DE3311606A1 - Gegenueber schwefelwasserstoffsaeure bestaendige rohre - Google Patents

Gegenueber schwefelwasserstoffsaeure bestaendige rohre

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DE3311606A1 DE19833311606 DE3311606A DE3311606A1 DE 3311606 A1 DE3311606 A1 DE 3311606A1 DE 19833311606 DE19833311606 DE 19833311606 DE 3311606 A DE3311606 A DE 3311606A DE 3311606 A1 DE3311606 A1 DE 3311606A1
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    • Y10S148/909—Tube

Description

Andrejewski, Honice & Partner, Patentanwälte in Essen
Die Erfindung betrifft hochfeste Rohre für den Einsatz insaurer Umgebung, in welcher der HpS-Teildruck in gasförmiger Phase 300 Pa übersteigen kann oder in welcher der EUS-gehalt in flüssiger Phase einen entsprechenden Gleichgewichtsdruck haben kann und/oder in welcher CO2 und selbst andere säuernde Substanzen vorhanden sein können. Derartige Rohre sind hauptsächlich für den liinsatz als Förderrohre in sauren Ölbohrungen bestimmt.
Schätzungsweise 20 % aller heutzutage ausgebeuteten Ölbohrungen sind sauer und diese Zahl dürfte wahrscheinlich noch ansteigen. Dies bedeutet beispielsweise, daß Schwefelwasserstoffsäure in gasförmiger oder flüssiger Phase vorhanden ist. Auch andere korrooive Substanzen können vorhanden sein, doch verursacht HpS spezielle Probleme in Bezug auf hochfeste Stähle.
Wenn der Hp-S-Gehalt in gasförmiger Phase etwa 300 Pa übersteigt, tritt eine Erscheinung auf, welche als "Sulfid-Spannungsrißbildung" (sulfide stress cracking, SSC) bekannt ist. Diese Rißbildung setzt die Festigkeit des Stahls weit unter seine normale Bruch- und Streckgrenze herab.
Heutzutage wird Öl aus Tiefen von bis zu 10 000 m und manchmal sogar noch aus größeren Tiefen gefördert. Der Gasdruck in diesen tiefen Bohrlöchern ist oftmals extrem hoch und die Anforderungen an den für die Rohre verwendeten Stahl sind daher beträchtlicn.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
■ - β -
Jede Ölgesellschaft hat Spezifikationen für die in sauren Ölbohrungen zu verwendenden Rohre, welche in erster Linie entweder hoch- oder niedriglegierte und zäh gehärtete Stähle vorschreiben. Außerdem dürfen diese Stähle nicht kalt bearbeitet worden sein. Kaltrichten wird von ein oder zwei Gesellschaften zugelassen, jedoch nur dann, wenn im Anschluß daran unter genau spezifizierten Bedingungen Entspannungsglühen vorgenommen wird.
Heutzutage werden gewöhnlich niedriglegisrte, zäh gehärtete Stahlrohre, manchmal auch hochlegierte Stahlrohre für die hochfesten Förderrohre in HLS-Umgebung bsnutzt. Nachteilig bei beiden Rohrarten ist, daß sie kostenaufwendig sind, geringere Toleranzen und schlechtere Oberflächen besitzen als Rohre, welche aus normalem Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl hergestellt sind, wobei sie außerdem schwierig zu bearbeiten sind.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, Rohre zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen.
Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßes Rohr der eingangs ' genannten Art im wesentlichen dadurch, daß das Rohr aus einem kaltverformten Kohlenstoffstahl oder legierten Stahl hergestellt ist.
Vorzugsweise ist der Stahl geglüht und die Glühtemperatur beträgt vorzugsweise ca. 400 - 675°C.
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Nach einem ersten Vorschlag der Erfindung hat der Stahl nachstehende Zusammensetzung:
C 0 - 1,20 fo
Li 0 . - 1,0 fo
l· η 0 - 3,0 fo
Cr G 2,0 %
0 - 1,0 fo
0 - 1,0 fo
Cu 0 - 1,0 fo
\ 0 . - 0,3 %
Ib 0 - 0,2 fo
Ca 0 - 0,05 fo
le + normale Verunreinigungen Rest bis
Nach einem weiteren- Vorschlag der Erfindung hat der Stahl nachstehende Zusan mensetzung:
C 0,05 - 0,40 fo
£i 0,10 - 0,50 fo
j\n 0,6 - 2,0 fo
Cr 0,0 - 0,50 fo
Ii 0,0 - 1,0 %
Cu 0,0 .- 0,50 %
\ 0,0 -- 0,20 fo
Ib 0,0 - 0,10 fo
Ca 0,0 - 0,005 % Ie+ n9rmale Verunreinigungen Rest bis
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Nach einem anderen Vorschlag der Erfindu ig hat der Stahl nach stehende Zusammensetzung:
C 0,10 - 0 , 2 5 'fa
Si 0,10 - 0,50 %
Mn 0,00 - l,bO %
Gr 0,0 - 0,40 %
Ni 0,0 - 1,0 %
Cu 0,0 - 0,30 %
V 0,0 - 0,20 %
Nb 0,0 - 0,10 %
Ca 0,0 - 0,005 #
Fe + normale Verunreinigungen Rest bis 100 %.
