NO321782B1 - Fremgangsmate for fremstilling av martensittisk rustfritt stalror og anvendelse av dem i en olje- eller naturgassbronn. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåte for fremstilling av et martensittisk rustfritt stålrør og anvendelse av dem for bruk i en oljebrønn eller naturgassbrønn.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Oppfinnelsesområdet

Oppfinnelsen vedrører således en fremstilling av et martensittisk rustfritt stålrør som har god styrke og seighet og anvendelse som et materiale for bruk i oljebrønner eller naturgassbrønner og ved konstruksjon av forskjellige anlegg og bygninger.

Beskrivelse av teknikkens stand

Martensittisk rustfritt stål representert ved et 13% Cr martensittisk rustfritt stål blir generelt i bråkjølt og herdet tilstand for å forbedre styrke og korrosjonsmotstand. Ettersom denne type av stålrør har meget god herdbarhet kan det herdes godt inn til midten av en rørvegg, avhengig av størrelsen og kjemisk sammensetning derav, endog selv om det anvendes luftkjøling fra høy temperatur. I det tilfellet hvor seigherding gjennomføres ved bruk av et kjølemiddel, er vanlig praksis å anvende oljekjøling som tillater en sakte avkjølingstakt.

Et stål med god herdbarhet har imidlertid en tendens til å lide av herdesprekker eller deformasjon ved herdingen. Herdingen av et slikt stål tilskrives omdannelsen av den austenittiske fase ved høye temperaturer til en martensittfase ved bråkjølingsherdingen. Denne omdannelse medfører en stor volumetrisk utvidelse. Følgelig, når avkjølingstakten er for høy, finner det sted heterogen, brå deformasjon som resulterer i lokal konsentrasjon av indre spenninger som be-virker sprekker.

I de senere år har det blitt nødvendig å bore oljebrønner eller naturgass-brønner under strenge betingelser i et korroderende miljø. Dette krever i sin tur et stålrør med høy korrosjonsmotstand og høy styrke for bruk som rør i oljebrønner eller beslektede lokaliteter. For fremstillingen av slikt rør er det blitt utviklet direkte seigherdingsmetoder hvor et stålrør som fremdeles befinner seg under høye temperaturbetingelser, umiddelbart etter varmbearbeiding som f.eks. hullstansing og valsing, blir herdet som det er. Ved fremstillingen av rustfri stålrør med en martensittstruktur kan imidlertid sprekker forekomme p.g.a. hurtig avkjøling, som f.eks. ved vannavkjøling, som den direkte seigherdingsmetode, noe som gjør det vanskelig å gjennomføre seigherding i vann. Således tar det uomgjengelig en lang tid for tilstrekkelig sakte avkjøling fra høye temperaturer og dette frembyr det problem at produktiviteten nedsettes i betraktelig grad. Avkjølingstakten kan videre ikke gjøres høy slik at det kreves stor plass for å romme stålrørene som avkjøles over en lang tid, noe som medfører økte investeringsomkostninger.

For en herdemetode for 9% Cr eller 13% Cr martensittisk rustfritt stål, omhandles i japansk publisert patentsøknad 3-82711 en fremgangsmåte hvori et stålrør med en veggtykkelse på 10-30 mm avkjøles akselerert med en takt på 1 til 20°C/sekund ved å blåse vann fra en dyse mot røret. Ved bråkjøling i vann, hvor et oppvarmet stålrør neddykkes i en vannbeholder er avkjølingstakten 40°C/sekund eller mer, som resulterer i herdesprekker i de fleste tilfeller. Hvis imidlertid avkjølingstakten styres på passende måte, som ved den publiserte metode, resulterer lite eller ingen herdesprekker med den medfølgende fordel at avkjølingseffektiviteten opprettholdes. Ved utøvelse av den publiserte metode trengs det imidlertid et spesielt kjøleapparat og kontrollinnretninger i tillegg til de vanlige innretninger for et vanlig karbonstålrør. I tillegg, selv om den ovennevnte metode tillater en høy avkjølingstakt er takten ikke større enn halvdelen av en avkjølingstakt ved vann-neddykningsmetoden slik at en tydelig forbedring i produktiviteten ikke kan oppnås.

