Профільований сталевий дріт з високими механічними характеристиками, стійкий до водневої крихкості

Реферат: Запропоновано профільований дріт з низьколегованої вуглецевої сталі, призначений для використання в морському нафтовидобутку, який характеризується тим, що він має наступний хімічний склад, мас. %: 0,75≤С≤0,94 і 0,30≤Мn≤0,85 з Сr≤0,4, V≤0,16, Si≤ 1,40 і переважно ≥0,15, і необов'язково не більше 0,06 А1, не більше 0,1 Ni та не більше 0,1 Сu, решта - залізо та неминучі при переробці металу в рідкому стані домішки, і тим, що з гарячекатаної і охолодженої до кімнатної температури катанки діаметром 5-30 мм, одержують профільований дріт, спочатку піддаючи катанку термомеханічній обробці на двох послідовних етапах, а саме ізотермічному гартуванню для додавання однорідної перлітної мікроструктури з подальшою операцією холодного механічного перетворення із загальним ступенем нагартовування (ступінь обтискання) між 50-80 %, щоб надати їй остаточну форму, і тим, що отриманий таким чином профільований дріт піддають відновній короткочасній термообробці, що виконується нижче Асl (переважно 410-710 °C), отримуючи необхідні кінцеві механічні характеристики. UA 107705 C2 (12) UA 107705 C2 UA 107705 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургійних продуктів, призначених для експлуатації морських нафтових свердловин. Зокрема, він належить до сталевого дроту, який може бути використаний як армуючі або структурні елементи або споруди для глибоководних робіт, таких як гнучкий морський трубопровід. Відомо, що перша вимога, що пред'являється до цього типу дроту, на додаток до підвищених механічних властивостей (зокрема, межа міцності на розрив), полягає в хорошій стійкості до водневої крихкості в сірковмісному кислому середовищі, зокрема, до H2S, присутньому в рідинах, що транспортуються, та вуглеводнях. Слід зазначити, що ця стійкість є предметом NACE (Національна асоціація інженерівкорозионістів) та API (Американський нафтовий інститут) стандартів, зокрема: - NACE стандарт ТМ 0284 з стійкості водневоіндукованому розтріскуванню (HIC) в морській воді, насиченій кислим H2S; - NACE стандарт ТМ 0177 з стійкості до сульфідного корозійного розтріскування під напруженням (SSCC) в кислому середовищі. Профільований дріт, у використанні, що розглядається у винаході, повинен відповідати складнішим умовам експлуатації (велика глибина); - та API стандарт 17J (технічні умови для незв'язаних гнучких труб) для оцінки HIC і SSCC на основі стрес-тестів в кислому середовищі. Цей профільований дріт може мати круглий перетин, отриманий простим волочінням катанки більшого діаметру. Він також може після волочіння, прокатки або волочіння з подальшою прокаткою, бути прокатаним дротом або з U-, Z-, T-подібним перетином та ін. так, щоб дроти можна було приганяти один до одного або скріпляти один з одним для утворення каркасної арматури. Нині комерційна пропозиція сталевого дроту NACE якості для морського використання лежить переважно в області низьколегованої сталі, з кінцевим, після гартування і відпуску, межею міцності на розрив (Rm) близько 900 МПа. Як відомо, для виготовлення цього профільованого дроту зазвичай використовується марганцево-вуглецева сталь з 0,15-0,80 мас.% C, з початковою феритно-перлітною структурою. Зазвичай, після формування початкової круглої катанки, застосовується термічна обробка відповідної тривалості для отримання необхідної твердості. Саме цей рівень твердості відповідає допустимим критеріям для застосування. Наприклад, ISO 15156 передбачає, що ці сорти Mn сталей володіють відповідним опором руйнуванню в середовищі Н2S для використання як “профільований дріт”, якщо твердість дроту менш або рівна 22 HRC. Проте профільований дріт, отриманий звичайними способами, не здатний витримувати відносно важкі умови кислотності, що зустрічаються на великій глибині, які передбачені стандартом NACE ТМ 0177 з розчином А, у зв'язку з присутністю значної кількості H 2S у вуглеводні, що транспортується, а тим більше, якщо вказані рівні твердості вище 28 HRC (більше 900 МПа). Крім того, це