Des weiteren hat der Stahl einen extrem liedrigen Schwefelgehalt von ca. 0,0 - 0,005 %> Zum Vergleich: normalerweise liegt der Schwefelgehalt zwischen ca. 0,305 - 0,050 %.
Wie bereits erwähnt ergibt eine Kaltbearbeitung bessere Oberflächen und Toleranzen, eine bessere Bea-beitungsfähigkeit als nach dem Harten und es ergeben sich, was besonders wichtig ist, wesentlich geringere Kosten im VergLeich zu hoch- oder niedriglegierten und gehärteten Rohren.
Es wurde nun durchaus überraschenderweis 5 festgestellt, daß mit erfindungsgemaßen Stahlrohren eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber SuIfid-SpannungsrißbLldung erzielt wird als mit hoch- oder niedriglegiertem, gehirtetem Stahl, was bisher als durchaus undenkbar angesehen vurde. In diesem
·. ;..; ·..■-.;:· ■"■ . 331160b
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Zusammenhang wird verwiesen auf NACE Standard Mr-01-75-(19^0 Revision) "Materiel Requirement - Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic: Material for Oil Field Equipment", herausgegeben von der National Association of Corrosion Engineers. Diese Norm ihrerse its bezieht sich hauptsächlich auf die API-Standards 5A ι nd 5AX. Aus dieser Norm geht eindeutig hervor, daß niedr:glegierter, hochfester, kaltbearbeiteter Stahl für die ÖlfI rderung aus sauren Ölbohrungen undenkbar ist.
In den Beispielen beschriebene, durchgeführte Versuche zeigen jedoch, daß mit dt η erfindungsgemäßen kaltbearbeiteten, geglühten, niedrigltgierten Stählen sogar eine bessere Widerstandsfähigkeit erzielt wird als mit den bisher spezifizierten Stahlqualitättn. Die Theorie für diese Erscheinung konnte noch nicht vollkor, men geklärt werden, doch es kann durchaus dazu beitragen, de ß die Kaltverformung eine erhöhte Versetzungsdichte er[ibt, wodurch die Festigkeit des Stahls erhöht wird. Während des Glühens bei mäßiger Temperatur, d.h. zwischen 500 und t50°C, werden innere Spannungen im Material hervorgerufen, wei ehe sonst zur Sulfid-Spannungsrißbildung beitragen könnten, ohne daß die Versetzungs-Dichte zu stark reduziert wird.
Die Stahlfestigkeit wird infolgedessen durch Bearbeitung des Stahls erzielt. Νε-ch einem Vorschlag der Erfindung wird das Rohr durch Kaltwalzen hergestellt. Der Grad der Kaltverformung soll dann wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 30 % betragen. Die unttre Streckgrenze des Stahls soll wenigstens 550 MPa, vorzugsweise wenigstens 650 MPa betragen.
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- 10
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindu ig wird das Rohr im Kaltziehverfahren hergestellt. In diesem fall soll der Grad der Kaltverarbeitung wenigstens 10 % und lie untere Streckgrenze wenigstens 550 MPa betragen.
Neben ihrer Verwendung als Förderrohre für* Ölbohrungen, d.h. zum Verrohren, können die erfindungsgemaß3n Rohre auch zum Auskleiden oder Verrohren extrem tiefer Bohrlöcher, d.h. zum Casing, verwendet werden sowie auch zur H Erstellung von Bohrrohren sowie für andere Verwendungszwecke in Bohrlöchern wie beispielsweise als Kupplungen, Ventile, Pickungen usw.
Nachstehend wird ein Vergleichsversuch be ichrieben, welcher den erfindungsgemäßen Einsatz von kaltbea •'beitetem Stahl in saurer Umgebung illustriert.
Bei diesem Versuch wurden Rohre getestet, welche aus Stahlqualität SKP 2bO, und zwar im ersten Pail kaltbearbeitet und geglüht (1,5 h bei 515°C) und im zweiten fall gehärtet und geglüht (2 h bei 5700C) hergestellt waren.
Tabelle 1 zeigt die chemische Analyse des geprüften Stahls und Tabelle 2 die mechanischen Eigenschaften ler Teststücke von kaltgewalztem oder gehärtetem, geglühtem JKP 2oO-Stahl.
