Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали



Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали
Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали
Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали

 


Владельцы патента RU 2635205:

Публичное акционерное общество "Синарский трубный завод" (ПАО "СинТЗ") (RU)
Открытое акционерное общество "Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности" (ОАО "РосНИТИ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству обсадных и насосно-компрессорных труб из коррозионно-стойкой стали, эксплуатируемых на месторождениях для добычи нефти и газа с высокой концентрацией диоксида углерода в составе перекачиваемой среды, расположенных в холодных макроклиматических районах. Для обеспечения высокой ударной вязкости при температуре минус 60°С и удовлетворительной коррозионной стойкости труб групп прочности от L80 до R95 по ГОСТ Ρ 53366-2009 её изготавливают из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, содержащей, мас.%: углерод 0,12-0,17, кремний 0,15-0,50, марганец 0,30-0,90, хром 12,00-14,00, никель 1,80-2,20, медь не более 0,25, алюминий 0,02-0,05, сера не более 0,010, фосфор не более 0,020, азот не более 0,020, железо - остальное. Труба подвергнута закалке от 920 до 1020°С, второй закалке из межкритического интервала температур от 700 до 830°С и отпуску в интервале температур от 560 до 690°С. 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству обсадных и насосно-компрессорных труб из коррозионно-стойкой стали, эксплуатируемых на месторождениях для добычи нефти и газа с высокой концентрацией диоксида углерода в составе перекачиваемой среды, расположенных в холодных макроклиматических районах.

Для нефтяных и газовых месторождений с высокой концентрацией диоксида углерода (СO2) в составе перекачиваемой среды применяют трубы, изготовленные из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса, например:

- с содержанием хрома 12-16 мас. % (патент РФ №2323982, C21D 9/08, 1/76, опубл. 10.05.2008);

- с содержанием хрома 10,5-14 мас. % (патент РФ №2279486, C21D 6/00, С22С 38/50, 38/46, опубл. 10.07.2006);

- с содержанием хрома 7-15 мас. % (патент США №6159311, С22С 38/38, 38/40, C21D 7/00, опубл. 12.12.2000);

- с содержанием хрома 11,5-13,5 мас. % (патент США №8021502, C21D 9/14, 8/10, опубл. 20.09.2011).

Недостатками труб, изготовленных из указанных марок сталей, являются их низкая хладостойкость, оцениваемая по значениям ударной вязкости при температуре испытания минус 60°С (KCV-60°C должна быть не менее 70 Дж/см2 в соответствии с требованиями СТО Газпром 2-4.1-228-2008 «Технические требования к насосно-компрессорным трубам для месторождений ОАО «Газпром» / М.: ООО «ИРЦ Газпром», 32 с.) или высокая стоимость (трубы из низкоуглеродистых сталей класса супер 13Сr дополнительно легированы никелем и молибденом).

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является обсадная или насосно-компрессорная труба группы прочности L80 тип 13Сr (предел текучести от 552 до 655 МПа), выполненная по ГОСТ Ρ 53366-2009 (ISO11960:2004) «Трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин в нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия» / М.: Стандартинформ, 2010, 195 с. Труба изготовлена из стали, содержащей (мас. %): углерод 0,15-0,22; марганец 0,25-1,00; хром 12,0-14,0; никель не более 0,50; медь не более 0,25; сера не более 0,010; фосфор не более 0,020; кремний не более 1,00. Труба подвергнута следующей термической обработке: закалке от температуры аустенитизации (допускается охлаждение на воздухе) и отпуску при температуре не ниже 593°С.

Труба обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в среде, содержащей диоксид углерода, однако ее недостатком является низкая хладостойкость, связанная с высоким содержанием углерода и, как следствие, повышенной объемной долей карбидных фаз в структуре стали. При увеличении прочностных свойств до группы прочности R95 (предел текучести от 655 до 758 МПа) ударная вязкость трубы при температуре испытания минус 60°С становится еще ниже, что не позволяет применять ее на нефтегазовых месторождениях, расположенных в холодных макроклиматических районах.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении хладостойкости труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали групп прочности от L80 до R95 по ГОСТ Ρ 53366-2009.

