RU2807645C2 - Seamless oil-grade pipe made of high-strength corrosion-resistant martensitic steel and method for its production - Google Patents
Seamless oil-grade pipe made of high-strength corrosion-resistant martensitic steel and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807645C2 RU2807645C2 RU2021138271A RU2021138271A RU2807645C2 RU 2807645 C2 RU2807645 C2 RU 2807645C2 RU 2021138271 A RU2021138271 A RU 2021138271A RU 2021138271 A RU2021138271 A RU 2021138271A RU 2807645 C2 RU2807645 C2 RU 2807645C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- strength
- pipe
- manganese
- nickel
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 84
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims description 30
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims abstract description 29
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 28
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 20
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 18
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 14
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims abstract description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 26
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 25
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims description 23
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 abstract 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 17
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910001105 martensitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 102220479482 Puromycin-sensitive aminopeptidase-like protein_C21D_mutation Human genes 0.000 description 6
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 6
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 6
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- -1 chlorine ions Chemical class 0.000 description 5
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150096674 C20L gene Proteins 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220543923 Protocadherin-10_F16L_mutation Human genes 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100445889 Vaccinia virus (strain Copenhagen) F16L gene Proteins 0.000 description 1
- 101100445891 Vaccinia virus (strain Western Reserve) VACWR055 gene Proteins 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001844 chromium Chemical class 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000009863 impact test Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству бесшовных обсадных и насосно-компрессорных труб из нержавеющей высокопрочной стали мартенситного класса для нефтяных и газовых скважин, применяемых при разработке нефтегазоносных горизонтов на больших глубинах, расположенных в холодных макроклиматических районах, характеризующихся агрессивной рабочей средой, содержащей диоксид углерода и ионы хлора.The invention relates to the field of metallurgy, namely to the production of seamless casing and tubing pipes made of stainless high-strength martensitic steel for oil and gas wells used in the development of oil and gas horizons at great depths located in cold macroclimatic regions characterized by an aggressive working environment containing carbon dioxide and chlorine ions.
Основными тенденциями при производстве бесшовных высокопрочных коррозионно-стойких труб нефтяного сортамента являются:The main trends in the production of seamless high-strength corrosion-resistant oil country pipes are:
- использование сталей мартенситного класса с содержанием массовой доли хрома от 12,0% до 14,0%, т.к. такое содержание хрома в составе мартенситных сталей приводит к высокой стойкости сталей к углекислотной коррозии;- use of martensitic steels with a chromium mass fraction from 12.0% to 14.0%, because This chromium content in martensitic steels leads to high resistance of steels to carbon dioxide corrosion;
- придание сталям мартенситного класса прочности от L80 до Р110 по ГОСТ 31446-2017, что обеспечивает возможность использовать трубы в глубоких скважинах;- imparting martensitic strength class to steels from L80 to P110 according to GOST 31446-2017, which makes it possible to use pipes in deep wells;
- производство бесшовных труб из сталей мартенситного класса осуществляют путем выплавки из стали слитков, последующем изготовлении из слитка трубной заготовки с дальнейшей ее прокаткой, термической обработкой, отделкой и выпуском готового изделия.- the production of seamless pipes from martensitic steels is carried out by smelting steel ingots, subsequent production of a pipe billet from the ingot with its further rolling, heat treatment, finishing and production of the finished product.
Из уровня техники известны способы получения бесшовных труб из высокопрочной мартенситной нержавеющей стали, предназначенных для работы в условиях агрессивных сред, и составы сталей для их изготовления.The prior art knows methods for producing seamless pipes from high-strength martensitic stainless steel intended for operation in aggressive environments, and steel compositions for their manufacture.
Известна мелкозернистая мартенситная нержавеющая сталь (патент US №6890393, С22С 38/50, опубл. 10.05.2005), полученная с использованием термомеханической обработки и усиленная относительно равномерной дисперсией стойких к укрупнению осадков МХ-типа. Сталь содержит, массовые доли, %: углерода 0,05-0,15; хрома 7,5-15; кобальта менее 4,0; меди менее 1,2; марганца менее 5,0; кремния менее 1,0; титана от 0,01 до 0,75; циркония менее 1,6; гафния менее 3,2; азота менее 0,02; алюминия менее 0,2; бора, церия, кальция, магния, скандия, иттрия, лантана, бериллия менее 0,1 каждого компонента группы; фосфора менее 0,1, остальное железо и примеси, при этом содержание элементов характеризуется неравенствамиFine-grained martensitic stainless steel is known (US patent No. 6890393, C22C 38/50, publ. 05/10/2005), obtained using thermomechanical processing and reinforced with a relatively uniform dispersion of MX-type sediments resistant to coarsening. Steel contains, mass fractions, %: carbon 0.05-0.15; chromium 7.5-15; cobalt less than 4.0; copper less than 1.2; manganese less than 5.0; silicon less than 1.0; titanium from 0.01 to 0.75; zirconium less than 1.6; hafnium less than 3.2; nitrogen less than 0.02; aluminum less than 0.2; boron, cerium, calcium, magnesium, scandium, yttrium, lanthanum, beryllium less than 0.1 of each group component; phosphorus less than 0.1, the rest is iron and impurities, while the content of elements is characterized by inequalities
0.135<(1.17Ti+0.6Zr+0.31Та+0.31Hf)<1; (Al+Si)>0.01.0.135<(1.17Ti+0.6Zr+0.31Ta+0.31Hf)<1; (Al+Si)>0.01.
Известна мартенситная нержавеющая сталь (патент US №7767039, С22С 38/18, опубл. 03.08.2010), имеющая химический состав, состоящий из массовых долей С: 0,001-0,1%, Si: 0,05-1,0%, Mn: 0,05-2,0%, Р: максимум 0,025%, S: максимум 0,010%, Cr: 11-18%, Ni: 1,5-10%, раств. Al: 0,001-0,1%, N: максимум 0,1%, О: максимум 0,01%, Cu: 0-5%, твердый раствор Мо: 3,5-7%, необязательно, по меньшей мере, один элемент выбран по меньшей мере из одной из следующих групп А-С, а также остаток Fe, примесей и нерастворенного Мо, если присутствует нерастворенный Мо, при этом Группа А - W: 0,2-5%; Группа В - V: 0,001-0,50%, Nb: 0,001-0,50%, Ti: 0,001-0,50% и Zr: 0,001-0,50%; Группа С - Са: 0,0005-0,05%, Mg: 0,0005-0,05%, REM: 0,0005-0,05% и В: 0,0001-0,01%, при этом состав удовлетворяет следующему соотношению компонентов:Martensitic stainless steel is known (US patent No. 7767039, C22C 38/18, published 08/03/2010), having a chemical composition consisting of mass fractions C: 0.001-0.1%, Si: 0.05-1.0%, Mn: 0.05-2.0%, P: maximum 0.025%, S: maximum 0.010%, Cr: 11-18%, Ni: 1.5-10%, sol. Al: 0.001-0.1%, N: maximum 0.1%, O: maximum 0.01%, Cu: 0-5%, Mo solid solution: 3.5-7%, optional at least one the element is selected from at least one of the following groups A-C, as well as the remainder of Fe, impurities and undissolved Mo, if undissolved Mo is present, with Group A - W: 0.2-5%; Group B - V: 0.001-0.50%, Nb: 0.001-0.50%, Ti: 0.001-0.50% and Zr: 0.001-0.50%; Group C - Ca: 0.0005-0.05%, Mg: 0.0005-0.05%, REM: 0.0005-0.05% and B: 0.0001-0.01%, while the composition satisfies the following ratio of components:
Способ изготовления бесшовной трубы заключается в получении слитка, который нагревают при температуре, по меньшей мере 1200°С, в течение, по меньшей мере примерно одного часа, после чего его подвергают прокатке или штамповке с последующим закаливанием стали.A method for producing a seamless pipe consists of obtaining an ingot, which is heated at a temperature of at least 1200°C for at least about one hour, after which it is subjected to rolling or stamping, followed by hardening of the steel.
