ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, КОРРОЗИЙНО-УСТОЙЧИВЫЕ АУСТЕНИТНЫЕ СПЛАВЫ Российский патент 2017 года по МПК C22C38/58 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к высокопрочным, устойчивым к коррозии сплавам. Сплавы в соответствии с настоящим изобретением могут найти применение, например, но без ограничения, в химической промышленности, в горнодобывающей промышленности, а также нефтяной и газовой индустриях.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Детали из металлических сплавов, используемые на химических перерабатывающих предприятиях, могут находиться в контакте с чрезвычайно коррозионными и/или эрозионными составами при предъявляющих высокие требования условиях. Эти условия являются причиной возникновения высоких напряжений в деталях из металлических сплавов, а также, например, активно способствуют эрозии и коррозии. В случае необходимости замены поврежденных, изношенных или корродированных металлических деталей может потребоваться полная остановка на какое-то время функционирования предприятия химического производства. Увеличение срока службы деталей из металлических сплавов в изделиях, используемых для обработки и транспортировки химических веществ, может быть достигнуто путем улучшения механических свойств и/или коррозионной устойчивости сплавов, что может снизить затраты, связанные с химическим производством.

[0003] Подобным образом, при работах по бурению нефтяных и газовых скважин компоненты бурильной колонны могут приходить в негодность из-за механических, химических и/или производственных условий. Компоненты бурильной колонны могут быть объектами повреждений, истирания, трения, нагревания, износа, эрозии, коррозии и/или отложений. Традиционные материалы, используемые для компонентов бурильной колонны, могут зависеть от одного или более ограничений. Например, традиционные материалы могут испытывать недостаток определенных механических свойств (например, предела текучести, предела прочности и/или усталостной прочности), коррозионной стойкости (например, стойкости к точечной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением), а также немагнитных характеристик. Кроме того, использование традиционных материалов может быть ограничено размером и формой компонентов бурильной колонны. Эти ограничения могут сократить срок службы компонентов, при этом усложняя и увеличивая стоимость бурения нефтяных и газовых скважин.

[0004] Таким образом, было бы выгодным обеспечение новыми сплавами, имеющими улучшенные коррозионную стойкость и/или механические свойства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения неограничивающие варианты реализации аустенитного сплава содержат, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,2 углерода; до 20 марганца; от 0,1 до 1,0 кремния; от 14,0 до 28,0 хрома; от 15,0 до 38,0 никеля, от 2,0 до 9,0 молибдена; от 0,1 до 3,0 меди; от 0,08 до 0,9 азота; от 0,1 до 5,0 вольфрама; от 0,5 до 5,0 кобальта; до 1,0 титана; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо; и случайные примеси.

[0006] В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения неограничивающие варианты реализации аустенитного сплава в соответствии с настоящим изобретением содержат, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,05 углерода; от 2,0 до 8,0 марганца; от 0,1 до 0,5 кремния; от 19,0 до 25,0 хрома; от 20,0 до 35,0 никеля; от 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,5 до 2,0 меди; от 0,2 до 0,5 азота; от 0,3 до 2,5 вольфрама; от 1,0 до 3,5 кобальта; до 0,6 титана; суммарный массовый процент ниобия и тантала не более чем 0,3; до 0,2 ванадия; до 0,1 алюминия; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо и случайные примеси; причем эта сталь имеет PREN₁₆ значение по меньшей мере 40, критическую температуру точечной коррозии (питтинга) по меньшей мере 45°C и значение коэффициента чувствительности к предотвращению выделений (CP) меньше 750.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Следует понимать, что определенные описания вариантов реализации, приведенные здесь, были упрощены для показа только тех элементов, признаков и аспектов, которые способствуют четкому пониманию раскрытых вариантов реализации, в то время как для ясности устранены другие элементы, функции и аспекты. Лица, обладающие обычной квалификацией в данной области техники, при рассмотрении настоящего описания раскрытых вариантов реализации поймут, что при конкретной реализации или применении описанных вариантов реализации могут быть желательными другие элементы и/или признаки. Однако, поскольку такие другие элементы и/или признаки могут быть легко установлены и реализованы специалистами, обладающими обычной квалификацией в данной области техники, после рассмотрения настоящего описания раскрытых вариантов реализации, и, следовательно, не являются необходимыми для полного понимания раскрытых вариантов реализации, описание таких элементов и/или признаков не предусмотрено в настоящем документе. Таким образом, следует понимать, что приведенное здесь описание раскрытых вариантов реализации является всего лишь примерным и иллюстративным и не предназначено для ограничения объема изобретения, определяемого исключительно формулой изобретения.

[0008] Кроме того, любой числовой диапазон, приведенный в настоящем документе, предполагает включение всех поддиапазонов, входящих в него. Например, диапазон "от 1 до 10" предназначен включать все поддиапазоны между указанным минимальным значением 1 и указанным максимальным значением 10 (и включая их), то есть имеющий минимальное значение, равное или большее 1, и максимальное значение, равное или меньшее 10. Любой максимальный численный предел, приведенный в настоящем документе, предназначен включать все меньшие численные пределы в рамках данной категории, а любой минимальный численный предел, приведенный в настоящем документе, предназначен включать всех большие численные пределы в рамках данной категории. Соответственно, Заявитель оставляет за собой право вносить изменения в настоящее описание, включая формулу изобретения, чтобы непосредственно указать любой поддиапазон, вошедший в явно указанные здесь диапазоны. Все такие диапазоны предусмотрены как по сути раскрытые здесь, так что внесение изменений с явным указанием любых таких поддиапазонов соответствовало бы требованиям 35 U.S.C. § 112, первый абзац, и 35 U.S.C. § 132 (а).