служить причиною, з якою документ PCT/FR91/00328, опублікований в 1991 році, описує термомеханічний спосіб виготовлення профільованого дроту перлітно-феритної структури із вмістом 0,25 - 0,8% вуглецю і відповідного NACE ТМ 0177 і ТМ 0284 стандартам з розчином B (рН 4,8-5,4), в якій за рахунок кінцевого відпалу для зниження механічної напруги нагартовуванням металу, понижена механічна межа міцності на розрив (Rm) до близько 850 МПа. Документ FR-B-2731371, опублікований в 1996 році, також належить до виготовлення профільованого дроту з вуглецевої сталі для армування морських гнучких труб, міцність яких в кислому середовищі з H2S повинна бути на високому рівні, що виходить із загальних знань про вплив мікроструктури сталі на її стійкість до водневої крихкості. Профільований дріт, запропонований в цьому документі, в якому міститься 0,05 - 0,8% C і 0,4 - 1,5% Mn, зазнає після формування волочіння або (волочіння-прокатки) гортування з подальшим кінцевим дресируванням. Отримана структура металу по суті є бейнітом-мартенситом. Таким чином, виходитиме профільований дріт, готовий до використання, з підвищеними механічними властивостями, тобто Rm близьким до 1050 МПа (тобто в сталі після гартування і відпалу для досягнення твердості на рівні 35 HRC, але реально досяжним в промисловості близько 820 МПа), які очевидно можуть виходити далеко за межі, рекомендовані стандартом ISO 15156, і стійкістю до дуже кислого середовища (рН 3). Слід зазначити, що у відсутність кінцевого відпалу, може бути отриманий дріт з вищою твердістю, навіть з підвищеними механічними характеристиками, але з явно нижчою хімічною стійкістю до кислого середовища. Насправді, зрозуміло, що такі характеристики дуже високого рівня, передбачені для такого дроту, повинні бути реалізовані в обмеженому числі варіантів використання. Відповідно до 1 UA 107705 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вимог NACE, міцність відповідно до вищезгаданого стандарту API 17J при парціальному тиску 0,1 бар H2S з рН 3,5 - 5, дійсно була б достатньою для відповідності основним вимогам, тоді як профільований дріт, виготовлений способом вищезгаданого документа можна сказати має надмірну міцність, оскільки вони відповідають підвищеним вимогам стандартів ТМ 0177 і ТМ 0284, визначених для розчину А з рН близько 3. Більш того, виявляється, що звичайний профільований дріт на ринку перлітно-феритної структури без остаточної термообробки в основному не може відповідати навіть помірним вимогам NACE. Крім того, морські гнучкі труби повинні експлуатуватися при зростаючій глибині занурення, зараз існує великий попит навіть на пару сотень МПа вищу міцність для досягнення міцності порядку близько 1300 МПа або більш, без погіршення якості NACE, в той же час слід пам'ятати, водневі крихкість та механічні характеристики є протилежними властивостями: поліпшення одного робиться за рахунок іншого і навпаки. Крім того, ринок обмежує зростання цін, що відповідно ускладнює звичайне рішення шляхом використання благородних легуючих елементів, таких як хром, ніобій і таке інше або шляхом використання тривалих або багатократних операцій, що дорого, зокрема, якщо вони проводяться при високій температурі. В зв'язку з цим слід зазначити, зокрема, розкриття JP 59001631 1984 (DATA BASE WPI Week 198407 Thomsom Scientific, London, GB; AN 1984-039733), яке пропонує кінцеву і тривалу відновну термообробку профільованого дроту, відпалом тривалістю декілька годин. Крім того, спосіб, описаний в EP 1063313 Al, вимагає дуже високого ступеня нагартовування, близько 85 %, для досягнення необхідного кінцевого діаметру дроту волочінням. Також слід взяти до уваги ЕО 1273670, що належить до виготовлення сталевих болтів, розкриття якого підкреслює можливу перевагу в корозійній стійкості під навантаженням перлітових болтів. Винахід пропонує досягти оптимальний баланс між необхідною хорошою стійкістю до водневої крихкості у вологих умовах використання профільованого дроту та її підвищеною механічною міцністю в рамках промислового виготовлення, що дозволить поставляти на