AT408889B

AT408889B - Korrosionsbeständiger werkstoff

Info

Publication number: AT408889B
Application number: AT0113300A
Authority: AT
Inventors: Herbert Dipl Ing Aigner; Josef Dipl Ing Bernauer; Gabriele Dipl Ing Saller
Original assignee: Schoeller Bleckmann Oilfield T; Boehler Edelstahl Gmbh & Co Kg
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2002-03-25
Also published as: CA2396207C; NO330002B1; EP1294956A1; WO2002002837A1; US6764647B2; ATA11332000A; CA2396207A1; ATE284979T1; DE50104841D1; ES2231505T3; US20030024612A1; EP1294956B1; AU2001265657A1; NO20022917D0; NO20022917L

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit grosser Korrosionsbeständigkeit in Medien mit hoher Chloridkonzentration, geeignet für Einrichtungen in der Ölfeldtechnik, insbesondere für Bohrstrangkomponenten, bestehend aus den Elementen Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Stickstoff (N), Eisen (Fe) sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, welcher Werkstoff warmverformt und nach einer Abkühlung kaltverformt ist. 



   Korrosionsbeständige Werkstoffe, die paramagnetisches Verhalten zeigen und hohe Festigkeit aufweisen, sind für Einrichtungen in der Ölfeldtechnik, insbesondere für Bohrstrangkomponenten, verwendbar. Allerdings werden immer höhere Anforderungen an die Teile und immer strengere Massstäbe an die Werkstoffe gestellt bzw. angelegt. 



   Um Richtungsmessungen bei einem Abteufen bzw. Niederbnngen einer Bohrung mit einer notwendigen Genauigkeit durchführen zu können, muss der Werkstoff eine Permeabilität von kleiner als 1,005 haben. 



   Eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere ein hoher 0,2% Dehnwert, ist im Hinblick auf eine vorteilhafte anlagentechnische Konzeption und auf eine hohe Betriebssicherheit der Teile erforderlich, weil die Beanspruchungen derselben bis zu den Grenzwerten der jeweiligen Werkstoffbelastbarkeit vorgesehen und immer grössere Bohrtiefen erforderlich sind. Weiters ist eine Kerbschlagzähigkeit des Materials wichtig, weil oft schlagartig oder stossartig hohe Belastungen von den Teilen ertragen werden müssen. 



   Insbesondere für Bohrstrangteile und Schwerstangen ist in vielen Fällen eine hohe Dauerwechselfestigkeit von Bedeutung, weil bei einer Rotation der Teile bzw. der Schwerstangen   schwellende   oder wechselnde Beanspruchungen vorliegen können. 



   Die Teile werden oft bei niedrigen Temperaturen montiert oder eingesetzt, so dass auch der Zähigkeitsübergangstemperatur (FATT) des Werkstoffes ein hoher Stellenwert zukommt. 



   Entscheidende Bedeutung besitzt das Korrosionsverhalten für in der Ölfeldtechnik verwendete Teile, das sind einerseits die Spannungsrisskorrosion (SCC) und andererseits die Lochkorrosion (Pitting, CPT). 



   Wie aus obigen Darlegungen hervorgeht, sind Werkstoffe mit grosser Korrosionsbeständigkeit in Medien mit hoher Chloridkonzentration, die für Einrichtungen in der Ölfeldtechnik geeignet sind, gleichzeitig einer Vielzahl von hohen Beanspruchungen ausgesetzt. 



   Die Erfindung setzt sich zum Ziel, einen paramagnetischen Werkstoff mit hoher Dehngrenze, hoher Kerbschlagzähigkeit und hoher Dauerwechselfestigkeit sowie einer niedrigen Zähigkeits- übergangstemperatur zu erstellen, der gleichzeitig korrosionsbeständig, insbesondere beständig gegen Lochkorrosion, in chloridhaltigen Medien ist. 