JP-A-09164425 beskriver fremstilling av martensittisk rustfrie stålrør méd lavt karboninnhold ved laserstrålesveising etterfulgt av oppvarming og kjøling kun anvendt i sveisesonen.

JP-A-09155574 angår også lasersveisede martensittisk rustfrie stålrør, men tilfører ingen bråkjøling eller tempereirngstrinn etter rørfremstillingen.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Formålet for den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et rustfritt stålrør med utmerket styrke og seighet, hovedsakelig sammensatt av en enkelt fase med 95% eller mer av en martensittfase og formålet for oppfinnelsen er også å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av et slikt stålrør, uten å bevirke noen herdesprekker når bråkjøling i vann gjennomføres under framstillings-prosessen.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for fremstilling av et martensittisk rustfritt stålrør ved hullstansing og valsing eller ved varmekstrudering etterfulgt av bråkjøling i vann hvor stålet omfatter, C: 0,01 til 0,2%, Si: 1 % eller mindre, Mn: 0,1 til 5%, Cr: 7 til 15%, og Ni: 0 til 8%, og eventuelt: minst én av Ca, Mg, La og Ce, hver i en mengde på 0,001 til 0,01 %; Mo og/eller W i en mengde slik at Mo + 0,5W er opp til 5%; én eller flere av Nb, Ti og Zr, hver i en mengde på 0,005 til 0,1 %; resten utgjøres av Fe og uunngåelige forurensninger, og hvori veggtykkelsen t (mm) av røret og innholdet av C og Cr tilfredsstiller det forhold som er representert ved den følgende ligning (1)

t (mm) < eksp.{5,21 -18,1C (%) - 0,0407Cr (%)} ...... (1)

Et annet aspekt ved den foreliggende søknaden er anvendelse av hullstanset og valset eller varmekstrudert martensittisk rustfritt stålrør som er oppnådd ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, i en oljebrønn eller naturgassbrønn.

I oppfinnelsens sammenheng ble det foretatt en serie av studier ved-rørende innvirkningene av kjemiske komponenter og veggtykkelse på herdesprekker i martensittiske rustfrie stålrør med en veggtykkelse på omtrent 10 til 30 mm.

Når et stål bråkjøles er innholdet av C meget viktig ettersom det ikke bare bestemmer hardheten etter bråkjølingen, men påvirker også seigheten i sterk grad. Følgelig ble forholdet mellom C-innholdet og slagstyrken ved Sharpy-slagtesten undersøkt på et martensittisk rustfritt stål med et innhold på 13% Cr.

Resultatene av testen er vist i fig. 1. Fra fig. 1 sees det at når C-innholdet overstiger 0,2% synker slagstyrken betraktelig. Herdesprekkene betraktes som et resultat av de indre spenninger som utvikles ved forskjellen i initieringstiden for omdannelse mellom overflatedelen og den sentrale del av rørveggen under et avkjølingstrinn. Det er også ansett at hvis seigheten er utilfredsstillende vil herdesprekker sannsynlig forekomme. For derfor å hindre herdesprekker er det vesentlig å nedsette C-innholdet slik at det sikres tilfredsstillende seighet.

Deretter ble det under anvendelse av stålrør med C-innhold under 0,2% og som hadde forskjellige kjemiske sammensetninger og veggtykkelser, undersøkt herdesprekkingen bevirket ved bråkjøling i vann. Som et resultat ble det funnet at herdesprekker gjeme opptrådte på en måte som vist i fig. 2. Mer spesielt vil grensen for en veggtykkelse hvor ingen sprekker utvikles avhenge sterkt av C-innholdet, og grensen for veggtykkelsen minsker med økende C-innhold. Videre vil grensen for den veggtykkelse hvor noen sprekker ikke lenger forekommer også endre seg avhengig av Cr-innholdet, men dets innvirkning er ikke så betydnings-full.