ринок дріт з привабливими економічними умовами. Для цього створений винахід, який належить до профільованого дроту з низьколегованої вуглецевої сталі, з високими механічними характеристиками і стійкістю до водневої крихкості, що призначений для використання як компонент гнучких труб для підводних нафтових свердловин, який характеризується тим, що він має наступний хімічний склад, виражений в масових відсотках від загальної маси, при переробці металу в рідкому стані: 0,75 ≤ С ≤ 0,94 і 0,30 ≤ Mn ≤ 0,85 з Cr ≤ 0,4, V ≤ 0,16, Si ≤ 1,40 і переважно ≤ 0,15, та необов'язково, не більше 0,06 Al, не більше 0,1 Ni і не більше 0,1 Cu, решта залізо та неминучі домішки, і тим, що початкову катанку піддають гарячій прокатці в аустенітному діапазоні вище 900 °C і потім охолоджуванню до кімнатної температури, до діаметру 5 - 30 мм, профільований дріт отримують, спочатку піддаючи вказану початкову катанку термомеханічній обробці на двох послідовних і розташованих в певному порядку етапах, а саме, ізотермічному гартування (звичайне патентування в розплавленому свинці), який дає однорідну перлітову мікроструктуру, з подальшою операцією холодного механічного перетворення (волочіння, прокатка+волочіння) із загальним ступенем нагартовування між 50 і близько 80 максимум (і, якщо можливо, переважно близько 60), щоб надати їй остаточну форму, і тим, що отриманий таким чином профільований дріт піддають нетривалій (переважно менш однієї хвилини) відновній термообробці температурі нижче Acl сталі, з якої вона виготовлена (переважно 410 - 710 °C), що забезпечує необхідні кінцеві механічні властивості. Винахід, який було визначено вище, заснований на трьох елементах: склад сталі марки, обробка, застосування і може розглядатися як оптимізація знань, отриманих заявником в галузі металургії сталевого дроту, використовуваного на великих морських глибинах. Детальніше, ці три елементи можуть бути деталізовані таким чином: - простий склад сталі, тобто марганцево-вуглецева (із вмістом С менше 0,75) сталь, в протилежність до зазвичай використовуваного значно нижчого вмісту вуглецю, без додавання зміцнюючих елементів, але переважно з легуванням елементами дисперсоїдами, такими як ванадій і хром, щоб отримати однорідний розподіл дрібнодисперсних карбідів у всій матриці металу; - цю сталь отримують з гарячекатаної катанки, охолодженої потім до кімнатної температури (тобто із звичайною феритно-перлітною структурою, що отримується з аустеніту при гарячій 2 UA 107705 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 прокатці), діаметр (5 - 30 мм) якої понижений в порівнянні із звичайною практикою. Ця ознака дозволить здійснити кінцеве перетворення на профільований дріт, готовий для використання, операціями м'якого механічного формування, тобто без значного нагартовування, яке може створити області неоднорідності, при цьому оператор, що відповідає за виробничий процес, повинен настроїти параметри роботи (настройка робочих параметрів, вибір волочильної дошки і калібр валка), щоб обмежити місцеве нагартовування усередині дроту. Мікроструктурою, яку слід створити ізотермічним гартуванням, є перліт. Перліт, який легко отримати в промисловому масштабі, забезпечить гомогенну наскільки можливо металургійну структуру по всій масі отриманого дроту, і буде в змозі витримати деформації, вживані при волочінні і/або прокатці. - цей дріт є дротом плоскої форми або форми, що включає плоскі частини, або профільованої форми, призначеної для підводних нафтових свердловин, щоб формувати намотку, кільцеву або дугову арматуру в структурі гнучких та інших труб. Як відомо, профільований сталевий дріт розташовується в трубопроводах між двома шарами екструдованих полімерів, в зоні, званою “кільцевою”. В даний час відомі фізико-хімічні умови, переважаючі в цій зоні при використанні гнучкої труби. Вони залежать від природи потоку в трубопроводі (нафта і газ) і структури різних шарів трубопроводу. Зокрема, рН потоку вищий, ніж вважалося раніше в 1990/2000 роки (в середньому швидше близько 5,5 - 4). Таким чином, мета винаходу полягає в пошуку