Известен способ производства мартенситной нержавеющей стали (патент RU №2279486, C21D 6/00, С22С 38/50, опубл. 10.07.2006) с небольшим варьированием предела текучести за счет контроля химического состава, условий быстрого охлаждения и условий отпуска стали, которая характеризуется низким содержанием углерода от 0,003 до 0,050%, содержанием хрома от 10,5 до 14,0% и никеля от 1,5 до 7,0%, азота от 0,003 до 0,070%, а также содержит кремний, марганец, ванадий, титан не более чем 0,300%, остальное железо и примеси, в т.ч. фосфора и серы, при этом состав стали удовлетворяет соотношению:There is a known method for the production of martensitic stainless steel (patent RU No. 2279486, C21D 6/00, C22C 38/50, publ. 07/10/2006) with a slight variation in the yield strength due to control of the chemical composition, rapid cooling conditions and tempering conditions of steel, which is characterized by low carbon content from 0.003 to 0.050%, chromium content from 10.5 to 14.0% and nickel from 1.5 to 7.0%, nitrogen from 0.003 to 0.070%, and also contains silicon, manganese, vanadium, titanium no more than 0.300%, the rest is iron and impurities, incl. phosphorus and sulfur, while the steel composition satisfies the following ratio:
([Ti]-3,4-[N])/[C]>4,5,([Ti]-3.4-[N])/[C]>4.5,
в котором [С], [N] и [Ti] - концентрации массовых долей, %, углерода, азота и титана.in which [C], [N] and [Ti] are the concentrations of mass fractions, %, of carbon, nitrogen and titanium.
Известная сталь обладает требуемой механической прочностью с небольшим варьированием предела текучести, а также повышенной коррозионной стойкостью и жаропрочностью.Known steel has the required mechanical strength with a slight variation in the yield strength, as well as increased corrosion resistance and heat resistance.
Известна высокопрочная мартенситная нержавеющая сталь с высокой коррозионной стойкостью к газообразному диоксиду углерода и сопротивлением коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде (патент RU №2307876, С22С 38/44, C21D 6/00, опул. 210.10.2007), которая содержит, мас. %: углерод 0,005-0,04; кремний 0,5 и менее; марганец 0,1-3,0; фосфор 0,04 и менее; сера 0,01 и менее; хром 10,0-15,0; никель 4,0-8,0; молибден 2,8-5,0; алюминий 0,001-0,10; азот 0,07 и менее, при этом остаток составляет железо и неизбежные примеси. Микроструктура стали на 70 и более % состоит из отпущенного мартенсита и содержит выделившиеся во время отпуска карбиды и интерметаллические соединения, такие как фаза Лавеса, о фаза и подобные им мелкозернистые фазы, выделившиеся во время отпуска.High-strength martensitic stainless steel with high corrosion resistance to carbon dioxide gas and resistance to stress corrosion cracking in a hydrogen sulfide environment is known (patent RU No. 2307876, C22C 38/44, C21D 6/00, op. 210.10.2007), which contains, by weight. %: carbon 0.005-0.04; silicon 0.5 or less; manganese 0.1-3.0; phosphorus 0.04 or less; sulfur 0.01 or less; chromium 10.0-15.0; nickel 4.0-8.0; molybdenum 2.8-5.0; aluminum 0.001-0.10; nitrogen is 0.07 or less, with the remainder being iron and inevitable impurities. The microstructure of steel consists of 70% or more of tempered martensite and contains carbides and intermetallic compounds released during tempering, such as the Laves phase, O phase and similar fine-grained phases released during tempering.
Известная сталь предназначена для изготовления труб для глубоких нефтяных или газовых скважин, обладает высокой прочностью, превосходной коррозионной стойкостью к газообразному диоксиду углерода и сопротивлением к коррозионному растрескиванию, вызванному сероводородным воздействием. Изделия из такой стали могут быть использованы даже в среде, содержащей газообразный диоксид углерода, сероводород или ионы хлора либо два или более из упомянутых соединений.The known steel is designed for making pipes for deep oil or gas wells and has high strength, excellent corrosion resistance to carbon dioxide gas, and resistance to hydrogen sulfide stress corrosion cracking. Products made from such steel can even be used in environments containing carbon dioxide gas, hydrogen sulfide or chlorine ions, or two or more of these compounds.
Известна труба из мартенситной нержавеющей стали для нефтяных скважин (патент RU №2363877, F16L 9/02, C21D 8/10, С22С 38/58, опубл. 10.08.2009) для использования во влажной среде, содержащей газообразный диоксид углерода. Нефтегазовая труба изготовлена из стали, содержащей, по массовой доле, %: углерод от 0,005 до 0,1, кремний от 0,05 до 1, марганец от 1,5 до 5, фосфор максимум 0,05, серу максимум 0,01, хром от 9 до 13, никель максимум 0,5, молибден максимум 2, медь максимум 2, алюминий от 0,001 до 0,1, азот от 0,001 до 0,1, железо и неизбежные примеси остальное. Труба имеет множество обедненных хромом участков под поверхностью без проведения операции отпуска. Обеспечивается замедление процесса коррозионного растрескивания под напряжением без формирования на поверхности пассивирующей пленки.A pipe made of martensitic stainless steel for oil wells is known (patent RU No. 2363877, F16L 9/02, C21D 8/10, C22C 38/58, published 08/10/2009) for use in a humid environment containing carbon dioxide gas. The oil and gas pipe is made of steel containing, by mass fraction, %: carbon from 0.005 to 0.1, silicon from 0.05 to 1, manganese from 1.5 to 5, phosphorus maximum 0.05, sulfur maximum 0.01, chromium from 9 to 13, nickel maximum 0.5, molybdenum maximum 2, copper maximum 2, aluminum from 0.001 to 0.1, nitrogen from 0.001 to 0.1, iron and inevitable impurities the rest. The pipe has many chromium-depleted areas below the surface without undergoing a tempering operation. The process of stress corrosion cracking is slowed down without the formation of a passivating film on the surface.
