КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ И ОБСАДНЫХ ТРУБ Российский патент 2009 года по МПК C22C38/26 F16L9/02 

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_в, МПа Предел текучести, σ_т, 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, K_issc, МПа*м^1/2 Скорость СO₂-коррозии, Т_исп 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

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.

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.