[0009] Грамматические формы единственного числа, используемые в настоящем документе, предназначены включать "по меньшей мере один" или "один или более", если не указано иное. Таким образом, формы единственного числа используются здесь для обозначения одного или более чем одного (т.е. по меньшей мере одного) обозначаемого этими формами объекта. В качестве примера, "компонент" означает один или более компонентов, и, таким образом, возможно, предполагается более чем один компонент, и такие множественные компоненты могут быть использованы или применены в описанных вариантах реализации.

[0010] Все проценты и соотношения рассчитываются на основе общей массы состава сплава, если не указано иного.

[0011] Любые патент, публикация или другой раскрывающий материал, которые указаны включенными сюда полностью или частично по ссылке, включены в настоящее описание только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, заявлениям или другим раскрывающим материалам, изложенным в этом описании. Таким образом и в необходимой степени, изложенное здесь описание заменяет любые конфликтующие материалы, включенные сюда по ссылке. Любой материал, или его часть, которые упомянуты как включенные сюда по ссылке, но которые противоречат существующим определениям, заявлениям или другим раскрывающим материалам, изложенным в настоящем документе, включены только в той степени, чтобы не возникало никакого конфликта между включенным материалом и существующим раскрывающим материалом.

[0012] Настоящее изобретение включает в себя описание различных вариантов реализации. Следует иметь в виду, что все описанные здесь варианты реализации являются примерными, иллюстративными, а не ограничивающими. Таким образом, изобретение не ограничивается описанием различных примерных, иллюстративных и неограничивающих вариантов реализации. Наоборот, изобретение определяется исключительно формулой изобретения, в которую могут быть внесены изменения с указанием любых признаков, явно или косвенно раскрытых в настоящем описании или явно или косвенно подкрепленных настоящим описанием изобретения.

[0013] Традиционные сплавы, используемые в химическом производстве, горной промышленности и/или добыче нефти и газа, могут не обладать оптимальным уровнем коррозионной стойкости и/или оптимальным уровнем одного или более механических свойств. Различные варианты реализации сплавов, описанные здесь, могут иметь определенные преимущества по сравнению с традиционными сплавами, в том числе, но не ограничиваясь этим, обладать улучшенной коррозионной стойкостью и/или механическими свойствами. Определенные варианты реализации могут демонстрировать улучшенные механические свойства, без какого-либо снижения коррозионной стойкости, например. Некоторые варианты реализации могут демонстрировать улучшенные ударные свойства, свариваемость, сопротивление коррозионной усталости, истиранию и/или водородному охрупчиванию по сравнению с традиционными сплавами.

[0014] В различных вариантах реализации описанные здесь сплавы могут иметь значительную коррозионную устойчивость и/или выгодные механические свойства, подходящие для использования в ответственных приложениях. Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, полагаем, что описанные здесь сплавы могут демонстрировать высокую прочность на растяжение благодаря улучшенной реакции на деформационное упрочнение при деформировании, в то же время сохраняя высокую коррозионную стойкость. Деформационное упрочнение или наклеп могут быть использованы для упрочнения материалов, которые обычно не реагируют хорошо на термообработку. Специалисту в данной области, однако, будет очевидно, что точный характер структуры, полученной холодной обработкой давлением, может зависеть от материала, деформации, скорости деформации и/или температуры деформирования. Не желая быть связанными любой конкретной теорией, полагаем, что деформационное упрочнение сплава с описанным здесь составом позволяет более эффективно получать сплав, демонстрирующий улучшенные коррозионную стойкость и/или механические свойства по сравнению с некоторыми традиционными сплавами.

[0015] В соответствии с различным неограничивающим вариантам реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может состоять, состоять по существу из или содержать хром, кобальт, медь, железо, марганец, молибден, никель, углерод, азот и вольфрам, а также может, но не обязательно, содержать один или более элементов из алюминия, кремния, титана, бора, фосфора, серы, ниобия (Колумбия), тантала, рутения, ванадия, циркония, в качестве либо следовых элементов, либо случайных примесей.

[0016] Кроме того, в соответствии с различными вариантами реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может содержать, состоять по существу из или состоять из, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,2 углерода, до 20 марганца, от 0,1 до 1,0 кремния, от 14,0 до 28,0 хрома, от 15,0 до 38,0 никеля, от 2,0 до 9,0 молибдена, от 0,1 до 3,0 меди, от 0,08 до 0,9 азота, от 0,1 до 5,0 вольфрама, от 0,5 до 5,0 кобальта, до 1,0 титана, до 0,05 бора, до 0,05 фосфора, до 0,05 серы, железо и случайные примеси.

[0017] Кроме того, в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может содержать, состоять по существу из или состоять из, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,05 углерода, от 1,0 до 9,0 марганца, от 0,1 до 1,0 кремния, от 18,0 до 26,0 хрома, от 19,0 до 37,0 никеля, от 3,0 до 7,0 молибдена, от 0,4 до 2,5 меди, от 0,1 до 0,55 азота, от 0,2 до 3,0 вольфрама, от 0,8 до 3,5 кобальта, до 0,6 титана, суммарного весового процента ниобия и тантала не более 0,3; до 0,2 ванадия; до 0,1 алюминия; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо и случайные примеси.