Данная сталь обладает высокой стойкостью к растрескиванию, образующемуся в результате коррозии под напряжением.This steel is highly resistant to cracking resulting from stress corrosion.
Известна бесшовная труба для нефтегазовой промышленности из мартенситной нержавеющей стали (патент RU №2468112, С22С 38/48, C21D 8/10, опубл. 27.11.2012), которая обладает прочностью с пределом текучести YS 95 кфунт/кв.дюйм (665-758 МПа) и повышенной низкотемпературной ударной прочностью, при которой температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому vTrs в испытании на ударную вязкость по Шарпи составляет минус 40°С или ниже. Труба изготовлена из стали, содержащей по массовой доли: 0,020% или менее С, 10-14% Cr, 3% или менее Ni, 1,0% или менее Si, 0,1-2,0% Mn, 0,020% или менее Р, 0,010% или менее S, 0,10% или менее Al, 0,03-0,2% Nb, 0,05% или менее N, Fe и неизбежные примеси - остальное, и имеет структуру отпущенного мартенсита.A seamless pipe for the oil and gas industry made of martensitic stainless steel is known (patent RU No. 2468112, C22C 38/48, C21D 8/10, publ. November 27, 2012), which has strength with a yield strength YS 95 kpsi (665-758 MPa) and increased low-temperature impact strength, at which the ductile-to-brittle transition temperature vTrs in the Charpy impact test is minus 40°C or lower. The pipe is made of steel containing, by mass fraction: 0.020% or less C, 10-14% Cr, 3% or less Ni, 1.0% or less Si, 0.1-2.0% Mn, 0.020% or less P, 0.010% or less S, 0.10% or less Al, 0.03-0.2% Nb, 0.05% or less N, Fe and inevitable impurities are the rest, and has the structure of tempered martensite.
Известна мартенситная хромсодержащая сталь и трубы, применяемые в нефтяной промышленности (патент RU №2647403, С22С 38/24, опубл. 15.03.2018), содержащая по массовой доли, %: С: не больше чем 0,10, Si: от 0,05 до 1,00, Mn: от 0,1 до 1,0, Cr: от более чем 8 до 12, V: от 0,01 до 1,0, растворенный Al: от 0,005 до 0,10, N: не больше чем 0,100, Nb: от 0 до 1, Ti: от 0 до 1, Zr: от 0 до 1, В: от 0 до 0,01, Са: от 0 до 0,01, Mg: от 0 до 0,01, редкоземельный металл (REM): от 0 до 0,50, дополнительно Мо: от 0 до 2 и/или W: от 0 до 4, остальное Fe и примеси. В качестве примесей химический состав содержит по массовой доли, %: Р: не больше чем 0,03, S: не больше чем 0,01, Ni: не больше чем 0,5 и О: не больше чем 0,01. Эффективное количество Cr определяется выражением: Cr=Cr-16,6×С, составляет не меньше чем 8 мас. %. Молибденовый эквивалент определяется выражением: Молибденовый эквивалент = Мо+0,5×W, составляет от 0,03 до 2 мас. %. Сталь имеет микроструктуру, содержащую до 5 об. % феррита, до 5 об. % аустенита, остальное - мартенсит отпуска, в которой размер зерна предшествующего аустенита составляет не менее 8,0 в соответствии со стандартом ASTM Е112. Сталь имеет предел текучести, составляющий от 379 до менее чем 551 МПа.Martensitic chromium-containing steel and pipes used in the oil industry are known (patent RU No. 2647403, C22C 38/24, published on March 15, 2018), containing in mass fraction,%: C: no more than 0.10, Si: from 0. 05 to 1.00, Mn: 0.1 to 1.0, Cr: more than 8 to 12, V: 0.01 to 1.0, dissolved Al: 0.005 to 0.10, N: not more than 0.100, Nb: 0 to 1, Ti: 0 to 1, Zr: 0 to 1, B: 0 to 0.01, Ca: 0 to 0.01, Mg: 0 to 0, 01, rare earth metal (REM): 0 to 0.50, optional Mo: 0 to 2 and/or W: 0 to 4, rest Fe and impurities. As impurities, the chemical composition contains, by mass fraction, %: P: no more than 0.03, S: no more than 0.01, Ni: no more than 0.5 and O: no more than 0.01. The effective amount of Cr is determined by the expression: Cr=Cr-16.6×C, is not less than 8 wt. %. Molybdenum equivalent is determined by the expression: Molybdenum equivalent = Mo+0.5×W, ranges from 0.03 to 2 wt. %. Steel has a microstructure containing up to 5 vol. % ferrite, up to 5 vol. % austenite, the rest is tempered martensite, in which the grain size of the preceding austenite is at least 8.0 in accordance with ASTM E112 standard. Steel has a yield strength ranging from 379 to less than 551 MPa.
Известная труба обладает хорошей коррозионной стойкостью, устойчивостью к сульфидному растрескиванию под напряжением и устойчивостью к межкристаллитному растрескиванию, вызываемому водородом.The known pipe has good corrosion resistance, resistance to sulfide stress cracking, and resistance to hydrogen-induced intergranular cracking.
Известна бесшовная труба из мартенситной нержавеющей стали (патент RU №2431693, С22С 38/28, C21D 9/08, опубл. 20.10.2011), содержащая в мас. %: менее 0,010%) С, 1,0% или менее Si, от 0,1 до 2,0% Mn, 0,020% или менее Р, 0,010% или менее S, 0,10% или менее Al, от 10 до 14% Cr, от 0,1 до 4,0% Ni, 0,05% или менее N, а также при необходимости один или более из: Cu 2,0 мас. % или менее, Мо 2,0 мас. % или менее, V 0,1% или менее, Nb 0,1% или менее и Ti 0,1% или менее остальное Fe и неизбежные примеси. Трубу подвергают закалке на мартенсит и отпуску. При закалке после нагрева до температуры, равной или более высокой, чем температура перехода Ас3, осуществляют охлаждение до температуры в пределах от 100°С и ниже со скоростью охлаждения, равной или более высокой, чем скорость охлаждения на воздухе. Отпуск осуществляют при температуре от более чем 450 до 550°С с последующим охлаждением.A seamless pipe made of martensitic stainless steel is known (patent RU No. 2431693, C22C 38/28, C21D 9/08, publ. 10/20/2011), containing in wt. %: less than 0.010%) C, 1.0% or less Si, 0.1 to 2.0% Mn, 0.020% or less P, 0.010% or less S, 0.10% or less Al, 10 to 14% Cr, 0.1 to 4.0% Ni, 0.05% or less N, and, if necessary, one or more of: Cu 2.0 wt. % or less, Mo 2.0 wt. % or less, V 0.1% or less, Nb 0.1% or less and Ti 0.1% or less the rest is Fe and unavoidable impurities. The pipe is subjected to martensite quenching and tempering. When hardening, after heating to a temperature equal to or higher than the transition temperature Ac 3 , cooling is carried out to a temperature ranging from 100°C and lower with a cooling rate equal to or higher than the cooling rate in air. Tempering is carried out at temperatures from more than 450 to 550°C, followed by cooling.
