Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб
Владельцы патента RU 2371508:
Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к легированным сталям, предназначенным для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, а также скважинного оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, РЗМ, железо и неизбежные примеси 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. В качестве неизбежных примесей сталь содержит не более 0,01 мас.% серы и не более 0,01 мас.% фосфора. Повышаются механические свойства и стойкость к углекислотной коррозии, сульфидному коррозионному воздействию под напряжением и биокоррозии. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
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, σв, МПа | Предел текучести, σт, МПа | Ударная вязкость, KCV-60 Дж/см2 | 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, Kissc, МПа*м1/2 | Скорость СO2-коррозии, Тисп 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 |
1. Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она 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 |
2. Коррозионно-стойкая сталь по п.1, отличающаяся тем, что неизбежные примеси содержат не более 0,01 мас.% серы и не более 0,01 мас.% фосфора.