[0018] Кроме того, в соответствии с различными неограничивающими вариантами реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может содержать, состоять по существу из или состоять из, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,05 углерода; от 2,0 до 8,0 марганца; от 0,1 до 0,5 кремния; от 19,0 до 25,0 хрома; от 20,0 до 35,0 никеля; от 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,5 до 2,0 меди; от 0,2 до 0,5 азота; от 0,3 до 2,5 вольфрама; от 1,0 до 3,5 кобальта; до 0,6 титана; суммарного весового процента ниобия и тантала не более 0,3; до 0,2 ванадия; до 0,1 алюминия; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо и случайные примеси.

[0019] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать углерод в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 2,0; до 0,8; до 0,2; до 0,08; до 0,05; до 0,03; от 0,005 до 2,0; от 0,01 до 2,0; от 0,01 до 1,0; от 0,01 до 0,8; от 0,01 до 0,08; от 0,01 до 0,05; и от 0,005 до 0,01.

[0020] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать марганец в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 20,0; до 10,0; от 1,0 до 20,0; от 1,0 до 10; от 1,0 до 9,0; от 2,0 до 8,0; от 2,0 до 7,0; от 2,0 до 6,0; от 3,5 до 6,5; и от 4,0 до 6,0.

[0021] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать кремний в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; от 0,1 до 1,0; от 0,5 до 1,0; и 0,1 до 0,5.

[0022] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать хром в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 14,0 до 28,0; от 16,0 до 25,0; от 18,0 до 26; от 19,0 до 25,0; от 20,0 до 24,0; от 20,0 до 22,0; от 21,0 до 23,0; и от 17,0 до 21,0.

[0023] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать никель в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 15,0 до 38,0; от 19,0 до 37,0; от 20,0 до 35,0; и от 21,0 до 32,0.

[0024] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать молибден в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 2,0 до 9,0; от 3,0 до 7,0; от 3,0 до 6,5; от 5,5 до 6,5; и от 6,0 до 6,5.

[0025] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать медь в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 0,1 до 3,0; от 0,4 до 2,5; от 0,5 до 2,0; и от 1,0 до 1,5.

[0026] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать азот в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 0,08 до 0,9; от 0,08 до 0,3; от 0,1 до 0,55; от 0,2 до 0,5; и от 0,2 до 0,3. В определенных вариантах азот может быть ограничен до 0,35 массовых процентов или 0,3 массовых процентов вследствие его ограниченной растворимости в сплаве.

[0027] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать вольфрам в любом из следующих массовых процентных диапазонов: от 0,1 до 5,0; от 0,1 до 1,0; от 0,2 до 3,0; от 0,2 до 0,8; и от 0,3 до 2,5.

[0028] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать кобальт в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 5,0; от 0,5 до 5,0; от 0,5 до 1,0; от 0,8 до 3,5; от 1,0 до 4,0; от 1,0 до 3,5; и от 1,0 до 3,0. В некоторых вариантах реализации кобальт неожиданно улучшил механические свойства сплава. Например, в определенных вариантах реализации сплава добавки кобальта могут обеспечить до 20%-го увеличения вязкости, до 20%-го увеличения относительного удлинения и/или улучшенную коррозионную стойкость. Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, считаем, что кобальт может увеличить устойчивость к вредным выделениям сигма-фазы в сплаве по сравнению с не содержащими кобальта вариантами, которые демонстрировали более высокие уровни сигма-фазы на границах зерен после горячей обработки давлением.

[0029] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать кобальт/вольфрам в массовом процентном соотношении от 2:1 до 5:1, или от 2:1 до 4:1. В определенных вариантах реализации соотношение кобальт/вольфрам в массовых процентах может быть, например, примерно 4:1. Использование кобальта и вольфрама может придавать улучшенное упрочнение твердому раствору в сплаве.

[0030] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать титан в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; до 0,6; до 0,1; до 0,01; от 0,005 до 1,0; и от 0,1 до 0,6.

[0031] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать цирконий в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; до 0,6; до 0,1; до 0,01; от 0,005 до 1,0; и от 0,1 до 0,6.

[0032] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать колумбий (ниобий) и/или тантал в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; до 0,5; до 0,3; от 0,01 до 1,0; от 0,01 до 0,5; от 0,01 до 0,1; и от 0,1 до 0,5. В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать суммарный массовый процент ниобия и тантала в любом из следующих диапазонов: до 1,0; до 0,5; до 0,3; от 0,01 до 1,0; от 0,01 до 0,5; от 0,01 до 0,1; и от 0,1 до 0,5.

[0033] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать ванадий в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; до 0,5; до 0,2; от 0,01 до 1,0; от 0,01 до 0,5; от 0,05 до 0,2; и от 0,1 до 0,5.

[0034] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать алюминий в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 1,0; до 0,5; до 0,1; до 0,01; от 0,01 до 1,0; от 0,1 до 0,5; и от 0,05 до 0,1.

[0035] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать бор в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 0,05; до 0,01; до 0,008; до 0,001; до 0,0005.

[0036] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать фосфор в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 0,05; до 0,025; до 0,01; и до 0,005.

[0037] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать серу в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 0,05; до 0,025; до 0,01; и до 0,005.

[0038] В различных неограничивающих вариантах реализации остаток сплава по настоящему изобретению может содержать железо и случайные примеси. В различных вариантах реализации сплав может содержать железо в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 60; до 50; от 20 до 60; от 20 до 50; от 20 до 45; 35 до 45; от 30 до 50; от 40 до 60; от 40 до 50; от 40 до 45; и от 50 до 60.