Труба обладает одновременно высокой прочностью, повышенной стойкостью к коррозии, а также повышенной ударной вязкостью в условиях низких температур, что позволяет ее использовать на нефтегазовых месторождениях, расположенных в холодных макроклиматических районах.The pipe simultaneously has high strength, increased resistance to corrosion, and also increased impact strength at low temperatures, which allows it to be used in oil and gas fields located in cold macroclimatic regions.
Недостатками труб, изготовленных из вышеуказанных сталей, являются недостаточно широкий интервал прочности при сохранении высокой хладостойкости, оцениваемой по значениям ударной вязкости при температуре испытания минус 60°С (KCV-60°с должна быть не менее 70 Дж/см2), и твердость не более 32 HRC.The disadvantages of pipes made from the above steels are that the strength range is not wide enough while maintaining high cold resistance, assessed by impact strength values at a test temperature of minus 60°C (KCV -60°C must be at least 70 J/cm 2 ), and the hardness is not more than 32 HRC.
Известен способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали (патент RU №2635205, C21D 9/08, С22С 38/18, опубл. 09.11.2017) для обеспечения высокой ударной вязкости при температуре минус 60°С и удовлетворительной коррозионной стойкости труб групп прочности от L80 до R95 по ГОСТ Р 53366-2009. Трубу изготавливают из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, содержащей по массовой доле, %: 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.There is a known method of heat treatment of oil pipes made of corrosion-resistant steel (patent RU No. 2635205, C21D 9/08, C22C 38/18, publ. 09.11.2017) to ensure high impact strength at a temperature of minus 60°C and satisfactory corrosion resistance of pipes strength groups from L80 to R95 according to GOST R 53366-2009. The pipe is made of corrosion-resistant martensitic steel containing, by mass fraction, %: carbon 0.12-0.17, silicon 0.15-0.50, manganese 0.30-0.90, chromium 12.00-14 .00, nickel 1.80-2.20, copper no more than 0.25, aluminum 0.02-0.05, sulfur no more than 0.010, phosphorus no more than 0.020, nitrogen no more than 0.020, iron - the rest. The pipe was subjected to quenching from 920 to 1020°C, a second quenching from the intercritical temperature range from 700 to 830°C, and tempering in the temperature range from 560 to 690°C.
Известные трубы нефтяного сортамента с выбранным режимом термической обработки, обладают повышенной эксплуатационной надежностью: механические свойства соответствуют группам прочности от L80 до R95 по ГОСТ Р 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; а также обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью.Known oil-grade pipes with a selected heat treatment mode have increased operational reliability: mechanical properties correspond to strength groups from L80 to R95 according to GOST R 53366-2009 (yield strength from 552 to 758 MPa), cold resistance, assessed by impact strength at a test temperature minus 60°C, is at least 70 J/ cm2 ; and also have satisfactory corrosion resistance.
Тем не менее, использование вышеуказанных запатентованных технических решений не обеспечивает получение бесшовной трубы с термической обработкой на группу прочности от R95 до Р110 при сохранении высокого уровня коррозионной стойкости в агрессивной рабочей среде, содержащей диоксид углерода и ионы хлора.However, the use of the above patented technical solutions does not provide a seamless pipe with heat treatment for strength groups from R95 to P110 while maintaining a high level of corrosion resistance in an aggressive working environment containing carbon dioxide and chlorine ions.
В качестве прототипа выбран способ получения бесшовной трубы нефтяного сортамента из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса (патент ЕР №1444375, С22С 38/00, С22С 38/22, опубл. 13.12.2006), который включает изготовление заготовки в виде бесшовной стальной трубы заданного размера из стали, имеющей состав, содержащий следующие компоненты с массовой долей, %: углерода 0,01-0,1, марганца 0,05-1,5, хрома 9,0-15,0, никеля 0,1-4,5, молибдена 0,05-5,0, ниобия 0,005-0,50, титана 0,005-0,5, кремния 0,05-1,0, меди 0,05-5,0, фосфора не более 0,030, серы не более 0,010, азота не более 0,1, алюминия не более 0,05, при необходимости ванадия 0,005-0,5, остальное - железо и неизбежные примеси. Проводят термическую обработку трубной заготовки путем закалки от температуры не ниже Ас3 со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше и последующий отпуск при температуре 600°С со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше.As a prototype, the method chosen for producing a seamless oil pipe from high-strength corrosion-resistant martensitic steel (EP patent No. 1444375, C22C 38/00, C22C 38/22, published 12/13/2006), which includes the production of a workpiece in the form of a seamless steel pipe of a given size from steel having a composition containing the following components with a mass fraction,%: carbon 0.01-0.1, manganese 0.05-1.5, chromium 9.0-15.0, nickel 0.1-4 .5, molybdenum 0.05-5.0, niobium 0.005-0.50, titanium 0.005-0.5, silicon 0.05-1.0, copper 0.05-5.0, phosphorus no more than 0.030, sulfur no more than 0.010, nitrogen no more than 0.1, aluminum no more than 0.05, if necessary vanadium 0.005-0.5, the rest is iron and inevitable impurities. Heat treatment of the pipe blank is carried out by hardening from a temperature not lower than Ac 3 with a cooling rate in still air or higher and subsequent tempering at a temperature of 600°C with a cooling rate in still air or higher.
В известной стали с низким содержанием углерода не обеспечивается одновременно достижение предела текучести в интервале от 655 до 965 МПа, твердости не более 32 HRC и высокой ударной вязкости в условиях низких температур (до минус 60°С).In known steel with a low carbon content, it is not possible to simultaneously achieve a yield strength in the range from 655 to 965 MPa, a hardness of no more than 32 HRC and high impact strength at low temperatures (down to minus 60°C).
Недостатками труб, изготовленных из указанной стали, являются пониженные эксплуатационные свойства при отрицательных температурах (до минус 60°С).The disadvantages of pipes made from this steel are reduced performance properties at low temperatures (down to minus 60°C).