   Dieses Ziel wird bei einem Werkstoff der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass diese im wesentlichen aus den Elementen in Gew.-% 
 EMI1.1 
 
<tb> 
<tb> Kohlenstoff <SEP> (C) <SEP> kleiner/gleich <SEP> 0,03
<tb> Silizium <SEP> (Si) <SEP> kleiner/gleich <SEP> 0,89
<tb> Mangan <SEP> (Mn) <SEP> 0,51 <SEP> bis <SEP> 4,49
<tb> Chrom <SEP> (Cr) <SEP> 25,1 <SEP> bis <SEP> 38,9
<tb> Molybdän <SEP> (Mo) <SEP> 2,1 <SEP> bis <SEP> 5,9
<tb> Nickel <SEP> (Ni) <SEP> 22,9 <SEP> bis <SEP> 38,9
<tb> Kupfer <SEP> (C) <SEP> 0,51 <SEP> bis <SEP> 1,49
<tb> Stickstoff <SEP> (N) <SEP> 0,17 <SEP> bis <SEP> 0,29
<tb> Eisen <SEP> (Fe) <SEP> Rest
<tb> 
 sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen besteht,

   welcher Werkstoff im nitridausscheidungsfreien Zustand und ohne ausgeschiedene vergesellschaftete Phasen warmverformt und nach einer Abkühlung im ferritfreien Zustand kaltverformt ist und eine Permeabilität von kleiner als 1,0048 eine Dehngrenze (Rp0,2) von grösser als 710   N/mm2   eine Kerbschlagzähigkeit von über 60 J eine Dauerwechselfestigkeit von grösser   31 0     N/mm2   bei N = 107 Lastwechsel und eine Zahigkeitstemperatur von unter -28 C (FATT) aufweist. 



   Die durch die Erfindung erreichten Vorteile liegen insbesondere in der legierungstechnischen 

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 Wirkung einer ausgewogenen Stickstoffkonzentration. Es wurde überraschend gefunden, dass bei der Herstellung von Teilen ein besonders hohes Ausbringen erreicht werden kann. Obwohl bei einer Warmverformung keinerlei Nitridausscheidungen gegeben sein können, wird die Verformbarkeit des Werkstoffes bei schwankender Schmiedehitze bei Gehalten über 0,29 Gew.-% Stickstoff sprunghaft verschlechtert. Auch kann im engen Konzentrationsbereich von 0,17 bis 0,29   Gew.-%   N eine Ausscheidung von vergesellschafteten Phasen auf einfache Weise verhindert werden, wenn die weiteren Legierungselemente in den vorgesehenen Gehaltsbereichen vorliegen.

   Stickstoff, Nickel und Molybdän erbringen dabei auch synergetisch eine äusserst hohe Resistenz gegen Lochkorrosion (Pitting). 



   Mit 0,03 Gew.-% ist der Kohlenstoffgehalt der Legierung aus korrosionschemischen Gründen nach oben begrenzt, wobei eine weitere Senkung desselben die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes, insbesondere die Loch-und Spannungsrisskorrosion, erhöhen. 



   Der Siliziumgehalt soll beim erfindungsgemässen Werkstoff 0,89 Gew.-%, aus korrosionschemischen Gründen und insbesondere der niedrigen magnetischen Permeabilität wegen, nicht überschreiten
Die Stickstofflöslichkeit der Legierung und die Austenitstabilisierung werden durch Mangan gefördert. Allerdings müssen im Hinblick auf eine Verhinderung von Lochkorrosion die Mangangehalte mit 4,49 Gew. -% nach oben hin beschränkt und dafür Nicket in die Legierung eingeführt werden. 



  Ein Mindestgehalt an 0,51 Gew -% Mangan ist für eine wirkungsvolle Schwefelabbindung erforderlich. 



