23.08.77, №52 - 101458, опубл. 15.03.79.

Немагнитный элинвар. Хоменко О.А., Хилькевич И.Ф. [Уральск. НИИ черн. мет.]. Авт. св. СССР, кл. С22С 38/38, №605855, заявл. 24.02.77, №2455727, опубл. 24.04.78.

Высокопрочный аустенитный немагнитный сплав. High strength austenitic non - magnetic alloy. Hull Frederick C. [Westinghouse Electric Corp.]. Пат. США, кл. 148/38, (С22С 38/38 С22С 38/58), №4121953, заявл. 2.02.77., №765029, опубл. 24.10.78.

Аустенитная литейная сталь. Staliwo austenityczne. Maciejny Adolf, Hetmanczyk Marek, Niewielski Grzegorz и др.; Politechnicka Slaska im. W.Pstrowskiego. Пат. 138912, ПНР. Заявл. 12.07.82., №237435, опубл. 31.05.88. МКИ С22С 38/38.

Немагнитная сталь с высоким содержанием марганца, имеющая хорошее сопротивление коррозии и механическую обрабатываемость: Заявка 63128157 Япония, МКИ⁴ С22С 38/53, С22С 38/00 / Каваути Акира, Кота Кэйбун, Сиина Акихито; К. к. Кобэ сэйкосё. - №61-273780; Заявл. 17.11.86.; опубл. 31.05.88. // Кокай токкё кохо. Сер. 3(4). - 1988. - 41. - с.287-292.

Аустенитная сталь. Степанов Г.А., Блинов В.М., Лазько В.Е. и др. Авт. св. 1325103, СССР. Заявл. 31.03.86., №406550/22-02, опубл. 23.07.87. МКИ С22С 38/58.

Марганцовистая немагнитная сталь для низкой температуры. Эбисутами Такаси, Норо Хирокадзу; К. к. Тосиба. Заявка 60-39148, Япония. Заявл. 12.08.83., №58-146538, опубл. 28.02.85. МКИ С22С 38/38, НО1F 1/00.

Немагнитная высокомарганцевая сталь с хорошими низкотемпературными свойствами. Сасаки Кодзи, Нохари Киехико; Кавасаки сэйтэцу к. к. Заявка 57-114644, Япония. Завл. 08.01.81, №56-1412, опубл. 16.07.82. МКИ С22С 38/58.

Низкотемпературная марганцевая сталь. Отани Ясуо, Окада Ясутака [Сумитомо киндзоку коге к. к.]. Япон. заявка, кл. С22С 38/38, №56-23259, заявл. 7.8.79., №54-99579, опубл. 5.3.81.

Немагнитная сталь с высокими механическими свойствами. Аихара Кэндзи, Такахаси Масаси. [Сумитомо киндзоку когё к. к.]. Япон. заявка, кл. 10J185 (С22С 38/04), №54-81118, заявл. 12.12.77, №52-149757, опубл. 28.06.79.

Из известных сталей наиболее близкой по составу к заявляемой и выбранной в качестве прототипа является сталь: Сталь: А.С. СССР №1344811, МКИ С22С 38/12 Ленинградского политехнического института им. М.И.Калинина и НПО по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова Ермакова Б.С., Колчина Г.Г., Романова В.В. заявл. 23.06.1986 г. №4079665/31-02, опубл. 15.10.1987 г. Бюл. №38, имеющая следующий состав, масс.%: углерод - 1-1.2; марганец - 24-26; хром 3-5, алюминий 5-8, бор 0,005-0,1, кальций 0.008-0.01, церий 0.005-0,05, медь 0,1-0,5, барий 0,001-0,01, железо - остальное.

Проведенные нами исследования показали, что сталь-прототип не обладает требуемым уровнем величины не изменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемости, достаточно высоким уровнем прочностных свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность бурового оборудования в ходе его длительной эксплуатации.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение магнитной проницаемости стали, величина которой не должна изменяется в диапазоне рабочих температур бурового оборудования, при одновременном повышении механических свойств материала.

При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.