Решаемая техническая проблема заключается в получении труб нефтяного сортамента из хладостойкой стали мартенситного класса с повышенными эксплуатационными характеристиками для использования на больших глубинах при одновременном достижении высокой коррозионной стойкости в агрессивных средах с содержанием газообразного диоксида углерода.The technical problem being solved is to produce oil pipes from cold-resistant martensitic steel with improved performance characteristics for use at great depths while simultaneously achieving high corrosion resistance in aggressive environments containing gaseous carbon dioxide.
Технический результат состоит в обеспечении прочностных и вязкопластичных характеристик труб из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса групп прочности от R95 до Р110 с пределом текучести от 655 до 965 МПа, твердостью не более 32 HRC при высокой ударной вязкости (ударная вязкость с концентратором напряжений V при температуре испытания минус 60°С должна быть не менее 70 Дж/см2).The technical result consists in ensuring the strength and viscoplastic characteristics of pipes made of corrosion-resistant steel of the martensitic class of strength groups from R95 to P110 with a yield strength from 655 to 965 MPa, a hardness of no more than 32 HRC with high impact strength (impact strength with a stress concentrator V at temperature test minus 60°C should be at least 70 J/cm 2 ).
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что бесшовная труба нефтяного сортамента выполнена из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, содержащей углерод (С), хром (Cr), кремний (Si), марганец (Mn), фосфор (Р), сера (S), алюминий (Al), никель (Ni), молибден (Мо), титан (Ti), ниобий (Nb), медь (Cu), азот (N), при необходимости ванадий (V), железо и неизбежные примеси. Согласно изобретению, труба выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, по массовой доле, %:The specified technical result is ensured due to the fact that the seamless oil pipe is made of high-strength corrosion-resistant martensitic steel containing carbon (C), chromium (Cr), silicon (Si), manganese (Mn), phosphorus (P), sulfur (S), aluminum (Al), nickel (Ni), molybdenum (Mo), titanium (Ti), niobium (Nb), copper (Cu), nitrogen (N), if necessary vanadium (V), iron and unavoidable impurities . According to the invention, the pipe is made of steel containing components in the following ratio, by mass fraction, %:
причем содержание никеля, углерода, марганца и молибдена в стали удовлетворяет следующему соотношению:Moreover, the content of nickel, carbon, manganese and molybdenum in steel satisfies the following relationship:
а содержание титана, ниобия и ванадия удовлетворяет следующему соотношению:and the content of titanium, niobium and vanadium satisfies the following relationship:
где Ni, С, Mn, Мо, Ti, Nb и V - содержание в стали никеля, углерода, марганца, молибдена, титана, ниобия и ванадия по массовой доле, %, соответственно;where Ni, C, Mn, Mo, Ti, Nb and V are the content of nickel, carbon, manganese, molybdenum, titanium, niobium and vanadium in steel by mass fraction, %, respectively;
при этом труба характеризуется группами прочности от R95 до Р110 с пределом текучести от 655 до 965 МПа, твердостью не более 32 HRC и ударной вязкостью (KCV) при температуре минус 60°С не менее 70 Дж/см2.in this case, the pipe is characterized by strength groups from R95 to P110 with a yield strength from 655 to 965 MPa, a hardness of no more than 32 HRC and an impact strength (KCV) at a temperature of minus 60°C of at least 70 J/cm 2 .
Технический результат обеспечивается также за счет того, что способ получения бесшовной трубы нефтяного сортамента из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, характеризуемой содержанием компонентов по п. 1, включает деформацию нагретой заготовки с получением бесшовной стальной трубы заданного размера и термическую обработку трубы путем-закалки от температуры нагрева не ниже 930°С со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше и последующего отпуска при температуре нагрева не менее 540°С и не более Ac1-25°C с охлаждением на спокойном воздухе.The technical result is also ensured due to the fact that the method of producing a seamless oil pipe from high-strength corrosion-resistant martensitic steel, characterized by the content of components according to claim 1, includes deformation of a heated billet to obtain a seamless steel pipe of a given size and heat treatment of the pipe by hardening from a heating temperature of not lower than 930°C with a cooling rate in still air or higher and subsequent tempering at a heating temperature of not less than 540°C and not more than A c1 -25°C with cooling in still air.
В частном случае выполнения способа перед отпуском осуществляют повторную закалку трубы из межкритического интервала температур со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше.In a particular case of performing the method, before tempering, the pipe is re-hardened from the intercritical temperature range with a cooling rate in calm air or higher.
В частном случае выполнения способа после отпуска трубу подвергают дополнительному отпуску при температуре нагрева не менее 540°С и не более Ac1-25°C с охлаждением на спокойном воздухе.In a particular case of performing the method, after tempering, the pipe is subjected to additional tempering at a heating temperature of at least 540°C and no more than A c1 -25°C with cooling in still air.
Заявляемое изобретение иллюстрируется примерами конкретного выполнения, представленными в таблице 1, где приведены химические составы сталей лабораторных плавок по предлагаемому изобретению и контрольные примеры. В таблице 2 приведены механические свойства образцов сталей после термической обработки. На фиг. 1 показана микроструктура стали по примеру Е после закалки от 950°С, содержащая δ-феррит. На фиг. 2 показан вид частицы карбонитрида сложного состава по примеру А с содержанием в стали титана и ниобия. На фиг. 3 показана микроструктура стали по примеру D, химический состав которой соответствует примеру по изобретению.The claimed invention is illustrated by examples of specific implementations presented in Table 1, which shows the chemical compositions of laboratory melt steels according to the proposed invention and control examples. Table 2 shows the mechanical properties of steel samples after heat treatment. In fig. Figure 1 shows the microstructure of steel according to example E after quenching from 950°C, containing δ-ferrite. In fig. Figure 2 shows a view of a carbonitride particle of complex composition according to example A containing titanium and niobium in the steel. In fig. 3 shows the microstructure of steel according to example D, the chemical composition of which corresponds to the example according to the invention.
Наличие и содержание компонентов высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса для изготовления бесшовной трубы нефтяного сортамента поясняется следующим.The presence and content of high-strength corrosion-resistant martensitic steel components for the production of seamless oil country pipe are explained as follows.
Углерод (С): от более 0,10 до 0,18 мас. %Carbon (C): from more than 0.10 to 0.18 wt. %
С целью обеспечения требуемой прочности содержание углерода (С) составляет от более 0,10 мас. %. При содержании углерода ниже 0,10 мас. % возможно появление в микроструктуре δ-феррита, охрупчивающего структуру.In order to ensure the required strength, the carbon content (C) ranges from more than 0.10 wt. %. When the carbon content is below 0.10 wt. % it is possible that δ-ferrite may appear in the microstructure, embrittling the structure.