Når det bråkjøles i vann undergår et martensittisk rustfritt stålrør martensittisk omdannelse gjennom hele veggen av stålrøret, og det kan lett antas at en større veggtykkelse vil ha tendens tii å utvikle en større indre spenning. Videre, endog selv om den martensittiske omdannelse foregår til hovedsakelig 100%, vil et større innhold av C bevirke en større indre spenning p.g.a. at jo høyere C-innholdet er desto høyere blir den volumetriske ekspansjons koeffisient for stålet. Videre, grunnen til at sprekker skulle opptre p.g.a. et høyere innhold av Cr anses å være at seigheten av stålet minsker når styrken øker.

Oppfinnelsen har således klargjort begrensningen for hvert av elementene i stålet og forholdet mellom den kjemiske sammensetning og veggtykkelsen av stålrøret for å forhindre herdesprekking og gjør det også mulig å anvende brå-kjøling med vann for et martensittisk rustfritt stålrør, som hittil ikke har vært ansett anvendelig for et slikt stål.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Fig. 1 er en grafisk fremstilling som viser innvirkningen av C-innholdet på seigheten (Sharpy slagstyrke (vEo)) av 13% Cr rustfritt stål etter bråkjøiingen, og Fig. 2 er en grafisk fremstilling som viser forholdet mellom C-innholdet og tykkelsen av en rørvegg for forekomsten av herdesprekker når 9% og 14% Cr rustfrie stålrør bråkjøles i vann.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Grunnene til grensene for den kjemiske sammensetning av stålet i henhold til den foreliggende oppfinnelse er beskrevet detaljert i det følgende, hvor prosent er angitt som vekt-%.

C-innholdet innvirker sterkt på styrke og seighet etter bråkjøiingen. Et høyere innhold resulterer i økning av styrken, men nedsettelse av seigheten som vist i fig. 1. For mye innhold er ikke gunstig fra et standpunkt med korrosjonsmotstand. På bakgrunn av disse forhold sammen med forekomsten av herdesprekker, som resulterer fra en nedsettelse av seigheten, er C-innholdet definert som 0,2% eller mindre. Det skal bemerkes at når C-innholdet er ekstremt lavt, kan det ikke oppnås et ønsket nivå for hardheten. C-innholdet må derfor være 0,005% eller mer. Foretrukket er C-innholdet i området 0,01 til 0,15%.

Si tilsettes som et deoksidasjonsmiddel under stålraffinering. Si-innholdet er 1% eller mindre, som regulert i vanlig rustfritt stålrør.

Mn er et element for å forbedre varmbearbeidbarheten og bør være tilstede i mengder på 0,1% eller mer, for å oppnå sin virkning ved tilsetningen. Hvis imidlertid Mn-innholdet øker bibeholdes en austenittstruktur etter bråkjøiingen, og seighet og korrosjonsmotstand nedsettes. Mn-innholdet bør derfor være høyst opp til 5%. Hvor det er nødvendig med en motstand mot gropkorrosjon bør Mn-innholdet være mindre enn 1 %, foretrukket ikke over 0,5%.

Cr er et vesentlig element for å tilveiebringe korrosjonsmotstand i rustfritt stål. Cr-innholdet er i området 7 til 15%. Når Cr-innholdet ér 7% eller mer kan en korrosjonstakt for stålet nedsettes i en slik grad at det praktisk ikke oppstår pro-blemer under forskjellige miljøbetingelser. For imidlertid å danne en korrosjons-motstandsdyktig film som følger naturlig for et rustfritt stål, bør Cr fortrinnsvis opprettholdes i mengder på 10% eller mer. Hvis Cr-innholdet er i overskudd opptrer en 5-fase ved oppvarming ved høye temperaturer ved tidspunktet for bråkjøiingen og hvis en 5-fase er tilbake etter bråkjøiingen vil den nedsette korrosjonsmotstanden. I tillegg har for stort Cr-innhold tendens til at det kan bevirke herdesprekking slik at den øvre grense for Cr-innholdet er 15%.