[0039] В некоторых неограничивающих вариантах реализации сплава по настоящему изобретению сплав может включать в себя один или более следовых элементов. Используемое здесь понятие "следовые элементы" относится к элементам, которые могут присутствовать в сплаве в результате определенного состава исходных материалов и/или задействованного способа плавки и которые присутствуют в концентрациях, которые не оказывают существенного отрицательного влияния на важные свойства сплава, такие, как описанные здесь в целом свойства. Следовые элементы могут включать, например, один или более из титана, циркония, колумбия (ниобия), тантала, ванадия, алюминия и бора в любой из описанных здесь концентраций. В некоторых неограничивающих вариантах реализации следовые элементы могут не присутствовать в сплавах по настоящему изобретению. Как известно в данной области техники, при производстве сплавов следовые элементы, как правило, могут быть в значительной степени или полностью устранены путем подбора определенных исходных материалов и/или использования определенных методов обработки. В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать общую концентрацию следовых элементов в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 5,0; до 1,0; до 0,5; до 0,1; от 0,1 до 5,0; от 0,1 до 1,0; и от 0,1 до 0,5.

[0040] В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать общую концентрацию случайных примесей в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 5,0; до 1,0; до 0,5; до 0,1; от 0,1 до 5,0; от 0,1 до 1,0; и от 0,1 до 0,5. Обычно используемый здесь термин "случайные примеси" относится к одному или более из элементов: висмут, кальций, церий, лантан, свинец, кислород, фосфор, рутений, серебро, селен, сера, теллур, олово и цирконий, которые могут присутствовать в сплаве в незначительных концентрациях. В различных неограничивающих вариантах реализации отдельные случайные примеси в сплаве по настоящему изобретению не превышают следующих максимальных массовых процентов: 0,0005 висмута; 0,1 кальция; 0,1 церия; 0,1 лантана; 0,001 свинца; 0,01 олова; 0,01 кислорода; 0,5 рутения; 0,0005 серебра; 0,0005 селена; и 0,0005 теллура. В различных неограничивающих вариантах реализации суммарный массовый процент любых сочетаний церия и/или лантана и кальция, присутствующих в сплаве, может доходить до 0,1. В различных неограничивающих вариантах реализации суммарный массовый процент любых сочетаний церия и/или лантана, присутствующих в сплаве, может доходить до 0,1. Другие элементы, которые могут присутствовать в качестве случайных примесей в описанных здесь сплавах, будут очевидны специалистам обычной квалификации в данной области. В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может содержать общую концентрацию следовых элементов и случайных примесей, находящуюся в любом из следующих массовых процентных диапазонов: до 10,0; до 5,0; до 1,0; до 0,5; до 0,1; от 0,1 до 10,0; от 0,1 до 5,0; от 0,1 до 1,0; и от 0,1 до 0,5.

[0041] В различных неограничивающих вариантах реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может быть немагнитным. Эта характеристика может облегчить использование сплава там, где важны немагнитные свойства, в том числе, например, использование в некоторых применениях компонентов нефтегазовой бурильной колонны. Некоторые неограничивающие варианты реализации описанного здесь аустенитного сплава могут быть охарактеризованы значением магнитной проницаемости (μ_Г) в пределах определенного диапазона. В различных вариантах реализации значение магнитной проницаемости сплава по настоящему изобретению может составлять менее чем 1,01, менее чем 1,005 и/или менее чем 1,001. В различных вариантах реализации сплав может быть по существу свободен от феррита.

[0042] В различных неограничивающих вариантах реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может быть охарактеризован числовым эквивалентом стойкости к точечной коррозии (Pitting Resistance Equivalent Number, PREN) в пределах определенного диапазона. Как это понятно, PREN приписывает относительное значение ожидаемого сопротивления сплава точечной коррозии в хлоридсодержащей среде. Как правило, сплавы с более высоким PREN предположительно имеют лучшую коррозионную стойкость, чем сплавы с более низким PREN. Один конкретный расчет PREN дает значение PREN₁₆ по следующей формуле, где проценты являются массовыми процентами в пересчете на массу сплава:

PREN₁₆=%Cr+3,3(%Мо)+16(%N)+1,65(%W).

В различных неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению может иметь значение PREN₁₆ в любом из следующих диапазонов: до 60; до 58; больше 30; больше 40; больше 45; больше 48; от 30 до 60; от 30 до 58; от 30 до 50; от 40 до 60; от 40 до 58; от 40 до 50; и от 48 до 51. Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, считаем, что более высокое значение PREN₁₆ может указывать на большую вероятность того, что сплав будет демонстрировать достаточную стойкость к коррозии в таких средах, как, например, высококоррозионные среды, высокотемпературные среды и низкотемпературные среды. В агрессивно коррозионных средах может находиться, например, химическое технологическое оборудование, а скважинное оборудование, бурильные колонны в нефтегазовой промышленности подвергается воздействию среды в скважине. К агрессивно коррозионным средам, воздействующим на сплав, относятся, например, щелочные соединения, кислотные хлоридные растворы, кислотные сульфидные растворы, пероксиды и/или CO₂, наряду с экстремальными температурами.

[0043] В различных неограничивающих вариантах реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может быть охарактеризован значением коэффициента чувствительности к предотвращению выделений (coefficient of sensitivity to avoid precipitations, CP) в пределах определенного диапазона. Значение CP описано, например, в патенте США №5494636, озаглавленном "Austenitic Stainless Steel Having High Properties". Значение CP является относительным показателем кинетики выделения интерметаллических фаз в сплаве. Значение CP может быть рассчитано по следующей формуле, где проценты являются массовыми процентами в пересчете на массу сплава: CP=20(%Cr)+0,3(%Ni)+30(%Мо)+5(%W)+10(%Mn)+50(%С)-200(%N).

Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, считаем, что сплавы со значением CP меньше 710 будут демонстрировать выгодную устойчивость аустенита, что помогает минимизировать сенсибилизацию ЗТВ (зоны термического влияния) из-за интерметаллических фаз в процессе сварки. В различных неограничивающих вариантах реализации описанный здесь сплав может иметь CP в любом из следующих диапазонов: до 800; до 750; менее 750; до 710; менее 710; до 680; и от 660 до 750.

[0044] В различных неограничивающих вариантах реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может быть охарактеризован критической температурой питтинга (Critical Pitting Temperature, CRT) и/или критической температурой щелевой коррозии (Critical Crevice Corrosion Temperature, CCCT) в пределах определенного диапазона. В ряде применений значения СРТ и СССТ могут более точно указать коррозионную стойкость сплава, чем значение PREN сплава. СРТ и СССТ могут быть измерены в соответствии с ASTM G48-11, озаглавленным "Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution". В различных неограничивающих вариантах реализации СРТ сплава по настоящему изобретению может быть по меньшей мере 45°С или, более предпочтительно, по меньшей мере 50°С, а СССТ может быть по меньшей мере 25°С или, более предпочтительно, по меньшей мере 30°С.

[0045] В различных неограничивающих вариантах реализации аустенитный сплав по настоящему изобретению может быть охарактеризован значением сопротивления хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в пределах определенного диапазона. Значение SCC описано, например, в A.J. Sedricks, "Corrosion of Stainless Steels" (J. Wiley and Sons 1979). В различных неограничивающих вариантах реализации значение SCC сплава по настоящему изобретению может быть измерено или частично применено в соответствии с одним или более из ASTM G30-97 (2009) под названием "Standard Practice for Making and Using U-Bend Stress-Corrosion Test Specimens"; ASTM G36-94 (2006) под названием "Standard Practice for Evaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistance of Metals and Alloys in a Boiling Magnesium Chloride Solution"; ASTM G39-99 (2011) "Standard Practice for Preparation and Use of Bent-Beam Stress-Corrosion Test Specimens"; ASTM G49-85 (2011) "Standard Practice for Preparation and Use of Direct Tension Stress-Corrosion Test Specimens", а также ASTM G123-00 (2011) "Standard Test Method for Evaluating Stress-Corrosion Cracking of Stainless Alloys with Different Nickel Content In Boiling Acidified Sodium Chloride Solution". В различных неограничивающих вариантах реализации значение SCC сплава по настоящему изобретению достаточно высоко, чтобы показать, что сплав может соответствующим образом противостоять кипящему кислотному раствору хлорида натрия в течение 1000 часов, не испытывая неприемлемого коррозионного растрескивания под напряжением, в соответствии с оценкой по ASTM G123-00 (2011).

[0046] Описанные здесь сплавы могут быть изготовлены в виде или включены в состав различных изделий. Такие изделия могут содержать, например и без ограничения, аустенитный сплав по настоящему изобретению, содержащий, состоящий по существу из или состоящий из, в массовых процентах в пересчете на общую массу сплава: до 0,2 углерода; до 20 марганца, от 0,1 до 1,0 кремния; от 14,0 до 28,0 хрома; от 15,0 до 38,0 никеля; от 2,0 до 9,0 молибдена; от 0,1 до 3,0 меди; от 0,08 до 0,9 азота; от 0,1 до 5,0 вольфрама; от 0,5 до 5,0 кобальта; до 1,0 титана; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо и случайные примеси. Изделия, которые могут включать в себя сплав по настоящему изобретению, могут быть выбраны из, например, деталей и компонентов для использования в химической промышленности, нефтехимической промышленности, горнодобывающей промышленности, нефтяной промышленности, газовой промышленности, бумажной промышленности, пищевой промышленности, фармацевтической промышленности и/или водном хозяйстве. К неограничивающим примерам конкретных изделий, которые могут включать в себя сплав по настоящему изобретению, относятся: труба; лист; плита (тарелка); пруток; стержень; поковка; бак; компонент трубопровода; трубное оборудование, конденсоры и теплообменники, предназначенные для использования с химическими веществами, газом, сырой нефтью, морской водой, технической водой и/или агрессивными текучими средами (например, щелочными соединениями, кислотными растворами хлоридов, кислотными растворами сульфидов и/или перекисями); промыватели фильтров, чаны и нажимные валики в целлюлозно-отбеливательных производствах; системы трубопроводов подачи технической воды на атомных электростанциях (АЭС) и оборудование газо- и дымоочистки электростанций; компоненты технологических систем для морских нефтяных и газовых платформ; компоненты газовых скважин, в том числе трубы, клапаны, подвески, наземные штуцеры, замковые соединения и паковка; компоненты газотурбинного двигателя; компоненты и насосы опреснительных установок; ректификационные нефтяные колонны и паковка; изделия для морской среды, такие как, например, корпуса трансформаторов; клапаны; валы; фланцы; дроссели; коллекторы; сепараторы; обменники; насосы; компрессоры; крепеж; гибкие вставки; сильфоны; дымоходы; дымоходные вставки; а также некоторые компоненты бурильной колонны, такие как, например, стабилизаторы, поворотные направляющие буровых компонент, утяжеленные бурильные трубы, составные отвальные стабилизаторы, стабилизатор оправки, сверлильные и измерительные тубусы, сверлильные и измерительные корпуса, корпуса бурильных упоров, немагнитные утяжеленные бурильные трубы, немагнитные бурильные трубы, составные немагнитные отвальные стабилизаторы, немагнитные гибкие хомуты и обжимные устройства бурильных труб.