Однако при содержании углерода более 0,18 мас. %, подвижность дислокаций существенно снижается, что приводит к росту внутренних напряжений и низкой ударной вязкости (труба №6, сталь Е, таблица 2).However, when the carbon content is more than 0.18 wt. %, the mobility of dislocations is significantly reduced, which leads to an increase in internal stresses and low impact strength (pipe No. 6, steel E, table 2).
Кремний (Si): не более 1,0 мас. %Silicon (Si): no more than 1.0 wt. %
Кремний (Si) добавляется для раскисления стали и в предлагаемом изобретении его содержание составляет от 0,1 до 1,0 мас. %. При содержании кремния больше 1,0 мас. % происходит снижение ударной вязкости, а также ухудшается обрабатываемость в горячем состоянии.Silicon (Si) is added to deoxidize steel and in the present invention its content ranges from 0.1 to 1.0 wt. %. When the silicon content is more than 1.0 wt. %, impact strength decreases, and hot workability also deteriorates.
Марганец (Mn): от 0,3 до 0,75 мас. %Manganese (Mn): from 0.3 to 0.75 wt. %
Марганец (Mn) является элементом, повышающим прочность и расширяющим аустенитную область. Содержание марганца в предлагаемом изобретении должно составлять не менее 0,3 мас. %, чтобы избежать появления δ-феррита. Содержание марганца в стали более 0,75 мас. % отрицательно влияет на ударную вязкость.Manganese (Mn) is an element that increases strength and expands the austenitic region. The manganese content in the proposed invention must be at least 0.3 wt. % to avoid the appearance of δ-ferrite. The manganese content in steel is more than 0.75 wt. % has a negative effect on impact strength.
Фосфор (Р): 0,020 мас. % или менееPhosphorus (P): 0.020 wt. % or less
Фосфор (Р) ухудшает стойкость к коррозии, в частности стойкость к коррозии в среде, содержащей диоксид углерода, поэтому его содержание ограничено 0,020 мас. %.Phosphorus (P) impairs corrosion resistance, in particular corrosion resistance in an environment containing carbon dioxide, so its content is limited to 0.020 wt. %.
Сера (S): 0,010 мас. % или менееSulfur (S): 0.010 wt. % or less
Сера (S) значительно ухудшает обрабатываемость в горячем состоянии при прошивке и прокатке труб, поэтому ее содержание ограничено до 0,010 мас. % или менее.Sulfur (S) significantly impairs hot workability during piercing and rolling of pipes, so its content is limited to 0.010 wt. % or less.
Алюминий (Al): не более 0,10 мас. %Aluminum (Al): no more than 0.10 wt. %
Алюминий (Al) добавляется для раскисления стали и в предлагаемом изобретении его содержание составляет 0,10% или менее. Большее содержание алюминия снижает ударную вязкость.Aluminum (Al) is added to deoxidize the steel and in the present invention its content is 0.10% or less. Higher aluminum content reduces impact strength.
Хром (Cr): от 12,0 до 14,0 мас. %Chromium (Cr): 12.0 to 14.0 wt. %
Хром (Cr) является элементом, повышающим стойкость к углекислотной коррозии за счет образования пассивирующей пленки, поэтому его содержание в стали составляет 12,0% или более. Однако при содержании хрома более 14% в структуре стали появляется δ-феррит, снижающий ударную вязкость.Chromium (Cr) is an element that increases resistance to carbon dioxide corrosion by forming a passivating film, so its content in steel is 12.0% or more. However, when the chromium content is more than 14%, δ-ferrite appears in the steel structure, reducing impact toughness.
Никель (Ni): от 2.2 до 2,5 мас. %Nickel (Ni): from 2.2 to 2.5 wt. %
Никель (Ni) увеличивает ударную вязкость при отрицательных температурах, поэтому его содержание в стали должно быть не менее 2,2 мас. %. Из таблицы 2 видно, что сталь с содержанием никеля менее 2,2 мас. % (труба №7, сталь F, таблица 2) не обладает требуемым уровнем ударной вязкости. А при содержании никеля более 2,5 мас. % в структуре стали появляется аустенит, снижающий предел текучести.Nickel (Ni) increases impact strength at low temperatures, so its content in steel should be at least 2.2 wt. %. Table 2 shows that steel with a nickel content of less than 2.2 wt. % (pipe No. 7, steel F, table 2) does not have the required level of impact strength. And when the nickel content is more than 2.5 wt. % austenite appears in the steel structure, reducing the yield strength.
Азот (N): 0,05 мас. % или меньшеNitrogen (N): 0.05 wt. % or less
Содержание азота (N) более 0,05 мас. % способствует появлению в структуре стали крупных нитридов, ухудшающих ударную вязкость.Nitrogen content (N) more than 0.05 wt. % contributes to the appearance of large nitrides in the steel structure, which worsen impact strength.
Молибден (Мо): не более 0,5 мас. %Molybdenum (Mo): no more than 0.5 wt. %
Введение молибдена (Мо) увеличивает коррозионную стойкость стали в среде, содержащей сероводород. Однако молибден является ферритообразующим элементом и при содержании более 0,5 мас. % приводит к появлению δ-феррита, способствующего охрупчиванию стали.The introduction of molybdenum (Mo) increases the corrosion resistance of steel in an environment containing hydrogen sulfide. However, molybdenum is a ferrite-forming element and at a content of more than 0.5 wt. % leads to the appearance of δ-ferrite, which contributes to steel embrittlement.
Для исключения появления в структуре стали δ-феррита содержание никеля, углерода, марганца и молибдена должно удовлетворять условию (1): 5,0<Ni+28С+0,5Mn-0,8Мо<6,5.To exclude the appearance of δ-ferrite in the steel structure, the content of nickel, carbon, manganese and molybdenum must satisfy condition (1): 5.0<Ni+28C+0.5Mn-0.8Mo<6.5.
Если содержание указанных элементов в стали не соответствует условию (1) и составляет меньше 5,0 (контрольные примеры F, G, таблица 1), то в стали присутствует значительная доля δ-феррита (фиг. 1), что заметно снижает ударную вязкость (труба №7, состав по примеру F, таблица 2).If the content of these elements in the steel does not meet condition (1) and is less than 5.0 (control examples F, G, Table 1), then the steel contains a significant proportion of δ-ferrite (Fig. 1), which significantly reduces the impact strength ( pipe No. 7, composition according to example F, table 2).
В микроструктуре стали, соответствующей предлагаемому изобретению, δ-феррита не наблюдается и ударная вязкость соответствует нормативным требованиям (фиг. 3, труба №3, состав В, таблица 2).In the microstructure of the steel corresponding to the invention, δ-ferrite is not observed and the impact strength meets regulatory requirements (Fig. 3, pipe No. 3, composition B, table 2).