Ni behøver ikke å være tilstede. Ni er imidlertid effektivt ikke bare til å forbedre korrosjonsmotstand, men også til å forbedre styrke og seighet. Følgelig kan Ni om nødvendig være tilstede i området opp til 8%. For å vise virkningene er det foretrukket å innlemme Ni i mengder på 0,3 % eller mer. Hvis imidlertid Ni er tilstede i overskudd dannes en bibeholdt austenittisk struktur slik at det bevirkes nedsettelse både i korrosjonsmotstand og seighet. Ni-innholdet bør derfor være opp til 8%.

For å forbedre varmbearbeidbarheten ved tidspunktet for fremstilling av et stålrør i henhold til oppfinnelsen, kan minst én av hver av Ca, Mg, La og Ce tilsettes i en mengde på 0,001 til 0,01%. Ved tilsetningen av disse elementer undertrykkes defekter bevirket under rørfremstillingsprosessen og også herdesprekker, bevirket ved bråkjøiingen i vann.

Når de medanvendes tjener Cr, Mo og W til bemerkelsesverdig forbedring av gropkorrosjonsmotstanden og sulfidspennings-korrosjonsmotstand. Om nød-vendig kan enten den ene eller begge av Mo og W tilsettes. Hvis de tilsettes oppnås en god virkning når innholdet av Mo + 0,5 W er 0,2% eller mer. På den annen side, når innholdet av Mo + 0,5 W overstiger 5% fremkommer en 6-fase slik at det tvert i mot ikke bare skjer en nedsettelse av korrosjonsmotstanden, men også varmbearbeidbarheten nedsettes.

Nb, Ti og Zr har hver den virkning at de fikserer C og nedsetter en styrke-variasjon. Om nødvendig, kan ett eller flere av disse elementer tilsettes. Hvis de tilsettes er innholdet av hvert av disse elementer i området 0,005 til 0,1%.

Andre uunngåelige forurensninger som P, S, N, O og lignende nedsetter korrosjonsmotstand og seighet, i likhet med tilfellet av vanlige rustfrie stål, og deres innhold bør fortrinnsvis gjøres så lavt som mulig.

I tillegg til å tilfredsstille kravene for den kjemiske sammensetning av stålet som nevnt i det foregående, skal veggtykkelsen t (mm) av stålrøret tilfredsstille den følgende ligning (1)

Denne ligning er en ligning som er innført på basis av resultatene vist i fig. 2, ved approksimering av en grenselinje mellom det området hvori herdesprekking finner sted og det området hvor ikke noen herdesprekking opptrer ved brå-kjøiingen i vann. Når veggtykkelsen t (mm) av et stålrør er innenfor et område som tilfredsstiller den ovenstående ligning opptrer ingen herdesprekking ved bråkjøiingen i vann. Når veggtykkelsen overstiger området for ligningen øker muligheten for at det opptrer herdesprekker.

Det skal bemerkes at bråkjøiingen i vann ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ikke bare inkluderer en fremgangsmåte hvori et stålrør neddykkes i vann i en vannbeholder, men også en fremgangsmåte hvori en stor mengde vann helles på den indre og ytre overflate av et stålrør slik at røret kan effektivt brå-kjøles i vann.

Etter bråkjøiingen i vann blir en spenningsfri behandling vanlig gjennomført på et stålrør for å oppnå mekaniske egenskaper for en tilsiktet anvendelse.

Eksempler

Ni råblokker av stål med kjemiske sammensetninger angitt i tabell 1 ble fremstilt, etterfulgt av varmsmiing til å danne emner med en diameter på 200 mm. Emnene ble hver for seg tildannet til rør med en ytre diameter på 120 mm, en veggtykkelse på 30 mm og en lengde på omtrent 5 m ved hjelp av en varm-ekstruderingsmetode. Hvert rør ble kuttet til 1 m lange stykker, etterfulgt av bearbeiding til å gi rørstykker med forskjellige veggtykkelser f ra 2,5 mm til 28 mm. Disse rør ble hver for seg oppvarmet ved 1000°C i 30 min., etterfulgt av bråkjøling i vann ved neddykking i en vannbeholder. Etter bråkjøiingen ble det visuelt iakttatt om herdesprekking foregikk eller ikke.

