Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб

Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб

Реферат

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.