Ниобий (Nb) в количестве 0,02-0,05 мас. %, титан (Ti): не более 0,05 мас. %, ванадий (V) необязательно в количестве 0,02-0,12 мас. %.Niobium (Nb) in an amount of 0.02-0.05 wt. %, titanium (Ti): no more than 0.05 wt. %, vanadium (V) optionally in an amount of 0.02-0.12 wt. %.
Возможные выделения нитридов титана, ниобия и ванадия будут сдерживать рост зерна аустенита как при нагреве под горячую деформацию, так и при нагреве под закалку, что позволяет получать мелкозернистую структуру стали. Введение в состав стали ниобия, ванадия и титана в качестве карбидообразующих элементов увеличивает прочность стали без негативного влияния на ударную вязкость. Однако при превышении значения в соотношении (2): 4Ti+Nb+0,5V<0,25, в микроструктуре появляются крупные карбонитридные частицы, которые могут охрупчивать сталь.Possible precipitation of titanium, niobium and vanadium nitrides will inhibit the growth of austenite grains both during heating for hot deformation and during heating for quenching, which makes it possible to obtain a fine-grained steel structure. The introduction of niobium, vanadium and titanium into the steel composition as carbide-forming elements increases the strength of the steel without negatively affecting the impact toughness. However, when the value in ratio (2) is exceeded: 4Ti+Nb+0.5V<0.25, large carbonitride particles appear in the microstructure, which can embrittlement the steel.
На фиг. 2 приведен крупный карбонитрид, содержащий титан и ниобий (что подтверждается спектром), который обнаружен в стали состава А. Имея кубическую огранку, данное включение является концентратором напряжений и снижает ударную вязкость стали при пониженных температурах. Как видно из таблицы 2, превышенная сумма содержания титана, ниобия и ванадия в соотношении (2) негативно сказывается на ударной вязкости, делая невозможным достижение величины 70 Дж/см2 при температуре испытания минус 60°С (трубы №1 и №2, состав А, таблица 2).In fig. Figure 2 shows a large carbonitride containing titanium and niobium (as confirmed by the spectrum), which was found in steel of composition A. Having a cubic cut, this inclusion is a stress concentrator and reduces the impact strength of steel at low temperatures. As can be seen from Table 2, the excess amount of titanium, niobium and vanadium content in relation (2) negatively affects the impact strength, making it impossible to achieve a value of 70 J/cm 2 at a test temperature of minus 60°C (pipes No. 1 and No. 2, composition A, table 2).
Медь (Cu) 0,01 - 0,5 мас. %Copper (Cu) 0.01 - 0.5 wt. %
Содержание меди (Cu) в стали более 0,5 мас. %, может приводить к выделению меди в виде сегрегаций, что не обеспечивает равномерность механических и коррозионных свойств.The copper (Cu) content in steel is more than 0.5 wt. %, can lead to the release of copper in the form of segregations, which does not ensure uniform mechanical and corrosion properties.
Проведение термической обработки трубы путем закалки от температуры нагрева не ниже 930°С со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше и последующего отпуска при температуре нагрева не менее 540°С и не более Ac1-25°C с охлаждением на спокойном воздухе обеспечивает прочностные и вязкопластичные характеристики труб из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса групп прочности от R95 до Р110 с пределом текучести от 655 до 965 МПа, твердостью не более 32 HRC при ударной вязкости KCV при температуре испытания минус 60°С не менее 70 Дж/см2.Carrying out heat treatment of the pipe by hardening from a heating temperature of at least 930°C with a cooling rate in still air or higher and subsequent tempering at a heating temperature of at least 540°C and not more than A c1 -25°C with cooling in still air ensures strength and viscoplastic characteristics of pipes made of corrosion-resistant steel of the martensitic class of strength groups from R95 to P110 with a yield strength from 655 to 965 MPa, a hardness of no more than 32 HRC with an impact strength KCV at a test temperature of minus 60°C of at least 70 J/cm 2 .
Проведение закалки от температуры нагрева не ниже 930°С со скоростью охлаждения на спокойном воздухе позволяет растворить карбиды хрома и получить полностью мартенситную структуру после охлаждения. Проведение отпуска трубы при температуре нагрева не менее 540°С и не более АС1-25°С с охлаждением на спокойном воздухе обеспечивает отпуск образовавшегося при закалке мартенсита, что повышает пластичность и требуемую вязкость труб (ударная вязкость (KCV) при температуре испытания минус 60°С не менее 70 Дж/см2).Carrying out quenching from a heating temperature of at least 930°C with a cooling rate in still air makes it possible to dissolve chromium carbides and obtain a completely martensitic structure after cooling. Tempering the pipe at a heating temperature of no less than 540°C and no more than A C1 -25°C with cooling in still air ensures tempering of the martensite formed during hardening, which increases the ductility and required toughness of the pipes (impact strength (KCV) at a test temperature of minus 60 °C not less than 70 J/ cm2 ).
Проведение перед отпуском повторной закалки трубы из межкритического интервала температур со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше обеспечивает возможность достижения более высокой прочности при сохранении пластичности (трубы №3 и №9, таблица 2).Before tempering, re-hardening the pipe from the intercritical temperature range with a cooling rate in still air or higher makes it possible to achieve higher strength while maintaining ductility (pipes No. 3 and No. 9, Table 2).
Бесшовную трубу из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса предлагаемого состава получают следующим образом. Из расплавленной стали, имеющей описанный выше химический состав, любым известным сталеплавильным способом (например, с использованием конвертера, электропечи, вакуумной плавильной печи и т.д.) получают сляб, или слиток, или заготовку. Сляб или заготовку подвергают деформационной обработке в горячем состоянии (прокатке или ковке), получая заготовку, которую нагревают в нагревательной печи, а затем прошивают по оси на прошивном стане с получением бесшовной стальной трубы заданного размера. Наряду с этим, бесшовная стальная труба может быть также изготовлена способом горячей экструзии с использованием пресса.A seamless pipe made of high-strength corrosion-resistant martensitic steel of the proposed composition is obtained as follows. From molten steel having the chemical composition described above, a slab, or ingot, or billet is produced by any known steelmaking method (for example, using a converter, electric furnace, vacuum melting furnace, etc.). The slab or billet is hot worked (rolled or forged) to form a billet that is heated in a heating furnace and then axially pierced on a piercing mill to produce a seamless steel pipe of a given size. In addition, seamless steel pipe can also be produced by hot extrusion using a press.
Затем осуществляют термическую обработку трубы путем закалки от температуры нагрева не ниже 930°С со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше и последующего отпуска при температуре нагрева не менее 540°С и не более Ac1-25°C с охлаждением на спокойном воздухе (таблица 2).Then the pipe is heat treated by hardening from a heating temperature of not lower than 930°C with a cooling rate in still air or higher and subsequent tempering at a heating temperature of not less than 540°C and not more than A c1 -25°C with cooling in still air (table 2).