нових менш жорстких умов, що забезпечуються в кільцевій зоні, що дозволяє використовувати профільований дріт з вищою механічною міцністю. Іншими словами, сьогодні якість NACE може бути цілком обґрунтовано встановлена при менш строгих результатах випробувань, ніж результати, передбачені стандартом API (заявникові довелося адаптувати умови випробувань в порівнянні із стандартом API, зокрема, рН, відповідно до вимог). Наприклад, якість NACE може бути привласнена сталевому дроту, що витримав без пошкоджень або внутрішніх тріщин протягом місяця при постійному навантаженні 90 від Re у водному розчині з рН 5 - 6,5 і барботуванням газу, що містить СО 2, і декілька мілібар H2S. Винахід, інші аспекти і переваги будуть краще зрозумілі з наступного опису, приведеного у вигляді прикладу. У таблиці I на останній сторінці опису показано сім прикладів сталі з хімічною композицією відповідно до винаходу, марки яких показані в першому стовпці відповідно до системи позначень заявника. Детально розглянемо приклад композиції сталі, позначеної C88 (передостанній рядок таблиці I), склад якої відповідають наступному масовому вмісту C: 0,861, Mn: 0,644, P: 0,012, S: 0,003, Si: 0,303, Al: 0,47, Ni: 0,015, Cr: 0,032, Cu: 0,006, Мо: 0,003 та V: 0,065. З круглої катанки діаметром 12 мм, з цією композицією, виготовляють кінцевий дріт, готовий до використання, у формі, що включає плоску частину 9 мм х 4 мм наступними послідовними операціями. По-перше, слід зазначити, що відповідно до винаходу діаметр катанки не повинен перевищувати 30 мм, так щоб не було необхідності в нагартовуванні середньої частини дроту в істотному ступені під час подальшого волочіння, що виконується із загальним ступенем нагартовування, що не перевищує 80% максимально, для досягнення необхідного кінцевого діаметру дроту, готового до використання. Катанка є сталевим дротом гарячекатаним в його аустенітному діапазоні (зазвичай вище 900 °C), який потім швидко охолоджують від температури прокатки до температури намотування рулону, із закінченням охолоджування до кімнатної температури в місці зберігання в очікуванні доставки споживачеві. Після доставки споживачеві, цю початкову катанку розмотують з рулонів, спочатку піддають ізотермічному гарту від температури навколишнього середовища. Зазвичай гартування полягатиме в патентуванні при постійній температурі близько 520 - 600 °C при пропусканні через ванну з розплавленим свинцем, і охолоджування. Операція патентування додає сталевому дроту перлітову мікроструктуру, яка зберігатиметься до кінця з можливими слідами фериту, але без бейніту і мартенситу. Потім проводять волочіння круглого або вже плоского дроту “м'яким” шляхом, тобто для того, щоб звести до мінімуму рівень внутрішнього напруження, формованого нагартовуванням металу. Причина цього полягає в обмеженні пошкоджень внутрішньої мікроструктури, які створюють сприятливі ділянки для переважного накопичення водню. Потім може бути проведена холодна прокатка дроту для досягнення кінцевого розміру, за умови, що загальний ступінь нагартовування (волочіння+прокатка) складає від 50 до 80 максимум, і, якщо можливо, переважно близько 60. 3 UA 107705 C2 5 10 15 Rm проміжного дроту, отриманого таким чином, складає 1900 МПа. Залишається провести пом'якшувальну термообробку для полегшення подальшого формування і додання їй стійкості до водневої крихкості, що погіршується нагартовуванням. Для цієї мети проста відновна термообробка, тобто термообробка при температурі нижче за значення Acl (410-710 °C для всіх використаних марок сталі) і тривалістю менш однієї хвилини, дасть потрібне кінцеве Rm, точне значення якого, звичайно, залежить від умов відновної обробки. У таблиці II нижче приведені кінцеві механічні властивості, отримані для профільованого дроту, для якого проведена швидка відновна термообробка за наступних робочих умов, позначених рядками А - Е: витримка протягом 5 секунд при температурі нижче за температуру Acl марки сталі, що вивчається, яка приведена в другій колонці таблиці, перед швидким охолоджуванням водою. Інші стовпці представляють