CS207996B1

CS207996B1 - Oiler pipe for the werk in the medium with combined mechanical stress and hydrogen monosulphide corosion

Info

Publication number: CS207996B1
Application number: CS292679A
Authority: CS
Inventors: Petr Micek; Jiri Drevikovsky
Original assignee: Petr Micek; Jiri Drevikovsky
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1981-08-31

Description

Vynález řeší použití oceli mikrolegované vanadem k výrobě výpažnicových a čerpacích trub pro olejářský průmysl, zejména pak pro korozní prostředí s výskytem sirovodíku a při kombinovaném mechanickém namáháni.The invention solves the use of vanadium microalloyed steel for the production of casing and pumping pipes for the oil industry, especially for corrosive environments with hydrogen sulphide and combined mechanical stress.

Rostoucí požadavky na kvalitativní vlastnosti olejářských trubek, podmíněné zvětšující se hloubkou vrtů a ztíženými geologickými podmínkami, jsou důvodem nejen k rostoucím požadavkům uživatelů trub na zvyšování základních mechanických vlastností zvyšováním jakostních stupňů materiálu trub, ale zejména v posledních letech k zájmu o zlepšení plastických vlastností materiálu trub pro užití ve vrtech, u nichž je nebezpečí výskytu vodíkové křehkosti resp. sirovodíku při kombinovaném namáhání materiálu tahem, tlakem a ohybem. K výskytu koroze pod napětím dochází zejména u hlubokých naftových a plynových vrtů, kdy se zpravidla vyskytuje ve výplachu volný vodík, resp. sirovodík, jehož množství kolísá od obsahu menšího než 1 ppm až do několika objemových procent plynů, které se ve vrtech nacházejí. Přítomnost sirovodíku je často příčinou předčasných lomů olejářských trub ve vrtech. Pomocí dodržení určitých vymezených technologických opatření při výrobě trub, zejména pak volbou chemického složení výchozí oceli a jejího tepelného zpracování a následných operací lze odolnost trub proti působení sirovodíkem podstatně zvýšit. Účinnost provedených opatření lze ověřit jednak provozně zabudováním trub do vrtu a jednak laboratorně provedením zkoušky na odolnost oceli proti působení sirovodíku.Increasing demands on the quality of oil pipes due to increasing depth of boreholes and difficult geological conditions are the reason not only for the increasing demands of pipe users to increase the basic mechanical properties by increasing the quality grades of the pipe material, but especially in recent years for use in wells where there is a risk of hydrogen embrittlement or hydrogen sulphide with combined tensile, compressive and bending stresses. The occurrence of stress corrosion occurs especially in deep oil and gas wells, where free hydrogen, resp. hydrogen sulphide, the amount of which varies from less than 1 ppm up to several percent by volume of the gases present in the wells. The presence of hydrogen sulphide is often the cause of premature fractures of oil pipes in wells. By adhering to certain defined technological measures in the production of pipes, in particular by selecting the chemical composition of the starting steel and its heat treatment and subsequent operations, the resistance of the pipes to hydrogen sulfide exposure can be substantially increased. The effectiveness of the measures taken can be verified both operationally by incorporating pipes into the borehole and, secondly, by laboratory testing of the resistance of steel to hydrogen sulphide.

Metodika zkoušení volená podle výsledků rozboru literárních údajů je obdobná jako při ověřování citlivosti oceli proti zkřehnutí vlivem sirovodíku a spočívá v ponoření zkoušek do pětiprocentního roztoku kyseliny octové, nepřetržitě nasycované sirovodíkem. Kyselost tohoto roztoku se pohybuje kolem hodnoty 2,5 pH. Při zkoušení jsou vzorky zatěžovány jednoosým tahem na různých úrovních zatížení, přičemž je hledáno zatížení, při kterém vzorky vydrží namáhání po dobu minimálně 200 hodin a neprasknou v tomto korozním prostředí.The testing methodology chosen according to the results of the analysis of the literature is similar to the verification of the sensitivity of steel to embrittlement due to hydrogen sulphide and consists of immersing the tests in a 5% acetic acid solution continuously saturated with hydrogen sulphide. The acidity of this solution is about 2.5 pH. During testing, samples are loaded by uniaxial tensile loading at different load levels, looking for a load at which the samples can withstand stress for at least 200 hours and do not crack in this corrosive environment.