-- ■ . -Λ ■-.. 331160G
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
- 11 -
Tabelle 1 Tabelle 2 (Mechanische Eigenschaften) 1O ■ Kaltgewalzt Gehärtet
I Rn-, (MPa) t)40 866
0 RM (MPa) 910 906
\ A5 {%) 19 19 :
ί Ζ (#) 59 64
h HB 269 300
Nachstehende Test Umgebungen wurden verwendet:
1. 5 fo NaCl, ges ittigte HpS = Baumwoll-Lösung
2. 5 % NaCl, gesittigte H0S + 0,5 HAn = NACE-Lösung. :
Als Prüfverfahren wurde die 3-Punkt-Biegeprobe angewendet und die Prüfzeit jetrug 100 h.
Die Resultate des Versuches sind im anliegenden Schaubild angegeben. Die Sä ilen entsprechen den ganzen Prüfstangen und die Oberkante ein ^r jeden Säule gibt die angelegte Belastung an.
Ein Sternchen (se) zeigt den Bruch der Prüfstange bei der betreffenden BeIa. -tung an.
C 0,18
Si 0,37
Mn 1,46
P 0,014
S 0,020
Cr 0,07
Ni 0,06
Mo 0,02
V 0,10
~./O ' JO'O . - · 331160G
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Das Schaubild zeigt, daß erfindungsgemäi. kaltgewalzte Rohre gegenüber HpS-Spannungskorrosion widerstandsfähiger sind als die gehorteten Rohre.
Aus den erzielten Resultaten läßt sich dar Schluß ziehen, daß die erfindungsgemäßen kaltgewalzten Rohre aus SKP 280-Stahl mindestens so gut sind wie die gehärteten Rohre der Typen 41J0 oder 4l4o oder anderer 4IxX-I/pen, welche herkömmlicherweise für den Einsatz in saure ι Ölquellen empfohlen werden.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Hochfestes Rohr für den Einsatz in saurer Umgebung, in welcher der H2S-1Ieildruck in gasförmiger Phase 300 Pa übersteigen kann oder in welcher der HgS-Gehalt in flüssiger Phase einen entsprecher.den Gleichgewichtsdruck haben kann und/oder in welcher COg und selbst andere säuernde Substanzen vorhanden sein können, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus einem kaltverformten Kohlenstoffstahl oder legierten Stahl hergestellt ist.
    Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
    2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzäiehnet, daß der Stahl geglüht ist.
    J). Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennz2ich.net, daß die Glühtemperatur ca. 400-4-750C beträgt.
    4. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende Zusammensetzu ig hat:
    C 0 - 1,20 Si O - ι,ο Mn 0 - 3,0 Cr O - 2,0 Ni O - ι,ο Mo O - ι,ο Cu O - 1,0 V O - 0,3 Nb 0 - 0,2 Ca 0 - 0,05
    Pe + normale Verunreinigungen Rest bis 100 %.
    5· Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende Zusammensetzung hat:
    C 0,05 - 0,40 %
    Si 0,10 - 0,50 %
    Mn 0,6 - 2,0 %
    Cr 0,0 - 0,50 %
    Ni 0,0 - 1,0 %
    • ·
    Andrejewsld, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
    Cu 0,0 - 0,50 %
    V 0,0 - 0,20 %
    Nb 0,0 - 0,10 %
    Ca 0,0 - 0,005 %
    Fe -- normale Verunreinigungen Rest bis 100$.
    6. Rohr nach einen der Ansprüche 1 bis j5, dadurch gekennzeichnet, daß der ; stahl folgende Zusammensetzung hat:
    C 0,10 - 0,25 Si 0,10 - 0,50 Mn ο,δο - ι,δο Cr 0,0 - 0,4ο Ni 0,0 -1,0 Cu 0,0 - 0,50 V 0,0 - 0,20 Nb 0,0 - 0,10 Ca 0,0 - 0,005
    Fe - normale Verunreinigungen Rest bis 100 %.
    1J. Rohr nach einer, der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der £>tahl einen extrem niedrigen Schwefelgehalt von vorzugsweise 0..0 - 0,005 % hat.
    8. Rohr nach einer., der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Kaltwalzen hergestellt ist.
    9· Rohr nach Anspruch δ, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Kaltverformung wenigstens 10 % beträgt.
    Andrejewslrf, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
    10. Rohr naoh Anspruch B, dadurch gekernzeichnet, daß der Grad der Kaltverformung wenigstens 30 % beträgt.
    11. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Streckgrenze des Stahls mindestens 550 MPa beträgt.
    12. Rohr nach einem der Ansprüche 1 big 10, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Streckgrenze des Stahls mindestens 650 MPa beträgt.
    13. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß es im Kaltziehverfahren hergestellt ist.
    14. Rohr nach Anspruch IJ, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Kaltverformung mindestens 10 % beträgt und der Stahl eine untere Streckgrenze von mindestens 550 MPa hat.
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