коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб

Формула изобретения

Коррозионно-стойкая сталь для насосно-компрессорных и обсадных труб, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий, алюминий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,03-0,12
кремний	0,17-0,40
марганец	0,40-0,70
хром	1,20-2,00
молибден	0,15-0,30
ванадий	от 0,04 до менее 0,05
ниобий	0,03-0,06
алюминий	от более 0,05 до не более 0,06
цирконий	0,01-0,07
железо и неизбежные примеси	остальное

Описание изобретения к патенту

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. Например, согласно стандарту API 5CT/ISO 11960 для труб группы прочности L80 типа 9Сг, предназначенных для скважин с сернистой средой, используется сталь, содержащая не более 0,15% углерода, 0,30-0,60% марганца, не более 1,00% кремния, 0,90-1,10% молибдена, 8,00-10,0% хрома, не более 0,50% никеля, не более 0,25% меди. Однако трубы из указанной стали не обладают стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН), а также имеют низкую хладостойкость, что не позволяет использовать их в условиях Крайнего Севера.

Известна также экономнолегированная сталь 12Х2МФБ (Марочник сталей и сплавов./Под ред. А.С.Зубченко, М., «Машиностроение», 2003, стр.245), имеющая следующий химический состав, мас.%:

углерод	0,08-0,12
кремний	0,40-0,70
марганец	0,40-0,70
хром	2,10-2,60
молибден	0,50-0,70
ванадий	0,20-0,35
ниобий	0,50-0,80
никель	не более 0,25
медь	не более 0,25
фосфор	не более 0,025
сера	не более 0,025
железо	остальное

Указанная сталь имеет достаточную стойкость к сульфидному растрескиванию в сероводородсодержащей среде, но не обладает стойкостью к углекислотной и бактериальной коррозии и не имеет необходимых прочностных свойств, поскольку для связывания карбидообразующих элементов в карбиды, обеспечивающие упрочнение по дисперсионному механизму упрочнения, в этой стали недостаточно углерода.

Вышерассмотренные стали не содержат модифицирующие добавки, что сказывается на морфологии и фазовом составе неметаллических включений. В стали образуются удлиненные сульфиды (Fe,Mn)S и округлые оксиды алюминия. Данный фазовый состав неметаллических включений приводит к значительному снижению коррозионной стойкости и пластичности стали.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является коррозионно-стойкая сталь по патенту РФ № 2361958, МПК С22С 38/26, содержащая, мас.%:

углерод	0,03-0,12
кремний	0,17-0,40
марганец	0,40-0,70
хром	0,50-1,20
молибден	0,15-0,30
ванадий	0,04-0,10
ниобий	0,03-0,06
алюминий	не более 0,06
РЗМ	0,002-0,016
железо и неизбежные примеси	остальное

Данная сталь имеет хорошую коррозионную стойкость в агрессивных средах, однако не обладает необходимыми прочностными характеристиками, позволяющими использовать ее для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб группы прочности «Д» (ГОСТ 633-80).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала экономнолегированных сталей для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, обеспечивающих как необходимый уровень механических свойств, так 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, ванадий, ниобий, алюминий, железо и неизбежные примеси, в отличие от прототипа дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,03-0,12
кремний	0,17-0,40
марганец	0,40-0,70
хром	1,20-2,00
молибден	0,15-0,30
ванадий	от 0,04 до менее 0,05
ниобий	0,03-0,06
алюминий	от более 0,05 до не более 0,06
цирконий	0,01-0,07
железо и неизбежные примеси	остальное.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации описываемого изобретения, заключается в следующем. Как показали проведенные исследования, микродобавки циркония оказывают упрочняющее влияние на сталь, что особенно заметно проявилось при очень малых количествах этого элемента. Цирконий имеет большее сродство к углероду, чем хром, молибден, ванадий и ниобий. При этом образуются дисперсные карбиды и карбонитриды. Прирост прочности стали с цирконием, по-видимому, можно объяснить тем, что, во-первых, происходит образование мелкодисперсных карбидов циркония, располагающихся по мало- и высокоугловым границам, во-вторых, в структуре стали при нагреве до 1000°С сохраняются дисперсные карбонитриды циркония, сдерживающие рост аустенитного зерна, что обуславливает получение наследственной мелкозернистой структуры стали. В малых количествах цирконий упрочняет феррит, измельчая блочную структуру стали. Кроме этого, цирконий оказывает стабилизирующее воздействие на микро- и субструктуру стали, существенно замедляя процессы превращения аустенита при охлаждении и снижая скорость протекания рекристаллизации феррита. Добавка циркония оказывает влияние на кинетику превращения аустенита стали, замедляя диффузию углерода в твердом растворе, что приводит к стабильности аустенита и, следовательно, к сдвигу в сторону большей выдержки превращения аустенита в феррит. При этом, как подтвердили наши исследования, при указанных количествах циркония в стали ее упрочнение достигается без снижения пластичности, что обуславливается эффектом растворения циркония в стали и измельчением его субструктуры, обеспечивающим мелкозернистую структуру стали. За счет того, что цирконий имеет большее сродство к углероду, чем хром, его карбиды более стабильны и выделяются раньше, чем карбиды хрома. Предложенные диапазоны содержания углерода и циркония таковы, что почти весь углерод оказывается связанным в карбиды или карбонитриды циркония, а большая часть хрома остается в твердом растворе, что значительно повышает стойкость стали к углекислотной и бактериальной коррозии. Повышение содержания хрома в предложенном составе по сравнению с прототипом до 2,00 мас.% также приводит к существенному повышению коррозионной стойкости стали. Цирконий обладает высоким химическим сродством не только к углероду, но и кислороду, сере и азоту. За счет введения циркония изменяются морфология и фазовый состав сульфидов, а также не создаются цепочки неметаллических включений, снижающих пластические и коррозионные свойства металла.