Zvolené korozní médium je vysoce agresivní, pokud se týká ověření vlivu působení sirovodíku a umožňuje tak dobře rozlišit a kvantitativně určit citlivost oceli na praskání v sirovodíkovém prostředí. Dosud se pro výrobu olejářských trub pro těžbu nafty a plynu z větších hloubek používají oceli nízko a střednělegované chromém, molybdenem, niklem a podobně. Tyto ocele jsou vyráběny v elektrických obloukových pecích a vykazují vcelku uspokojivé vlastnosti při namáháni v hlubokých vrtech se zvýšeným výskytem sirovodíku a také v podmínkách, kdy mezní hodnota pH výplachu spolu s teplotou vytvářejí podmínky pro urychlený průběh korozivních procesů, Výroba těchto ocelí je však nákladná a je spojena se značným zmetkovým rizikem při výrobě bezešvých trub.The corrosion medium chosen is highly aggressive in terms of verifying the effect of hydrogen sulphide and thus makes it possible to distinguish and quantitatively determine the sensitivity of steel to cracking in the hydrogen sulphide environment. To date, low and medium alloy steels with chromium, molybdenum, nickel and the like have been used to produce oil pipes for extracting oil and gas from greater depths. These steels are manufactured in electric arc furnaces and exhibit fairly satisfactory stressing properties in deep wells with increased hydrogen sulphide incidence, and also in conditions where the irrigation pH and temperature limits create conditions for accelerated corrosion processes. is associated with a significant reject risk in the production of seamless pipes.

Výše uvedené nedostatky trub z legovaných chrommolybdenových ocelí odstraňuje použití oceli mikrolegované vanadem o hmotnostním složení 0,28 až 0,35% uhlíku; 1,10 až 1,40% manganu; 0,25 až 0,35 % křemíku; 0,15 až 0,20 % vanadu; stopy až 0,030 % fosforu; stopy až 0,025 % síry, zbytek železo a obvyklé nečistoty, k výrobě olejářských trub určených k práci v prostředí s kombinovaným namáháním mechanickým a sirovodíkovou korozí.The abovementioned drawbacks of chromium molybdenum steel alloy tubes are overcome by the use of vanadium microalloyed steel having a mass composition of 0.28 to 0.35% carbon; 1.10 to 1.40% manganese; 0.25 to 0.35% silicon; 0.15 to 0.20% vanadium; traces up to 0.030% phosphorus; traces of up to 0.025% sulfur, the remainder iron and the usual impurities, for the production of oil pipes designed to work in environments with combined mechanical and hydrogen sulphide corrosion stress.

Ocele mikrolegované vanadem a obdobným mechanickým složením lze vyrábět v nístějových zkujňovacích agregátech i konvertorech a kromě uvedeného použití jsou určeny zejména pro kované součásti, například pro kované nádoby pracující za vyšších teplot a tlaků nebo pro rotory turbogenerátorů, hřídele vodních turbín, hřídele velkých rozměrů a tělesa čerpadel. Výhodou použití oceli mikrolegované vanadem k výrobě trub určených pro korozní prostředí s výskytem sirovodíku a na- ‘ pěti působících křehký lom materiálu oproti troubám z ocelí molybdenových je snadnost a ekonomičnost výroby, přičemž mechanické vlastnosti oceli v řečených podmínkách se plně vyrovnají nákladným legovaným ocelím.Vanadium microalloyed steels and similar mechanical compositions can be produced in the hearth refinement aggregates and converters and are intended, in addition to these applications, for forged parts, for example, forged vessels operating at higher temperatures and pressures, or for turbine generators, water turbines, large shaft and housing of pumps. The advantage of using vanadium microalloyed steel to produce tubes for hydrogen sulphide and corrosive environments with five působ five brittle fracture of the material over molybdenum steel tubes is the ease and economy of production, while the mechanical properties of the steel in these conditions are fully matched by expensive alloy steels.

Při použití oceli podle vynálezu byla objevena dosud neznámá vlastnost Ti — mikrolegovaných ocelí, t. j. jejich zvýšená odolnost proti složenému namáhání mechanickému a koroznímu za přítomnosti H a H₂S.Using the steel according to the invention, the hitherto unknown property of Ti-microalloyed steels has been discovered, ie their increased resistance to compound mechanical and corrosive stresses in the presence of H and H ₂ S.