Понижение содержания углерода ниже 1% приводит к повышении температуры магнитного упорядочения в структуре стали и, как следствие, появлению ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости стали; увеличение же содержания углерода свыше 1,2% ухудшает свариваемость, затрудняет обрабатываемость стали.

Марганец способствует стабилизации аустенитной структуры в стали, повышает прочность и хладостойкость твердого раствора. Концентрация марганца менее 24% не удовлетворяет требованиям по прочности стали, приводит к возникновению в стали структуры типа ε′-мартенсита, а повышение свыше 26% увеличивает склонность к образованию горячих трещин при сварке, повышению величины магнитной проницаемости.

Хром, как элемент, не имеющий собственного магнитного момента в подобных структурах, способствует снижению магнитной проницаемости стали, резко повышает ее прочностные характеристики. Его содержание ниже 2,5% не оказывает необходимого упрочняющего эффекта, превышение концентрации над 5% приводит к охрупчиванию стали.

Алюминий, обладающий малой плотностью, понижает плотность стали, повышает ее удельную прочность, упрочняет твердый раствор. Концентрация алюминия ниже 4% не обеспечивает требуемого уровня прочностных свойств, превышение его содержания на 6% приводит к росту магнитной проницаемости стали.

Ванадий и ниобий в указанных концентрациях приводят к резкому измельчению зерна стали, повышению ее прочностных свойств, увеличивают трещиностойкость, снижают вероятность развития зерногроничных сегрегаций примесных атомов, предупреждают рост зерна при технологических нагревах и термической обработке. Содержание ниобия менее 0,08% и ванадия менее 0,8% не позволяет добиться требуемых результатов, а увеличение содержания выше 0,04% и 0,12% соответственно приводит к охрупчиванию металла.

Медь улучшает свариваемость стали, препятствует возникновению горячих кристаллизационных трещин в процессе сварки. Содержание менее 0,1% не обеспечивает требуемого эффекта, превышение 0,5% экономически нецелесообразно и может привести к выпадению интерметаллидных охрупчивающих фаз.

Иттрий в концентрации 0,005-0,05% оказывает раскисляющее воздействие на сталь. Меньшее содержание иттрия не обеспечивает требуемого эффекта, в то время как увеличение содержания выше указанных концентраций нецелесообразно вследствие трудности легирования.

Введение в состав стали бора, ЩЗМ и РЗМ связано с их высокой раскислительной, рафинирующей и модифицирующей способностью. Снижение содержания газов, серы, глобуляризация неметаллических включений обеспечивают высокий уровень трещиностойкости, предохраняя сталь от хрупкого разрушения. Сфероидизация неметалических включений сопровождается очищением межзеренных границ и равномерным распределением включений в металле.

Заявляемая сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод	1,0-1,2
Марганец	24,0-26,0
Хром	2,5-5,0
Алюминий	4,0-6,0
Бор	0,005-0,1
Иттрий	0,005-0,05
Церий	0,005-0,05
Ванадий	0,08-0,12
Ниобий	0,01-0.04
Кальций	0,001-0,01
Железо	- остальное.

Для испытаний механических свойств заявляемой стали и стали-прототипа были изготовлены образцы на статическое растяжение по ГОСТ 1497. Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типа 11 по ГОСТ 9454. Измерения магнитной восприимчивости производили методом Фарадея и методом замера паразитных наведенных токов. Магнитная проницаемость исследовалась в магнитном поле Земли H_Z=62,09 А/м; H_χ=11,94 А/м и во внешних магнитных полях, напряженностью от 9 до 900 кА/м. Температурный интервал исследования составил от минус 100 до плюс 100°С. При этом погрешность в определении магнитной восприимчивости не превышала ±2·10^-3%.

Испытания во внешних магнитных полях были проведены на установке MGD312FG фирмы «Setaram». Образцы при исследовании на установке MGD312FG представляли собой куб со стороной от 2 до 2,5 мм.

Испытания в магнитном поле Земли были проведены на установке Magnetoscopf-1.067. Образцы для этих испытаний представляли собой прутки квадратного сечения 10×10×150 мм.