[0047] Сплавы по настоящему изобретению могут быть изготовлены в соответствии с методами, известными специалистам обычной квалификации, после рассмотрения состава сплава, описанного в настоящем изобретении. Например, способ получения аустенитного сплава по настоящему изобретению может в общем содержать: обеспечение наличия аустенитного сплава, имеющего любой из приведенных в настоящем описании составов, и деформационное упрочнение сплава. В различных неограничивающих вариантах реализации способа аустенитный сплав содержит, состоит по существу из или состоит из, в массовых процентах: до 0,2 углерода; до 20 марганца; от 0,1 до 1,0 кремния; от 14,0 до 28,0 хрома; 15,0 до 38,0 никеля; от 2,0 до 9,0 молибдена; от 0,1 до 3,0 меди; от 0,08 до 0,9 азота; от 0,1 до 5,0 вольфрама; от 0,5 до 5,0 кобальта; до 1,0 титана; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо и случайные примеси. В различных неограничивающих вариантах реализации такого способа деформационное упрочнение сплава может быть проведено традиционным способом путем деформирования сплава с использованием одного или более из следующих методов: прокатки, ковки, штамповки, прошивки, прессования выдавливанием, дробеструйной обработки, проковки и/или гибки сплава. В различных неограничивающих вариантах реализации деформационное упрочнение может включать холодную обработку сплава давлением.

[0048] Этап обеспечения наличия аустенитного сплава, имеющего любой из приведенных в настоящем описании составов, может содержать любой подходящий традиционный метод, известный в данной области техники для производства металлических сплавов, такой как, например, приемы плавки и приемы порошковой металлургии. Неограничивающие примеры традиционных приемов плавки включают, без ограничения, приемы, использующие широко употребляемые методы плавки (например, вакуумно-дуговой переплав (ВДП) и электрошлаковый переплав (ЭШП)), мало употребляемые методы плавки (например, плазменная плавка с холодным подом и электронно-лучевая плавка с холодным подом), а также сочетание двух или более из этих методов. Как известно из данной области техники, определенные приемы порошковой металлургии для получения сплава обычно включают производство порошкообразного сплава с использованием следующих стадий: AOD, VOD или ингредиенты для вакуумной индукционной плавки с обеспечением расплава, имеющего желаемый состав; распыления расплава с использованием обычных методик распыления, чтобы обеспечить сплав в порошкообразном виде, и прессование и спекание всего или части порошкообразного сплава. По одному традиционному методу распыления поток расплава приводят в контакт с вращающейся лопастью распылителя, которая дробит поток на мелкие капельки. Капельки могут быстро затвердевать в вакууме или атмосфере инертного газа, образуя мелкие твердые частицы сплава.

[0049] Независимо от того, применяются ли при приготовлении сплава приемы плавки или порошковой металлургии, используемые для получения сплава ингредиенты (которые могут включать, например, чистые элементарные исходные материалы, лигатуры, полуочищенные материалы и/или лом) могут быть объединены обычным способом в желаемых количествах и соотношениях и введены в выбранное плавильное устройство. Посредством соответствующего подбора исходных материалов следовые элементы и/или случайные примеси могут быть доведены до приемлемых уровней, чтобы получить желаемые механические или другие свойства в конечном сплаве. Выбор и способ добавления каждого из ингредиентов сырья с образованием расплава должен тщательно контролироваться из-за того эффекта, который эти добавки оказывают на свойства сплава в окончательном виде. Кроме того, методы рафинирования, известные в данной области техники, могут быть применены для уменьшения или устранения присутствия нежелательных элементов и/или включений в сплаве. При расплавлении материалы могут быть объединены в практически однородном виде традиционными методами плавки и обработки.

[0050] Различные варианты реализации описанного здесь аустенитного стального сплава могут давать улучшенные коррозионную стойкость и/или механические свойства по сравнению с обычными сплавами. Некоторые из вариантов реализации сплава могут иметь большие или лучшие предел прочности на растяжение, предел текучести, относительное удлинение и/или твердость, чем у сплава DATALLOY 2® и/или сплава AL-6XN®. Кроме того, некоторые из вариантов реализации сплава могут иметь значения PREN, CP, СРТ, СССТ и/или SCC, сравнимые или большие, чем у сплавов DATALLOY 2® и/или AL-6XN®. Кроме того, некоторые из вариантов реализации сплава могут иметь улучшенную усталостную прочность, микроструктурную стабильность, вязкость, сопротивление термическому растрескиванию, питтинговой коррозии, гальванической коррозии, SCC, обрабатываемость резанием и/или стойкость к истиранию по отношению к сплаву DATALLOY 2® и/или сплаву AL-6XN®. Как известно специалистам, обладающим обычной квалификацией в данной области техники, сплав DATALLOY 2® является нержавеющей сталью Cr-Mn-N, имеющей следующий номинальный состав в массовых процентах: 0,03 углерода; 0,30 кремния; 15,1 марганца; 15,3 хрома, 2,1 молибдена; 2,3 никеля; 0,4 азота; остальное - железо и примеси. Кроме того, как известно специалистам, обладающим обычной квалификацией в данной области техники, сплав AL-6XN® (US N08367) является супераустенитной нержавеющей сталью, имеющей следующий типичный состав в массовых процентах: 0,02 углерода; 0,40 марганца; 0,020 фосфора; 0,001 серы; 20,5 хрома; 24,0 никеля; 6,2 молибдена; 0,22 азота; 0,2 меди; остальное железо. Сплавы DATALLOY 2® и AL-6XN® доступны из фирмы Allegheny Technologies Incorporated, г. Питтсбург, шт. Пенсильвания, США.