Сущность предлагаемого изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются данными проведенных экспериментов, представленными в таблицах, где в Таблице 1 приведены варианты химического состава стали, в Таблице 2 - механические свойства, в Таблице 3 - результаты испытаний на стойкость к сульфидной и углекислотной коррозии, в Таблице 4 - результаты испытаний на стойкость к биокоррозии (оценивается как количество клеток СВБ-бактерий в поле зрения при увеличении ×3000).

Таблица 1
№ п/п	Массовые доли элементов, %
С	Si	Mn	Cr	Mo	Al	V	Nb	Zr	РЗМ
1	0,05	0,17	0,70	1,25	0,23	0,05	0,04	0,04	0,04	-
2	0,08	0,35	0,48	1,74	0,25	0,04	0,06	0,07	0,07	-
3	0,12	0,40	0,53	2,00	0,15	0,03	0,10	0,03	0,06	-
4	0,03	0,28	0,40	1,20	0,30	0,06	0,05	0,06	0,01	-
Прототип	0,11	0,26	0,56	0,50	0,20	0,06	0,06	0,06	-	0,002

Таблица 2
№ п/п	Предел прочности, в, МПа	Предел текучести, г, МПа	Ударная вязкость, KCV-60, Дж/см2	Доля вязкой составляющей в изломе, %
1	686	569	244	86
2	758	614	182	60
3	779	630	268	94
4	617	524	270	95
Прототип	520	420	170	60

Таблица 3
№ п/п	Стойкость к СКРН по NACE ТМ0177, метод А, oth, % от г	Скорость CO2-коррозии, Тисп 60°С, мм/год
1	85	0,8
2	80	0,6
3	90	0,5
4	80	0,9
Прототип	80	1,0

Таблица 4
№ п/п	Количество клеток в поле зрения при ×3000, шт.
1	15
2	12
3	9
4	21
Прототип	30

Как видно из приведенных данных, предложенный состав стали и количественное содержание компонентов обеспечивают такую совокупность механических свойств стали и ее коррозионной стойкости, которая отсутствует у известных из уровня техники аналогов. Также следует отметить, что при содержании хрома в стали менее 1,20 мас.% не обеспечивается стойкость к углекислотной коррозии, а при содержании хрома свыше 2,00 мас.% ухудшается стойкость к СКРН. Введение циркония положительно сказывается на стойкости стали к сульфидной коррозии, т.к. он связывает серу в оксисульфиды и гидриды. При этом концентрация циркония менее 0,04 мас.% оказалась недостаточной для связывания серы в сульфиды (оксисульфиды) циркония, а при увеличении содержания циркония выше 0,06 мас.% происходило излишнее обогащение границ зерен цирконием, что обуславливает склонность стали к межзеренному разрушению и, следовательно, ведет к уменьшению вязкости, повышению температуры хрупко-вязкого перехода и снижению стойкости к СКРН.

Таким образом, предложенная сталь при экономном поликомпонентном легировании имеет наилучшее по сравнению с известными аналогами соотношение прочностных характеристик и коррозионной стойкости, которое обеспечивает возможность ее использования для изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб, эксплуатирующихся в агрессивных средах, содержащих H₂S и CO₂.