відповідно, середню найбільшу межу міцності на розрив Rm, середню межу пружності Re, середній коефіцієнт подовження до розриву А% обробленого дроту термомеханічними операціями, і відношення Re/Rm. Слід зазначити, як можна було б чекати, Rm, як і Re закономірно зменшується при підвищенні температури відновлення (рядки А - Е). Відношення Re/Rm залишається постійним і середній коефіцієнт подовження А% збільшується в ту ж сторону. Таблиця II A B C D E Температура відновлення (°C) Середній Rm (МПа) Середній Re (МПа) Середній A% Re/Rm 410 1920 1730 9,6 0,90 500 1760 1530 9,7 0,86 600 1550 1360 11,0 0,87 635 1480 1280 12,0 0,86 675 1380 1190 11,6 0,86 20 25 Випробування NACE на HIC (водневоіндуковане розтріскування) і SSC (сульфідне корозійне розтріскування під напруженням) проводять з отриманим дротом після цих різних поновлюючих термообробок. Дані представлені в таблиці III нижче. Можна бачити, що всі проаналізовані зразки проходять випробування: після ультразвукової перевірки не виявляються внутрішні тріщини типу здуття, що указувало б на корозію водневим окрихчуванням. Таблиця III A B C D E 30 Rm (у МПа) 1920 1760 1550 1480 1380 Випробування Тривалість NACE типу (у днях) HIC + SSC 30 HIC + SSC 30 HIC + SSC 30 HIC + SSC 30 HIC + SSC 30 H2S % рH 0,1 0,1 0,22 0,22 0,22 5,8 5,8 5,6 5,6 5,6 Вживане напруження в SSC 90% Re 90% Re 90% Re 90% Re 90% Re Резуль-тати US RAS RAS RAS RAS RAS Звичайно, винахід не обмежується вищеописаними прикладами, але розповсюджується на багато варіантів і еквіваленти, наскільки дозволяє формула винаходу, що додається. 4 UA 107705 C2 Таблиця 1 Mn% P% S% Si% Al% Ni% Cr% Cu% Mo% V% B% Nb% Мар- С% ка Ма Мі Ма Мі Мак Мі Ма Мі Ма Мі Мак Мі Ма Мі Ма Мі Ма Мі Мак Мі Ма Мі Ма Мі Мін Макс сталі кс н кс н с н кс н кс н с н кс н кс н кс н с н кс н кс н C78 0,8 0, 0,7 0,0 0,1 0,3 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,00 0,75 0,02 0,06 D2 0 50 0 2 5 0 2 8 0 8 2 7 C82 0,8 0, 0,7 0,0 0,1 0,3 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0 0,00 0,80 0,02 0,06 D2 5 50 0 2 5 0 2 8 0 0 2 7 0,8 0, 0,8 0,0 0,1 0, 0,1 0,00 C82 0,77 5 65 5 2 0 03 6 7 C86 0,8 0, 0,7 0,0 0,1 0,3 0,00 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,00 0,83 0,02 D2B 8 50 0 2 5 0 5 0 0 2 25 02 07 7 C86 0,8 0, 0,8 0,0 0,1 0,3 0,0 0,1 0,1 0,1 0,0 0,00 0,82 0,02 0,06 D2 8 65 5 2 5 0 2 0 0 0 2 7 0,9 0, 0,7 0,0 0,2 0,3 0,0 0,1 0,1 0,1 0,0 0, 0,1 0,00 C88 0,80 0,02 0,06 0 50 0 2 0 5 2 0 0 0 1 05 0 8 0,9 0, 0,6 0,01 0,0 1,0 1,4 0,00 0,1 0,1 0,3 0,1 0,00 C92 0,88 5 30 0 5 15 0 0 5 0 0 0 0 7 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Профільований дріт з низьколегованої вуглецевої сталі з високими механічними характеристиками та стійкістю до водневої крихкості, призначений для використання як компонент гнучких труб для морських нафтових свердловин, який відрізняється тим, що сталь має наступний хімічний склад, в мас. %: 0,75≤С≤0,94 і 0,30≤Мn≤0,85 решта - залізо та неминучі домішки, одержані при переробці металу в рідкому стані, при цьому гарячекатану в аустенітному діапазоні вище 900 °C і охолоджену до кімнатної температури катанку, що має діаметр близько 5-30 мм, спочатку піддавали термомеханічній обробці на двох послідовних етапах, що виконують в певному порядку, а саме ізотермічному гартуванню для надання однорідної перлітової мікроструктури з подальшою операцією холодного механічного перетворення із загальним ступенем нагартування між 50 і максимум 80 %, для надання йому остаточної форми, і одержаний таким чином профільований дріт піддавали термообробці при температурі 410-710 °C протягом не більше однієї хвилини, з одержанням необхідних кінцевих механічних характеристик. 2. Профільований дріт за п. 1, який відрізняється тим, що вказане ізотермічне гартування полягає у патентуванні в розплавленому свинці. 3. Профільований дріт за п. 1, який відрізняється тим, що сталь при необхідності містить, мас. %: Сr≤0,4, V≤0,16, Si≤1,40 та переважно ≥0,15 , не більше 0,06 А1, не більше 0,1 Ni та не більше 0,1 Сu. 25 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5