   Eines der besonders wichtigen Legierungselemente im Hinblick auf den Korrosionswiderstand ist Chrom, weil Chrom die Grundlage für die Bildung einer Passivschicht an der Oberfläche der Teile darstellt. Um ein gegebenenfalls stellenweises Durchbrechen dieser Schicht, in Synergiewirkung mit den übrigen Legierungselementen, insbesondere Mo und N in hohem Masse zu verhindern, sind Gehalte von mindestens 25,1 Gew.% Cr erforderlich. Durch höhere Gehalte als 38,9 Gew.-% steigt die Gefahr einer Ausscheidung von intermetallischen Phasen. 



   Wenn auch das Legierungselemente Molybdän äusserst wichtig für eine Beständigkeit des Werkstoffes gegen Spalt- und Lochkorrosion ist, sollte der Gehalt 5,9   Gew.-%   nicht überschreiten, weil dann eine Neigung zur Bildung von vergesellschafteten Phasen sprunghaft steigt. Niedrigere Gehalte als 2,1 Gew.-% verschlechtern das Korrosionsverhalten des Werkstoffes überproportional. 



   Das Legierungselement Nickel ist in den vorgesehenen Konzentrationen wichtig zur Stabilisierung des kubisch flächenzentrierten Atomgitters, also für geringe Permeabilität, und interaktiv mit Chrom und Molybdän wirkungsvoll für eine Vermeidung der Lochkorrosion. Bis 38,9 Gew.-% werden die Zähigkeit, die FATT und die Dauerwechselfestigkeit vorteilhaft angehoben. Bei einem Unterschreiten von 22,9 Gew.-% verringert sich in zunehmendem Masse der stabilisierende Effekt hinsichtlich der Korrosion, insbesondere der Spannungsrisskorrosion, in chloridhaltigen Medien und betreffend die magnetischen Werte bei der Kaltverformung; es erhöht sich also die Neigung zur Ausbildung von Zonen mit Verformungsmartensit. 



   Zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit ist auch ein Kupfergehalt in Grenzen der Legierung vorgesehen wenn auch die Wirkung dieses Elementes verschiedentlich in Frage gestellt wird. 



   Wie früher erwähnt, ist der Stickstoffgehalt synergetisch auf die übrige Legierungszusammensetzung abgestimmt. Dieser Gehalt von 0,17 bis 0,29 Gew.-% besitzt den weiteren Vorteil, dass ein Block unter Atmosphärendruck erstarren gelassen werden kann, ohne dass Gaseinschlüsse durch eine Überschreitung der Löslichkeitsgrenze bei der Erstarrung in diesem gebildet werden. 



   Auf einem besonders hohem Niveau können die magnetischen, die mechanischen und insbesondere die Werte der Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes eingestellt werden, wenn dieser im wesentlichen aus den Elementen in Gew -% C = kleiner/gleich 0,02, vorzugsweise 0,005 bis 0,02 Si = kleiner/gleich 0,75, vorzugsweise 0,20 bis 0,70 Mn = 1,1bis 2,9, vorzugsweise 2,01 bis 2,6 Cr = 26,1 bis 27,9, vorzugsweise 26,5 bis 27,5 Mo = 2,9 bis 5,9, vorzugsweise 3,2 bis 3,8 Ni = 27,9 bis 32,5, vorzugsweise 30,9 bis 32,1 Cu = 0,98 bis 1,45, vorzugsweise 1,0 bis 1,4 N = 0,175 bis 0,29, vorzugsweise 0,18 bis 0,22 

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 Fe und herstellungsbedingten Verunreinigungen = Rest besteht
Hohe mechanische Eigenschaftswerte bei einer relativen magnetischen Permeabilität von
1 004 und kleiner werden erreicht,

   wenn der Werkstoff im   ausscheidungsfreien   Zustand   minde-   stens 3,6-fach warmverformt und bei einer Temperatur von 100 bis 590 C, vorzugsweise von 360 bis 490 C, mit einem Umformgrad von kleiner als 38%, vorzugsweise von 6 bis 19 %, kaltverformt ist. Erfindungsgemäss weist der Werkstoff ein Lochkorrosionspotential in neutraler Lösung bei Raumtemperatur von grösser als 1100 mVH/1000 ppm Chloride und/oder 1000 mVH/80000 ppm Chloride auf. 