Основные погрешности при измерении магнитной проницаемости сталей могут возникать при загрязнении поверхности исследуемых образцов как магнитными, так и немагнитными частицами. Поэтому образцы хранили в специальных герметично закрытых боксах, а для снятия наклепанного поверхностного слоя и очистки от случайных частиц поверхности образца перед испытаниями подвергали электролитической полировке. Электрополировка выполнялась в фарфоровом стакане с кольцевым катодом из нержавеющей стали. В качестве электролита использовали один из двух составов. Первый: 100 мл ортофосфорной кислоты (плотностью 1,8 г/см³), 150 г - хромистого ангидрида и до 1000 мл дистиллированной воды. Второй: ледяная уксусная кислота - 25 мл, азотная кислота плотностью 1,42 г/см³ - 75 мл, дистиллированная вода - 100 мл. После электрополировки образец промывали 76%-ным раствором этилового спирта.

Определение величины зернограничных сегрегаций были проведены методом - ОЭС (Оже-электронной спектроскопии). Чувствительность метода составляет 10^-1-10^-2%, точность анализа 5-10% с разрешением по глубине в пределах 3-30 Å. Исследования проводили на ESCA/AES спектрометре PHJ-548.

Сталь-прототип и плавки заявляемой стали с разными составами на верхнем и нижнем уровне содержания легирующих элементов были выплавлены в открытой высокочастотной индукционной печи емкостью 100 кг с основной футеровкой под флюсом состава 92% CaF₂, 3,5% CaO, 2% SiO₂, 1,8% Al₂О₃ и ряд микродобавок.

Были изготовлены образцы заявляемой стали четырех составов (табл.1)

Температура расплава плавок заявляемой стали и стали-прототипа перед выпуском находилась в пределах 1500-1550°С. Определение состава опытных плавок проводили обычным химическим методом и анализом материала на квантометре фирмы «Philips». Проверку полученных результатов производили методом вакуум-плавления в ОАО «Ижорские заводы».

Каждая из опытных плавок была разлита на четыре слитка массой по 25 кг каждая. Перед обработкой давлением слитки подвергали обдирке, а их прибыльные и донные части удалялись. Ковку осуществляли на молоте с усилием в 1 тонну.

Температурный интервал ковки составлял 1200-1170°С. Нагрев производили со скоростью не более 50 К в час до температуры 1250-1280 К. При этой температуре давалась двухчасовая выдержка. Далее без ограничения скорости температуру поднимали до 1470±10 К и выдерживали слитки при этой температуре в течение 2 ч. Нагрев контролировали хромельалюмелевой термопарой. Подача под боек молота не превышала 80-100 мм за один раз. При понижении температуры заготовки до 1180±10 К ее помещали в печь с температурой 1470 К и выдерживали в ней 1 час.

Таблица 1 Химические составы опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа
Состав стали	С	Mn	Al	Cr	В	Се	Y	V	Nb	Ca	Fe
Прототип	1,1	24,2	5,3	3,2	0,008	0,02	-	-	-	0,008	Ост.
1	1,0	24,0	4,0	2,5	0,005	0,005	0,005	0,08	0,01	0,001	Ост.
2	1,1	24,6	4,7	3,5	0,02	0,01	0,01	0,09	0,02	0,005	Ост.
3	1,1	25,3	5,3	4,5	0,05	0,03	0,03	0,10	0,03	0,007	Ост.
4	1,2	26,0	6,0	5,0	0,1	0,05	0,05	0,12	0,04	0,01	Ост.

Перед термической обработкой поковки разрезали на заготовки под образцы для необходимых видов испытания. При изготовлении образцов использовались заготовки 14×14×500 мм. Полученные заготовки образцов подвергали термической обработке.

Таблица 2. Механические свойства опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа
Механические свойства	σ0,2, МПа	σВ, МПа	δ, %	Ψ, %	KCV, МДж/м2
Прототип
1
2
3
4
* в числителе - свойства сталей при 20°С, в знаменателе при минус 65°С.

Нагрев заготовок производили в лабораторных печах типа «СНОЛ». Результаты испытаний механических свойств заявляемой стали и стали-прототипа приведены в табл.2.