[0051] В некоторых неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению демонстрирует, при комнатной температуре, предел прочности на растяжение по меньшей мере 110 ksi (килофунтов на квадратный дюйм), предел текучести по меньшей мере 50 ksi и/или относительное удлинение по меньшей мере 15%. В различных других неограничивающих вариантах реализации сплав по настоящему изобретению демонстрирует в отожженном состоянии предел прочности на растяжение в диапазоне от 90 ksi до 150 ksi, предел текучести в диапазоне от 50 ksi до 120 ksi и/или относительное удлинение в диапазоне от 20% до 65% при комнатной температуре. В неограничивающих вариантах реализации, после деформационного упрочнения сплава, он демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 155 ksi, предел текучести по меньшей мере 100 ksi и/или относительное удлинение по меньшей мере 15%. В некоторых других неограничивающих вариантах реализации, после деформационного упрочнения сплава, он демонстрирует предел прочности в диапазоне от 100 ksi до 240 ksi, предел текучести в диапазоне от 110 ksi до 220 ksi и/или относительное удлинение в диапазоне от 15% до 30%. В других неограничивающих вариантах реализации, после деформационного упрочнения сплава по настоящему изобретению, сплав обладает пределом текучести до 250 ksi и/или пределом прочности при растяжении до 300 ksi.

ПРИМЕРЫ

[0052] Различные варианты реализации, описанные здесь, могут быть лучше поняты при прочтении совместно с одним или более из следующих характерных примеров. Последующие примеры включены в целях иллюстрации, а не ограничения.

[0053] Получили несколько 300-фунтовых плавок методом ВИП (вакуумной индукционной плавки), имеющих составы, приведенные в Таблице 1, в которой пробелы указывают, что значение не было определено для данного элемента. Плавки №№от WT-76 до WT-81 представляют собой неограничивающие варианты реализации сплавов по настоящему изобретению. Плавки №№ WT-82, 90FE-T1 и 90FE-B1 представляют собой варианты сплава DATALLOY 2®. Плавка № WT-83 представляет собой вариант сплава AL-6XN®. Из плавок отливали слитки и использовали образцы слитков для установления подходящего рабочего диапазона обжима слитков. Слитки подвергли ковке при 2150°F с подходящими подогревами для получения из каждой плавки прутков прямоугольного сечения 2,75 дюйма на 1,75 дюйма.

[0054] Из прутков прямоугольного сечения, полученных из нескольких плавок, взяли отрезки примерно 6-дюймовой длины и подвергли их ковке с обжатием от 20% до 35% для деформационного упрочнения секций. Деформационно-упрочненные отрезки испытали на растяжение для определения механических свойств, которые перечислены в Таблице 2. Испытания на растяжение и магнитную проницаемость проводили с использованием стандартных процедур испытаний на растяжение. Коррозионная стойкость каждого отрезка была оценена по процедуре "Practice С" из ASTM G48-11, "Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution". Коррозионная стойкость также оценивали с использованием приведенной выше формулы PREN₁₆. В Таблице 2 представлена температура, при которой ковали отрезки. Как указано в Таблице 2, испытания проводили дважды по каждому из образцов. Таблица 2 также показывает процентное снижение толщины ("Деформация %") отрезков, достигнутое на стадии ковки для каждого отрезка. У каждого из испытываемых отрезков первоначально оценивали механические свойства при комнатной температуре ("RT") до ковки (0% деформации).

[0055] Как показано в Таблице 1, плавки №№ от WT-76 до WT-81 имели более высокие значения PREN₁₆ и CP относительно плавки № WT-82, а также улучшенные значения CP относительно плавок №№ 90FE-T1 и 90FE-B1. Как показано в Таблице 2, пластичность кобальтсодержащих сплавов, полученных в плавках №№ WT-80 и WT-81, неожиданно оказалась значительно лучше, чем измеренная пластичность сплавов, полученных в плавках №№ WT-76 и WT-77, которые в целом соответствуют сплавам без кобальта. Это наблюдение предполагает, что имеется преимущество во включении кобальта в сплавы по настоящему изобретению. Как обсуждалось выше, не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, считаем, что кобальт может увеличить устойчивость к выделению вредной сигма-фазы в сплаве, улучшая тем самым пластичность. Данные в таблице 2 также указывают, что добавка марганца в плавке № WT-83 повысила прочность после деформации. Все экспериментальные сплавы были немагнитными (имея магнитную проницаемость около 1,001) при оценке с использованием процедуры испытаний, традиционно применяемой для измерения магнитной проницаемости сплава DATALLOY 2®.

[0056] Это описание изобретения было написано со ссылкой на различные неограничивающие и неисчерпывающие варианты реализации. Тем не менее, как это будет признано специалистами, обладающими обычной квалификацией в данной области техники, различные замены, модификации или комбинации любых изложенных вариантов реализации (или их частей) могут быть сделаны в пределах объема данного описания. Таким образом, предполагается и понятно, что данное описание поддерживает дополнительные варианты, не изложенные в настоящем описании. Такие варианты реализации могут быть получены, например, путем комбинирования, изменения или реорганизации любых из описанных этапов, компонентов, элементов, признаков, аспектов, характеристик, ограничений и т.п. различных неограничивающих вариантов реализации, приведенных в данном описании изобретения. Подобным образом, Заявитель оставляет за собой право вносить изменения в формулу изобретения во время делопроизводства для добавления признаков, указанных в различных местах данного описания изобретения, и такие изменения соответствуют требованиям 35 U.S.C. §112, первый абзац, и 35 U.S.C. § 132(a).