Поставленная задача решается за счет того, что труба нефтяного сортамента, выполненная из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, подвергнутая закалке и отпуску, согласно изобретению, она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас. %:

углерод 0,12-0,17;

кремний 0,15-0,50;

марганец 0,30-0,90;

хром 12,00-14,00;

никель 1,80-2,20;

сера не более 0,010;

фосфор не более 0,020;

алюминий 0,02-0,05;

медь не более 0,25;

азот не более 0,020;

железо и неизбежные примеси - остальное, при этом перед отпуском труба подвергнута второй закалке из межкритического интервала температур от 700 до 830°С. Кроме того, труба подвергнута отпуску в интервале температур от 560 до 690°С.

Предлагаемые соотношения химических элементов в стали и режим термической обработки определяются следующими факторами.

Содержание углерода в предлагаемых пределах обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств труб после проведения термической обработки, заключающейся в двукратной закалке и отпуске. При снижении содержания углерода менее заявленной концентрации 0,12 мас. % происходит снижение прочностных свойств ниже допустимого уровня, а при содержании углерода выше 0,17 мас. % снижаются коррозионная стойкость и ударная вязкость вследствие увеличения объемной доли карбидной фазы в микроструктуре стали.

Кремний и алюминий в указанных пределах обеспечивают требуемую степень раскисления стали. При меньшем их содержании не обеспечивается полное раскисление стали и повышается концентрация кислорода в стали, что приводит к увеличению количества неметаллических включений оксидного типа. При содержании кремния и алюминия в количестве больше верхнего предела каждого элемента образуются неметаллические включения силикатного типа, а также крупные нитриды и карбонитриды алюминия, отрицательно влияющие на ударную вязкость и коррозионную стойкость стали.

Марганец повышает прочность стали, поэтому его содержание в стали должно составлять не менее 0,30 мас. %. Однако при содержании марганца более 0,90 мас. % снижается ударная вязкость, поскольку марганец способствует развитию отпускной хрупкости.

Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает высокую коррозионную стойкость труб в средах, содержащих диоксид углерода, поскольку он способствует самопассивации поверхности за счет образования прочной окисной защитной пленки, обогащенной хромом. Положительный эффект от предлагаемого содержания хрома проявляется при ограничении содержания углерода, поскольку за счет этого удается обеспечить присутствие большей части хрома в твердом растворе, а не в карбидных фазах. Содержание хрома ниже 12,00 мас. % приводит к снижению стойкости к углекислотной коррозии. С другой стороны, хром является ферритообразующим элементом, и содержание его более 14,00 мас. % вызывает образование в микроструктуре δ-феррита, понижающего технологическую пластичность при горячем деформировании и ударную вязкость при отрицательных температурах.

Содержание никеля в указанных пределах обеспечивает высокую ударную вязкость при отрицательных температурах за счет его положительного влияния на характеристики кристаллической решетки стали, повышая подвижность дислокаций. При содержании никеля менее 1,80 мас. % элемент не оказывает существенного положительного влияния на ударную вязкость стали. Кроме того, никель является аустенитообразующим элементом, и поэтому его содержание выше 2,20 мас. % приводит к увеличению доли остаточного аустенита в структуре закаленной стали и тем самым снижению предела текучести.

Сера является элементом, который значительно ухудшает обрабатываемость в стали при горячей пластической деформации, поэтому содержание серы ограничено 0,010 мас. %.

Фосфор является элементом, снижающим хладостойкость стали, поэтому его содержание ограничено 0,020 мас. %.

Содержание меди ограничено 0,25 мас. %, так как большее содержание меди приводит к ухудшению технологических свойств стали, а именно - к проявлению красноломкости при горячей пластической деформации.

Азот образует нитриды, снижающие ударную вязкость, поэтому его содержание в стали ограничено 0,020 мас. %.