Účinky oceli použité podle vynálezu je možno dokumentovat z následujících praktických příkladů:The effects of the steel used according to the invention can be illustrated by the following practical examples:

1. Ocel s hmotnostním obsahem 0,34 % uhlíku; 1,23 % manganu; 0,27 % křemíku; 0,017 % fosforu; 0,026 % síry; 0,24 % vanadu, tepelně zpracováno na hodnotu meze kluzu 800 MPa byla laboratorně zkoušena podle výše uvedené metodiky. Prahové napětí H₂S, t. j. jednoosé zatížení, kterému ocel odolávala po dobu nejméně 200 hodin v prostředí sirovodíku činilo 620 MPa. Dosud používaná chrommolybdenová ocel při stejné hodnotě meze kluzu 800 MPa vykazuje 550 MPa.1. Steel with a carbon content of 0.34% by weight; 1.23% manganese; 0.27% silicon; 0.017% phosphorus; 0.026% sulfur; 0.24% vanadium, heat treated to yield strength 800 MPa, was laboratory tested according to the above methodology. The threshold voltage H ₂ S, ie the uniaxial load that the steel withstood for at least 200 hours in a hydrogen sulphide environment was 620 MPa. The hitherto used chromium molybdenum steel at the same yield strength of 800 MPa shows 550 MPa.

2. Ocel s hmotnostním obsahem 0,29 % uhlíku; 1,38 % manganu; 0,29 % křemíku; 0,17 % vanadu; 0,26 % fosforu; 0,22 % síry, zbytek- železo a obvyklé nečistoty, byla vyrobena v 2001 nístějové ocelářské peci, odlitá horem do kokil s hmotností ingotu 8,5 t, vyválcovaná do kruhových sochorů a posléze vyválcovaná do trub o průměru 168,275 mm a 177,8 mm s tloušťkou stěn 10,5 mm a 12mm na Stiefelově trati s automatikem. Trubky byly tepelně zpracovány kalením a popouštěním, z kalicí teploty 850 860 °C byly trubky intenzivně ochlazeny vodní sprchou a po dobu 60 minut popouštěny při teplotě 640 °C. Docílené mechanické hodnoty se pohybovaly v rozmezí u meze kluzu od 655 do 758 MPa, u pevnosti v tahu od 724 do 850 MPa. Původní hodnoty tvrdosti na průřezu trubky byly 250 Hv a hodnoty vrubové houževnatosti s vrubem Charpy V130 J a při teplotě —60 °C dosahuje ještě stále hodnoty 35 J. Docílená mikrostruktura byla tvořena jemným sorbitem, přičemž zušlechtění bylo natolik homogenní, že nebyly zjištěny podstatné rozdíly mezi zakalením středu, vnějším a vnitřním povrchem stěny trubky. Ocelové bezešvé trubky byly použity k vypažení dvou hlubokých naftových vrtů, které byly původně zapaženy trubkami z chrommolybdenové oceli, u nichž došlo vlivem sirovodíkové koroze k lomu materiálu. Trubky z oceli mikrolegované vanadem vyhovují na uvedených vrtech již přes dva roky plnou hermetičností.2. Steel with a 0.29% carbon content by weight; 1.38% manganese; 0.29% silicon; 0.17% vanadium; 0.26% phosphorus; 0.22% of sulfur, the remainder - iron and common impurities, was produced in 2001 in a hearth steel furnace, cast into the ingot molds with an ingot weight of 8.5 t, rolled into round billets and then rolled into pipes of 168.275 mm and 177.8 in diameter mm with a wall thickness of 10.5 mm and 12 mm on the Stiefel line with an automatic. The tubes were heat treated by quenching and tempering, from the quenching temperature of 850 860 ° C the tubes were intensively cooled with a water spray and tempered at 640 ° C for 60 minutes. The achieved mechanical values ranged from a yield strength from 655 to 758 MPa, and a tensile strength from 724 to 850 MPa. The original hardness values at the cross-section of the pipe were 250 Hv and the notch toughness values with the Charpy V130 J notch and at a temperature of -60 ° C still reach 35 J. The microstructure obtained consisted of fine sorbitol, the coating being so homogeneous between the opacification of the center, the outer and inner surface of the tube wall. Steel seamless pipes were used to excavate two deep oil wells, which were initially encased in chromium molybdenum steel pipes, where the fracture of the material occurred due to hydrogen sulphide corrosion. Vanadium microalloyed steel tubes have been fully hermetic for over two years.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Use of vanadium microalloyed steel having a mass composition of 0.28 to 0.35% carbon; 1.10 to 1.40% manganese, 0.25 to 0.35% silicon; 0.15 to 0.20 vanadium; traces up to 0.030% phosphorus; traces up to 0.025% sulfur; the remainder iron and the usual impurities, for the manufacture of oil tubes intended for use in an environment in which the tubes are subjected to combined stresses by mechanical and hydrogen sulphide corrosion.