   Anhand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert. 



   In der Tabelle 1 ist die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemässen Legierungen und der Vergleichswerkstoffe angegeben. Weiters sind die Kennzahlen für die Warmverformung und die Kaltverformung der Schmiedestücke dieser Tabelle entnehmbar. 



   Aus der Tabelle 2 sind die magnetischen und die mechanischen Kennwerte dieser Werkstoffe ersichtlich
Mit der Probenbezeichnung 1 bis 5 sind Vergleichslegierungen und mit der Probenbezeichnung A bis E sind erfindungsgemäss zusammengesetzte Legierungen in der Tabelle 1 zusammengestellt. 



  Die Untersuchungsergebnisse der Werkstoffe sind der Tabelle 2 zu entnehmen, auf weiche Ergebnisse nachfolgend kurz eingegangen wird. 



   Die Legierungen 1 bis 3 weisen geringe Stickstoffgehalte auf, zeigen deshalb keine gewunschte Verfestigung bei einer Kaltverformung, wie aus den Rpo,2-Werten hervorgeht, und auch für die   Dauerwechselfestigkeit wurden niedrige Zahlenwerte (in der Tabelle nicht angegeben) von 270, 210 und 290 N/mm2 ermittelt.   



   Korrosionschemisch sind weder die SCC- noch die CPT-Werte aus-reichend, was insbesondere auf jeweils niedrige Mo-Gehalte und beim Werkstoff 2 auf einen niedrigen Cr-Gehalt zurückzuführen ist. 



   Die Legierungen 4 und 5 besitzen eine nicht ausreichend hohe und eine überhöhte Stickstoffkonzentration, was zu höheren Streckgrenzenwerten führt und auch den Wert der Biegewechselfestigkeit ( 308,340   N/mm2)   anhebt. Auf Grund eines geringen Cr-Gehaltes ist beim Werkstoff 4 ein nachteiliges DUAL-Mikrogefüge (Anätzungen an den Korngrenzen) gegeben, wobei weiter anzumerken ist, dass auch der Werkstoff 5 trotz jeweils ausreichender Mo-Konzentrationen der geringeren Cr-Gehalte wegen, die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit nicht   erfüllt.   Die Ergebnisse der Legierungen A bis E zeigen, dass die Stickstoffgehalte zu einer gewünschten Verfestigung durch eine Kaltumformung führen und die jeweiligen Konzentrationen von Stickstoff,

   Nickel und Molybdän synergetisch eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes in chloridhaltigen Medien, insbesondere einen hohen Widerstand gegen Pitting, bewirken. 

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 EMI4.1 
 
<tb> 



  Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> 1. <SEP> Schritt <SEP> / <SEP> Warmumformung <SEP> 2 <SEP> Schritt
<tb> Umform- <SEP> Umform- <SEP> Ab- <SEP> Umformung <SEP> UmformProbe <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Mo <SEP> Cu <SEP> N <SEP> grad <SEP> temp <SEP> kühlung <SEP> [%] <SEP> temp.
<tb> 