Ved tidspunktet for bråkjøiingen i vann ble en vannstrøm påført slik at vannet ble godt sirkulert langs innsidene av rørene. Avkjølingstakten ble bestemt slik at den nødvendige tid for avkjølingen av stålrøret fra 800 til 500°C ble målt ved et senter av rørveggen ved hjelp av et termopar og omdannet til en enhet på 0C/sekund.

Etter bråkjøiingen ble hvert rør spenningsglødet ved 550°C. Deretter ble det gjennomført en strekkstyrketest og en Sharpy-slagstyrketest på emner tatt fra hvert rør for å bestemme mekaniske egenskaper.

Tabell 2 viser resultatene av et forsøk for å bestemme forholdet mellom veggtykkelsen av et stålrør og forekomsten av herdesprekker, og de mekaniske egenskaper av et stålrør etter bråkjøling og glødebehandlingen (seigherdingen). Som det fremgår av disse resultater fant det ikke sted noen herdesprekking i tilfellet av testene nr. 1 til 8, hvori den kjemiske sammensetning og veggtykkelsen tilfredsstiller grensene for oppfinnelsen. I tilfellet av testene 9 eller 10, hvori en veggtykkelse er i området definert i ligning (1), men et innhold av C eller Cr overstiger området definert for den foreliggende oppfinnelse, fant det sted herdesprekking. Tilfellet av testene nr. 11 til 14, hvori de respektive kjemiske sammensetninger er innenfor et område definert for den foreliggende oppfinnelse, men hvor rørenes veggtykkelser er utenfor det området som er definert ved ligning (1), forekom herdesprekker. I tilfellet av test nr. 15, forekom ingen herdesprekker, men det ble påvist en bibeholdt austenittstruktur slik at vTs (omdannelses-temperaturen) var høy.

I henhold til oppfinnelsen kan martensittiske rustfrie stålrør, som konven-sjonelt måtte underkastes sakte avkjøling eller oljeavkjøling for å hindre herdesprekker, fremstilles ved bråkjøling i vann. På denne måte kan avkjølingstiden i bråkjølingstrinnet avkortes og medføre ikke bare en bemerkelsesverdig forbedring i produktiviteten, men også investeringsVanleggsomkostninger kan nedsettes.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et martensittisk rustfritt stålrør ved hullstansing og valsing eller ved varmekstrudering etterfulgt av bråkjøling i vann, karakterisert ved at stålet omfatter, C: 0,01 til 0,2%, Si: 1% eller mindre, Mn: 0,1 til 5%, Cr: 7 til 15%, og Ni: 0 til 8%, og eventuelt: minst én av Ca, Mg, La og Ce, hver i en mengde på 0,001 til 0,01 %; Mo og/eller W i en mengde slik at Mo + 0,5W er opp til 5%; én eller flere av Nb, Ti og Zr, hver i en mengde på 0,005 til 0,1 %; resten utgjøres av Fe og uunngåelige forurensninger og idet veggtykkelsen t (mm) av røret og innholdet av C og Cr i stålet tilfredsstiller det forhold som er representert ved den følgende ligning (1) t (mm) < eksp.{5,21 -18.1C (%) - 0,0407Cr (%)} ...... (1).

2. Anvendelse av hullstanset og valset eller varmekstrudert martensittisk rustfritt stålrør som er oppnådd ved fremgangsmåten ifølge krav 1, i en oljebrønn eller naturgassbrønn.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller anvendelse ifølge krav 2, karakterisert ved at karboninnholdet er 0,01 til 0,15%.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller anvendelse ifølge krav 2, karakterisert ved at manganinnholdet er mindre enn 1%.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller anvendelse ifølge krav 2, karakterisert ved at manganinnholdet ikke er over 0,5%.