Режим термической обработки трубы включает двукратную закалку и отпуск. Первую закалку из однофазной аустенитной области при температуре нагрева от 920 до 1020°С проводят для получения исходной мартенситной структуры с содержанием мартенсита не менее 95%. В связи с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (прокаливаемостью) предлагаемая сталь закаливается как при ускоренном охлаждении в воде или масле, так и при охлаждении на спокойном воздухе.

Вторую закалку проводят из межкритического интервала при температуре нагрева от 700 (точка Ac1) до 830°С (точка Ас3), в результате чего формируется структура, состоящая из смеси сорбита отпуска с глобулярными карбидамии вновь образовавшегося мартенсита, при этом сорбит отпуска является высокопластичной и вязкой составляющей. При второй закалке также допустимо охлаждение как в воде или масле, так и на спокойном воздухе.

Отличительной особенностью мартенсита, образовавшегося после закалки из межкритического интервала температур, по сравнению с образовавшимся мартенситом после закалки из однофазной аустенитной области, является малый размер мартенситных реек, объединенных в пакеты, что связано с образованием в межкритическом интервале дисперсных зерен аустенита. Достигнутое в результате двукратной закалки измельчение структуры и наличие сорбита отпуска сохраняется после проведения последующего окончательного отпуска в интервале температур от 560 до 690°С и положительно влияет на хладостойкость стали. При проведении отпуска при температуре менее 560°С развивается обратимая отпускная хрупкость, способствующая снижению хладостойкости. Этот вид отпускной хрупкости наблюдается в сталях мартенситного класса и проявляется при отпуске в интервале температур от 450 до 550°С. Отпуск при температуре выше 690°С приводит к аустенитному превращению и появлению в структуре стали при последующем охлаждении участков неотпущенного мартенсита с повышенной хрупкостью.

В результате предлагаемой термической обработки происходит образование высокодисперсной структуры сорбита отпуска, которая обеспечивает необходимую ударную вязкость - не менее 70 Дж/см2 при температуре испытания минус 60°С.

В заводских условиях были изготовлены насосно-компрессорные трубы размерами 88,9×6,45 мм и 114,3×6,88 мм из предложенной марки стали с содержанием основных легирующих элементов на нижнем, среднем и верхнем уровнях (плавки №1-5, таблица 1) и из стали-прототипа (плавки №6 и 7, там же). Термическую обработку труб проводили с применением как предлагаемой двукратной закалки и последующего отпуска, так и с однократной закалкой и отпуском. Закалочное охлаждение во всех случаях проводили на воздухе.

Для подтверждения высокой эксплуатационной надежности труб, изготовленных из стали предлагаемого химического состава с термической обработкой, были проведены испытания механических свойств (таблица 2) и коррозионной стойкости (таблица 3).

Как видно из таблицы 2, термическая обработка труб из стали предлагаемого химического состава (плавки №1-5, таблица 1) и по предлагаемым режимам (испытания №1-7, там же) обеспечивает требуемый комплекс механических свойств: значения предела текучести находятся в интервале от 552 до 758 МПа, что соответствует группам прочности от L80 до R95 по ГОСТ Ρ 53366-2009, ударная вязкость при температуре испытания минус 60°С - больше 70 Дж/см2, предел прочности при этом также соответствует требованиям ГОСТ Ρ 53366-2009. Трубы, изготовленные по прототипу (испытания №8-12, таблица 2), не соответствуют заданным требованиям по хладостойкости (KCV-60°C не менее 70 Дж/см2). Результаты коррозионных испытаний, приведенные в таблице 3, показывают, что трубы, изготовленные по предлагаемому изобретению, как и труба-прототип, обладают требуемой по СТО коррозионной стойкостью (скорость равномерной коррозии не более 0,10 мм/год).

Таким образом, трубы нефтяного сортамента, изготовленные из стали с предлагаемым соотношением компонентов и режимом термической обработки, обладают повышенной эксплуатационной надежностью:

- механические свойства соответствуют группам прочности от L80 до R95 по ГОСТ Ρ 53366-2009 (предел текучести от 552 до 758 МПа);

- хладостойкость, оцениваемая по ударной вязкости при температуре испытания минус 60°С, составляет не менее 70 Дж/см2;

- обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью.

Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали, включающий двукратную закалку и отпуск, отличающийся тем, что труба выполнена из стали, содержащей, мас.%:

углерод 0,12-0,17
кремний 0,15-0,50
марганец 0,30-0,90
хром 12,00-14,00
никель 1,80-2,20
сера не более 0,010
фосфор не более 0,020
алюминий 0,02-0,05
медь не более 0,25
азот не более 0,020
железо и
неизбежные примеси остальное,

при этом первую закалку осуществляют с температуры аустенитизации от 920 до 1020°С с обеспечением мартенситной структуры с содержанием мартенсита не менее 95%, вторую закалку из межкритического интервала температур от 700 до 830°С, а отпуск - в интервале температур от 560 до 690°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальным трубам, получаемым электрической контактной сваркой. Труба имеет химическую композицию, содержащую, в мас.%, С: от 0,03 до 0,59, Si: от 0,10 до 0,50, Mn: от 0,60 до 2,10, Al: от 0,01 до 0,35, Са: от 0,0001 до 0,0040, Cr: от 0,01 до 1,09, при этом содержание Si и содержание Mn удовлетворяют массовому отношению Mn/Si, находящемуся в диапазоне от 6,0 до 9,0, и остальное составляет Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при выплавке в открытых индукционных печах высокохромистых жаропрочных сталей с низким содержанием азота.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной многофазной стали с минимальным пределом прочности на растяжение 580 МПа, преимущественно с двухфазной структурой, для изготовления холодно- или горячекатаной стальной полосы толщиной 0,50-4,00 мм с улучшенными формовочными свойствами, применяемой, в частности, для автомобилестроения с применением легковесных конструкций.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к нержавеющему сплаву на основе железа и хрома, используемому для изготовления ювелирных изделий и деталей часов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов, используемых для легирования стали. Сплав содержит, мас.%: ванадий 30,0-35,0; углерод 0,5-1,0; хром 8,0-10,0; ниобий 8,0-12,0; селен 0,5-1,0; железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаной стали, предназначенной для применения в сооружениях и конструкциях различного назначения в Арктике и Антарктике.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу изготовления высокопрочной конструкционной стали. Способ изготовления высокопрочной конструкционной стали включает этап изготовления сляба для изготовления стального сляба, этап (1) нагревания стального сляба до температуры в диапазоне от 950 до 1300°С, этап (2) выравнивания для выравнивания температуры стального сляба, этап горячей прокатки стального сляба, содержащий стадию (5) горячей прокатки I типа в диапазоне температур, в котором не происходит рекристаллизация, ниже температуры окончания рекристаллизации (RST), но выше температуры А3 образования феррита, и для обеспечения температуры чистовой прокатки (FRT), этап (6) закалки горячекатаной стали со скоростью охлаждения по меньшей мере 20°С/с до температуры окончания закалки (QT), причем указанная температура окончания закалки (QT) находится между температурами Ms и Mf, этап (7, 9) перераспределяющей обработки для перераспределения углерода в микроструктуре горячекатаной стали от мартенсита к аустениту, и этап (8) охлаждения горячекатаной стали до комнатной температуры посредством принудительного или естественного охлаждения.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении быстрорежущей стали из кусковых отходов изношенного режущего инструмента и штамповой оснастки методом электрошлакового переплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству труб нефтяного сортамента. Для повышения коррозионной стойкости металла труб в средах, содержащих сероводород (при парциальном давлении H2S до 1,5 МПа) и углекислый газ (при парциальном давлении СО2 до 0,1 МПа) как одновременно, так и в отдельности, и обеспечения предела прочности не менее 655 МПа, предела текучести от 552 до 758 МПа и сопротивления ударным нагрузкам при минус 60°С не менее 70 Дж/см2 трубы получают из стали, содержащей, мас.%: углерод 0,15-0,25, кремний 0,15-0,35, марганец 0,40-0,70, хром 0,70-1,50, молибден 0,10-0,30, ванадий 0,03-0,08, алюминий 0,015-0,050, сера не более 0,010, фосфор не более 0,015, азот не более 0,012, медь 0,15-0,35, никель не более 0,30 (или 0,30-0,70), железо и неизбежные примеси остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к мартенситным коррозионно-стойким сталям, применяемым для изготовления режущего, мерительного инструмента, пружин, предметов домашнего обихода, подшипников, деталей компрессоров и других изделий, работающих до температур 400-450°C и в слабоагрессивных средах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальным трубам, получаемым электрической контактной сваркой. Труба имеет химическую композицию, содержащую, в мас.%, С: от 0,03 до 0,59, Si: от 0,10 до 0,50, Mn: от 0,60 до 2,10, Al: от 0,01 до 0,35, Са: от 0,0001 до 0,0040, Cr: от 0,01 до 1,09, при этом содержание Si и содержание Mn удовлетворяют массовому отношению Mn/Si, находящемуся в диапазоне от 6,0 до 9,0, и остальное составляет Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к линии и способу термообработки бесшовной трубы из высокопрочной нержавеющей стали. Способ включает термообработку трубы в линии для термической обработки, которая содержит соединенные между собой нагревательную печь для закалки, оборудование для закалки и печь для отпуска.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве труб. Способ индукционной термической обработки сварного соединения бурильных труб включает нагрев под аустенизацию до температуры не более 970°С с выдержкой 15-30 с на 1 мм поперечного сечения сварного соединения, охлаждение и отпуск при температуре Aс1 ± 30°С с выдержкой, увеличенной до трёх раз по отношению к выдержке при аустенизации.