  [-fach] <SEP> [ C] <SEP> ¯¯¯¯¯¯ <SEP> [ C]
<tb> 
 
 EMI4.2 
 
 EMI4.3 
 
<tb> 



  3 <SEP> 0,025 <SEP> 0,41 <SEP> 2,51 <SEP> 25,28 <SEP> 28,07 <SEP> 0,35 <SEP> n <SEP> b. <SEP> 0,08 <SEP> 5,2 <SEP> 1050/900 <SEP> Luft <SEP> 18 <SEP> 460 <SEP> 
<tb> A <SEP> 0,03 <SEP> 0,35 <SEP> 1,81 <SEP> 26,60 <SEP> 28,52 <SEP> 3,31 <SEP> 1,24 <SEP> 0,18 <SEP> 5,0 <SEP> min.850 <SEP> Wasser <SEP> 15 <SEP> 480
<tb> B <SEP> 0,025 <SEP> 0,28 <SEP> 2,25 <SEP> 27,44 <SEP> 34,58 <SEP> 3,78 <SEP> 1,30 <SEP> 0,21 <SEP> 5,8 <SEP> min.850 <SEP> Wasser <SEP> 20 <SEP> 470 <SEP> 
<tb> C <SEP> 0,02 <SEP> 0,30 <SEP> 1,10 <SEP> 27,28 <SEP> 31,20 <SEP> 5,12 <SEP> 1,05 <SEP> 0,20 <SEP> 5,5 <SEP> min.850 <SEP> Wasser <SEP> 18 <SEP> 470 <SEP> 
<tb> D <SEP> 0,025 <SEP> 0,28 <SEP> 1,60 <SEP> 30,56 <SEP> 35,38 <SEP> 2,20 <SEP> 0,70 <SEP> 0,28 <SEP> 5,2 <SEP> min.850 <SEP> Wasser <SEP> 15 <SEP> 450 <SEP> 
<tb> E <SEP> 0,02 <SEP> 0,30 <SEP> 2,61 <SEP> 27,10 <SEP> 29,32 <SEP> 2,71 <SEP> 0,62 <SEP> 0,

  29 <SEP> 5,0 <SEP> min. <SEP> 850 <SEP> Wasser <SEP> 20 <SEP> 480
<tb> 4 <SEP> 0,01 <SEP> 0,6 <SEP> 1,7 <SEP> 17,30 <SEP> 13,20 <SEP> 2,7 <SEP> 0,01 <SEP> 0,16 <SEP> 5,0 <SEP> 10801950 <SEP> Luft <SEP> 8 <SEP> 350 <SEP> 
<tb> 5 <SEP> 0,02 <SEP> 1,4 <SEP> 0,8 <SEP> 23,50 <SEP> 15,36 <SEP> 1,4 <SEP> 0,01 <SEP> 0,30 <SEP> 4,8 <SEP> n <SEP> b. <SEP> n <SEP> b. <SEP> n <SEP> b. <SEP> n.b <SEP> 
<tb> 
   A, B, C, D, E # Erfindungsgemässe Werkstoffe 1 bis 5 # Vergleichswerkstoffe Tabelle 1   

 <Desc/Clms Page number 5> 

 
 EMI5.1 
 
<tb> Relat <SEP> magn <SEP> Zahigkeit <SEP> (ISO-V) <SEP> Oxalic <SEP> SCC <SEP> Pitting
<tb> Probe <SEP> Permeabilität <SEP> Rp0,2 <SEP> Rm <SEP> 20  <SEP> FATT <SEP> Acid <SEP> Test <SEP> CPT
<tb> 
 
 EMI5.2 
 
 EMI5.3 
 
<tb> 1 <SEP> 1,003 <SEP> 470 <SEP> 780 <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 45 <SEP> STEP <SEP> 200 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> max.

   <SEP> 5 C <SEP> 
<tb> 2 <SEP> 1,002 <SEP> 430 <SEP> 750 <SEP> 170 <SEP> - <SEP> 50 <SEP> STEP <SEP> 100 <SEP> Mpa/min. <SEP> 8h <SEP> max <SEP> 5 C
<tb> 3 <SEP> 1,003 <SEP> 560 <SEP> 790 <SEP> 160 <SEP> - <SEP> 50 <SEP> STEP <SEP> 150 <SEP> Mpalmin.720" <SEP> max. <SEP> 5 C <SEP> 
<tb> A <SEP> 1,002 <SEP> 930 <SEP> 1050 <SEP> 140 <SEP> - <SEP> 45 <SEP> STEP <SEP> 450 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> 55 C
<tb> 
 