Наряду с этим, перед отпуском может быть дополнительно проведена повторная закалка бесшовной стальной трубы из межкритического интервала температур со скоростью охлаждения на спокойном воздухе или выше.Along with this, before tempering, the seamless steel pipe can be additionally re-quenched from the intercritical temperature range at a cooling rate in calm air or higher.
Кроме того, после отпуска может быть дополнительно проведен повторный отпуск бесшовной стальной трубы при температуре нагрева не менее 540°С и не более Ac1-25°C с охлаждением на спокойном воздухе.In addition, after tempering, the seamless steel pipe can be additionally tempered again at a heating temperature of no less than 540°C and no more than A c1 -25°C with cooling in still air.
Финишные операции изготовления предлагаемой бесшовной трубы включают в себя теплую правку, неразрушающий контроль, удаление окалины с внутренней поверхности, которые осуществляют известными способами.The finishing operations for manufacturing the proposed seamless pipe include warm straightening, non-destructive testing, and removal of scale from the inner surface, which is carried out by known methods.
Бесшовные трубы, выполненные из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса расширяют арсенал бесшовных труб нефтяного сортамента, используемых при пониженных температурах в нефтяных и газовых скважинах, эксплуатирующихся на больших глубинах в агрессивной среде, содержащей газообразный диоксид углерода. Трубы соответствуют группам прочности от R95 до Р110 по ГОСТ 31446-2017 и СТО Газпром 2-4.1-1135-2018 (предел текучести от 655 до 965 МПа, твердость не более 32 HRC и ударная вязкость (KCV) при температуре минус 60°С не менее 70 Дж/см2.Seamless pipes made from high-strength, corrosion-resistant martensitic steel expand the arsenal of seamless petroleum pipes used at low temperatures in oil and gas wells operating at great depths in aggressive environments containing carbon dioxide gas. The pipes correspond to strength groups from R95 to P110 according to GOST 31446-2017 and STO Gazprom 2-4.1-1135-2018 (yield strength from 655 to 965 MPa, hardness no more than 32 HRC and impact strength (KCV) at a temperature of minus 60°C not less than 70 J/ cm2 .
Claims (25)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021138271A RU2021138271A (en) | 2023-06-20 |
| RU2807645C2 true RU2807645C2 (en) | 2023-11-20 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6846371B2 (en) * | 2001-08-29 | 2005-01-25 | Jfe Steel Corporation | Method for making high-strength high-toughness martensitic stainless steel seamless pipe |
| RU2437955C1 (en) * | 2010-08-11 | 2011-12-27 | Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" | Corrosion resistant steel for production and casing pipes and gas-oil extracting equipment |
| RU2707845C1 (en) * | 2016-09-01 | 2019-11-29 | Ниппон Стил Корпорейшн | Steel material and steel pipe for oil well |
| EP3767000A1 (en) * | 2018-05-25 | 2021-01-20 | JFE Steel Corporation | Martensitic stainless steel seamless steel tube for oil well pipes, and method for producing same |
| EP3805420A1 (en) * | 2018-05-25 | 2021-04-14 | JFE Steel Corporation | Martensitic stainless steel seamless steel tube for oil well pipes, and method for producing same |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6846371B2 (en) * | 2001-08-29 | 2005-01-25 | Jfe Steel Corporation | Method for making high-strength high-toughness martensitic stainless steel seamless pipe |
| RU2437955C1 (en) * | 2010-08-11 | 2011-12-27 | Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод" | Corrosion resistant steel for production and casing pipes and gas-oil extracting equipment |
| RU2707845C1 (en) * | 2016-09-01 | 2019-11-29 | Ниппон Стил Корпорейшн | Steel material and steel pipe for oil well |
| EP3767000A1 (en) * | 2018-05-25 | 2021-01-20 | JFE Steel Corporation | Martensitic stainless steel seamless steel tube for oil well pipes, and method for producing same |
| EP3805420A1 (en) * | 2018-05-25 | 2021-04-14 | JFE Steel Corporation | Martensitic stainless steel seamless steel tube for oil well pipes, and method for producing same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2459884C1 (en) | Tube from high-strength stainless steel with high cracking resistance at strains in sulphide-bearing medium and high-temperature gas corrosion resistance on exposure to carbon dioxide | |
| US10287645B2 (en) | Method for producing high-strength steel material excellent in sulfide stress cracking resistance | |
| AU2014294080B2 (en) | High-strength steel material for oil well and oil well pipes | |
| WO2018181404A1 (en) | Martensitic stainless steel material | |
| JP6229640B2 (en) | Seamless steel pipe and manufacturing method thereof | |
| CA2785318C (en) | Austenite steel material having superior ductility | |
| WO2005017222A1 (en) | High strength stainless steel pipe excellent in corrosion resistance for use in oil well and method for production thereof | |
| EP2947167A1 (en) | Stainless steel seamless tube for use in oil well and manufacturing process therefor | |
| CN105734453A (en) | Steel for martensitic stainless steel oil casing resisting to hydrogen sulfide stress corrosion cracking, oil casing and manufacturing method of oil casing | |
| JP7173405B2 (en) | Martensitic stainless steel material | |
| AU2017274993B2 (en) | Duplex stainless steel and duplex stainless steel manufacturing method | |
| KR101539520B1 (en) | Duplex stainless steel sheet | |
| JP5499575B2 (en) | Martensitic stainless steel seamless pipe for oil well pipe and method for producing the same | |
| JP2023526739A (en) | High-strength high-temperature corrosion-resistant martensitic stainless steel and method for producing the same | |
| JP6583532B2 (en) | Steel and oil well steel pipes | |
| CN105200341B (en) | Economical duplex stainless steel with tensile strength of more than 1000MPa and manufacturing method thereof | |
| CN106319362A (en) | X52 seamless pipeline steel pipe with acid corrosion resistance and manufacturing method thereof | |
| JP7239086B1 (en) | Martensitic stainless steel pipe | |
| RU2807645C2 (en) | Seamless oil-grade pipe made of high-strength corrosion-resistant martensitic steel and method for its production | |
| JP4321434B2 (en) | Low alloy steel and manufacturing method thereof | |
| JP4952708B2 (en) | Martensitic stainless steel and method for producing the same | |
| JP4645307B2 (en) | Wear-resistant steel with excellent low-temperature toughness and method for producing the same | |
| JP2015218384A (en) | HIGH-STRENGTH 13Cr-BASED STAINLESS THICK STEEL PLATE EXCELLENT IN TOUGHNESS AND WORKABILITY AND PRODUCTION METHOD THEREOF | |
| RU2798642C1 (en) | Seamless high-strength martensitic steel pipe for casing and its manufacturing method | |
| RU2719618C1 (en) | Hot-rolled seamless tubing with increased operational reliability for oil-field equipment |