Изобретение относится к области металлургии, нефтяного машиностроения и ремонта подземного оборудования нефтяных скважин и может быть использовано для изготовления и ремонта (восстановления) насосно-компрессорных труб (НКТ).

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения устойчивости к водородному растрескиванию поверхности магистральной трубы, используемой для высокосернистого газа, имеющей толщину 20 мм или более и прочность на разрыв 560 МПа или более, труба выполнена из стали, содержащей химическую композицию С, Si, Mn, Р, S, Al, Nb, Са, N и О, а также один или более компонентов, выбираемых из Cu, Ni, Cr, Mo, V и Ti, в качестве необязательных компонентов, и остальное Fe и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения стойкости к водородному растрескиванию магистральной трубы с толщиной стенки 20 мм или больше и пределом прочности при растяжении, равным 560 МПа или выше, ее выполняют из стали, содержащей С, Si, Mn, Р, S, Al, Nb, Ca, N и О, один или несколько компонентов, выбранных из Cu, Ni, Cr, Mo, V и Ti, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления насосно-компрессорных труб из легированных конструкционных сталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к толстостенным стальным трубам, которые могут быть использованы для бурения или транспортировки нефти и природного газа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной бесшовной стальной трубе, пригодной для применения в нефтяных скважинах. Бесшовная стальная труба выполнена из стали, содержащей в мас.%: С 0,15-0,50, Si 0,1-1,0, Μn 0,3- 1,0, Р 0,015 или менее, S 0,005 или менее, Al 0,01-0,1, N 0,01 или менее, Cr 0,1-1,7, Mo от 0,40-1,1, V от 0,01-0,12, Nb 0,01-0,08, Ti 0,03 или менее, В 0,0005-0,003, Fe и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к высокопрочной стальной трубе с низким отношением предела текучести к пределу прочности, сваренной электрической контактной сваркой, с отношением предела текучести к пределу прочности 80% или менее и TS 655 МПа или более и способ ее изготовления.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения устойчивости к водородному растрескиванию поверхности магистральной трубы, используемой для высокосернистого газа, имеющей толщину 20 мм или более и прочность на разрыв 560 МПа или более, труба выполнена из стали, содержащей химическую композицию С, Si, Mn, Р, S, Al, Nb, Са, N и О, а также один или более компонентов, выбираемых из Cu, Ni, Cr, Mo, V и Ti, в качестве необязательных компонентов, и остальное Fe и неизбежные примеси.
Наверх