Повышение механических свойств заявляемой стали по отношению к свойствам стали-прототипа следует связывать с измельчением зерна стали за счет оптимального микролегирования ванадием и ниобием и перевода неметаллических включений в более благоприятную - сферическую форму, их измельчения за счет ее модифицирования ЩЗМ и РЗМ (табл.3).

Также улучшение этих характеристик следует связывать с уменьшением суммарной концентрации примесных элементов в границах зерен стали (зернограничных сегрегации), а также значительным снижением содержания в границах самой опасной с точки зрения хладостойкости стали примеси - фосфора (табл.4)

Таблица 3 Средние размеры зерен в опытных плавках заявляемой стали и стали-прототипа
плавка	Прототип	Плавка 1	Плавка 2	Плавка 3	Плавка 4
Средний размер (диаметр) зерна стали (мкм)	59-66	31-42	37-41	39-43	38-42

Таблица 4. Суммарная концентрация примесных атомов и атомов фосфора в границах зерен опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа
плавка	Прототип	Плавка 1	Плавка 2	Плавка 3	Плавка 4
Суммарная величина зернограничной сегрегации примесных элементов (атомных %)*	17,3	10,2	10,7	10,4	10,1
Величина зернограничной сегрегации атомов фосфора (атомных %)*	7,2	4,7	3,9	3,6	3,8
* толщина анализируемого слоя 10 ангстрем.

Исследования магнитной проницаемости в магнитном поле Земли и во внешних магнитных полях приведены в табл.5 и табл.6.

Опытная сталь имеет высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости. Обнаружено измельчение зерна стали и снижение уровня зернограничных сегрегации примесных элементов, в первую очередь фосфора, в границах зерен стали. Исследования ударной вязкости при пониженных температурах показали гарантированное превышение температуры вязкохрупкого перехода материала над температурой эксплуатации оборудования. Магнитная проницаемость заявляемой стали не превышает требуемой величины 0,01 и практически не изменяется во всем рабочем диапазоне температур.

Таким образом, заявляемая сталь может быть использована для изготовления узлов и деталей бурового оборудования, работающего в условиях низких температур климатического холода самых холодных регионов страны - Сибири, Крайнего Севера и Сахалина.

Таблица 5. Механические свойства опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа при 20°С.
Магнитная проницаемость	прототип	Плавка 1	Плавка 2	Плавка 3	Плавка4
В магнитном поле Земли	1,015	1,009	1,007	1,008	1,009
во внешнем поле, напряженностью (кА/м):
9	1,025	1,009	1,008	1,009	1,009
39	1,021	1,008	1,008	1,008	1,009
100	1,019	1,006	1,007	1,007	1,008
320	1,014	1,004	1,006	1,005	1,007
600	1,009	1,003	1,005	1,004	1,006
975	1,007	1,002	1,005	1,004	1,005

Таблица 6. Механические свойства опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа при минус 65°С.
Магнитная проницаемость	прототип	Плавка 1	Плавка 2	Плавка 3	Плавка 4
В магнитном поле Земли	1,018	1,009	1,008	1,009	1,009
во внешнем поле, напряженностью (кА/м):
9	1,031	1,009	1,009	1,009	1,009
39	1,027	1,008	1,008	1,008	1,009
100	1,022	1,007	1,007	1,008	1,008
320	1,018	1,004	1,006	1,006	1,007
600	1,012	1,004	1,006	1,005	1,007
975	1,009	1,002	1,005	1,004	1,006

Хладостойкая, маломагнитная сталь для узлов и деталей бурового оборудования, содержащая углерод, марганец, хром, алюминий, бор, церий, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, ниобий и иттрий, мас.%:

Углерод	1,0-1,2
Марганец	24,0-26,0
Хром	2,5-5,0
Алюминий	4,0-6,0
Бор	0,005-0,1
Иттрий	0,005-0,05
Церий	0,005-0,05
Ванадий	0,08-0,12
Ниобий	0,01-0,04
Кальций	0,001-0,01
Железо	Остальное