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитному сплаву для химической и горнодобывающей промышленностей, нефтяной и газовой индустрии. Сплав содержит, в мас.%: до 0,2 углерода; от более чем 3,0 до 20 марганца; от 0,1 до 1,0 кремния; от 14,0 до 28,0 хрома; от более чем 15,0 до 38,0 никеля; от более чем 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,1 до 3,0 меди; 0,08 до 0,9 азота; от 0,1 до 5,0 вольфрама; от 0,5 до 5,0 кобальта; до 1,0 титана; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,025 серы; железо и случайные примеси – остальное. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью и механическими характеристиками. 30 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Аустенитный сплав, содержащий, в мас.%: до 0,2 углерода; от более чем 3,0 до 20 марганца; от 0,1 до 1,0 кремния; от 14,0 до 28,0 хрома; от более чем 15,0 до 38,0 никеля; от более чем 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,1 до 3,0 меди; от 0,08 до 0,9 азота; от 0,1 до 5,0 вольфрама; от 0,5 до 5,0 кобальта; до 1,0 титана; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,025 серы; железо и случайные примеси.

2. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере один из ниобия и тантала, причем суммарный массовый процент ниобия и тантала составляет до 0,3.

3. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий до 0,2 мас.% ванадия.

4. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий до 0,1 мас.% алюминия.

5. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере один из церия и лантана, причем суммарный массовый процент церия и лантана составляет не более 0,1.

6. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий до 0,5 мас.% рутения.

7. Сплав по п. 1, дополнительно содержащий до 0,6 мас.% циркония.

8. Сплав по п. 1, в котором содержание железа составляет до 60 мас.%.

9. Сплав по п. 1, имеющий отношение кобальт/вольфрам в расчете на массовые проценты от 2:1 до 4:1.

10. Сплав по п. 1, имеющий значение PREN₁₆ более 40.

11. Сплав по п. 1, имеющий значение PREN₁₆ от 40 до 60.

12. Сплав по п. 1, причем он является немагнитным.

13. Сплав по п. 1, имеющий значение магнитной проницаемости менее 1,01.

14. Сплав по п. 1, имеющий предел прочности при растяжении по меньшей мере 110 ksi, предел текучести по меньшей мере 50 ksi и относительное удлинение по меньшей мере 15%.

15. Сплав по п. 1, имеющий предел прочности при растяжении в диапазоне от 90 ksi до 150 ksi, предел текучести в диапазоне от 50 ksi до 120 ksi и относительное удлинение в диапазоне от 20% до 65%.

16. Сплав по п. 1, имеющий предел прочности при растяжении в диапазоне от 100 ksi до 240 ksi, предел текучести в диапазоне от 110 ksi до 220 ksi и относительное удлинение в диапазоне от 15% до 30%.

17. Сплав по п. 1, имеющий критическую температуру точечной коррозии по меньшей мере 45°С.

18. Сплав по п. 1, содержащий, от общей массы сплава, в мас.%: до 0,05 углерода; от более чем 3,0 до 9,0 марганца; от 0,1 до 1,0 кремния; от 18,0 до 26,0 хрома; от 19,0 до 37,0 никеля; от более чем 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,4 до 2,5 меди; от 0,1 до 0,55 азота; от 0,2 до 3,0 вольфрама; от 0,8 до 3,5 кобальта; до 0,6 титана; суммарный массовый процент ниобия и тантала не более чем 0,3; до 0,2 ванадия; до 0,1 алюминия; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,025 серы; железо и случайные примеси.

19. Сплав по п. 18, содержащий от более чем 3,0 до 8,0 мас.% марганца.

20. Сплав по п. 18, содержащий от 19,0 до 25,0 мас.% хрома.

21. Сплав по п. 18, содержащий от 20,0 до 35,0 мас.% никеля.

22. Сплав по п. 18, содержащий от 0,5 до 2,0 мас.% меди.

23. Сплав по п. 18, содержащий от 0,3 до 2,5 мас.% вольфрама.

24. Сплав по п. 18, содержащий от 1,0 до 3,5 мас.% кобальта.

25. Сплав по п. 18, содержащий от 0,2 до 0,5 мас.% азота.

26. Сплав по п. 18, содержащий от 20 до 50 мас.% железа.

27. Сплав по п. 1, содержащий, от общей массы сплава, в мас.%: до 0,05 углерода; от более чем 3,0 до 8,0 марганца; от 0,1 до 0,5 кремния; от 19,0 до 25,0 хрома; от 20,0 до 35,0 никеля; от более чем 3,0 до 6,5 молибдена; от 0,5 до 2,0 меди; от 0,2 до 0,5 азота; от 0,3 до 2,5 вольфрама; от 1,0 до 3,5 кобальта; до 0,6 титана; суммарный массовый процент ниобия и тантала не более 0,3; до 0,2 ванадия; до 0,1 алюминия; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,025 серы; железо, следовые элементы и случайные примеси.

28. Сплав по п. 27, в котором марганец составляет от более чем 3,0 до 6,0 мас.%.

29. Сплав по п. 27, в котором хром составляет от 20,0 до 22,0 мас.%.

30. Сплав по п. 27, в котором молибден составляет от 6,0 до 6,5 мас.%.

31. Сплав по п. 27, в котором железо составляет от 40 до 45 мас.%.