 EMI5.4 
 
 EMI5.5 
 
<tb> C <SEP> 1,003 <SEP> 940 <SEP> 1040 <SEP> 107 <SEP> - <SEP> 40 <SEP> STEP <SEP> 650 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> 85 C
<tb> D <SEP> 1,003 <SEP> 980 <SEP> 1090 <SEP> 99 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> STEP <SEP> 600 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> 65 C
<tb> E <SEP> 1,002 <SEP> 1000 <SEP> 1150 <SEP> 130 <SEP> - <SEP> 45 <SEP> STEP <SEP> 450 <SEP> Mpa/min.710h <SEP> 65 C
<tb> 4 <SEP> 1,

  005 <SEP> 670 <SEP> 820 <SEP> 130 <SEP> -40 <SEP> DUAL <SEP> 100 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> 15 C
<tb> 5 <SEP> 1,001 <SEP> 810 <SEP> 910 <SEP> 120 <SEP> -45 <SEP> STEP <SEP> 150 <SEP> Mpa/min.720h <SEP> 35 C
<tb> 
   A, B, C, D, E = > Erfindungsgemasse Werkstoffe 1 bis 5 # Vergleichswerkstoffe Tabelle 2

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Werkstoff mit grosser Korrosionsbeständigkeit in Medien mit hoher Chloridkonzentration, geeignet für Einrichtungen in der Ölfeldtechnik, insbesondere für Bohrstrangkomponenten, bestehend im wesentlichen aus den Elementen in Gew.-% Kohlenstoff (C) kleiner/gleich 0,03 Silizium (Si) kleiner/gleich 0,89 Mangan (Mn) 0,51 bis 4,49 Chrom (Cr) 25,1 bis 38,9 Molybdän (Mo) 2,1 bis 5,9 Nickel (Ni) 22,9 bis 38,9 Kupfer (Cu) 0,51 bis 1,49 Stickstoff (N) 0,17 bis 0,29 Eisen (Fe) Rest sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, welcher Werkstoff im nitridausscheidungs- freien Zustand und ohne ausgeschiedene vergesellschaftete Phasen warmverformt und nach einer Abkühlung im ferritfreien Zustand kaltverformt ist und eine Permeabilität von kleiner als 1,0048 eine Dehngrenze (Rp0,2)

von grösser als 710 N/mm2 eine Kerbschlagzähigkeit von über 60 J eine Dauerwechselfestigkeit von mindestens 310 N/mm2 bei N = 107 Lastwechsel und eine Zähigkeitsübergangstemperatur von unter-28 # C (FATT) aufweist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, bestehend im wesentlichen aus den Elementen in Gew.-% C kleiner/gleich 0,02, vorzugsweise 0,01 bis 0,02 Si kleiner/gleich 0,75, vorzugsweise 0,20 bis 0,70 Mn = 1,1 bis 2,9, vorzugsweise 2,01 bis 2,6 Cr = 26,1 bis 27,9, vorzugsweise 26,5 bis 27,5 Mo = 2,9 bis 5,9, vorzugsweise 3,2 bis 3,8 Ni 27,9 bis 32,5, vorzugsweise 30,9 bis 32,1 Cu = 0,98 bis 1,45, vorzugsweise 1,0 bis 1,4 N = 0,175 bis 0,29, vorzugsweise 0,18 bis 0,22 Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen = Rest
3 Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, der, wie an sich bekannt, im ausscheidungsfreien Zu- stand mindestens 3,6-fach warmverformt und bei einer Temperatur von 100 bis 590 C, vorzugsweise von 360 bis 490 C, mit einem Umformgrad von kleiner 38%, vorzugsweise von 6 bis 19 % kaltverformt ist.
4 Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ein Lochpotential in neutraler Lösung bei Raumtemperatur von grösser 1100 mVH/1000 ppm Chloride und/oder 1000 mVH/ 80000 ppm Chloride aufweist.

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