NO334118B1 - Ikke-magnetiske, korrosjons- og rivingsresistent stål med høy styrke - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører ikke-magnetiske korrosjonsresistente stål med høy styrke. Nærmere bestemt, men ikke utelukkende, vedrører oppfinnelsen stål som er egnede for anvendelse som ikke-magnetiske komponenter i avviksboring av olje- og gassbrønner.

Ved dypbrønnboring er lange rørformede borekrager lokalisert ved den nedre enden av borestrengen for å tilveiebringe vekt og stivhet. Lengder av disse kragene er typisk mellom 1 og 10 meter og deres diametere er typisk mellom 8,75 og 32,5 cm. Hver slik krage omfatter et sentralt, aksielt hull av diameter typisk mellom 5,75 og 12,75 cm som tillater borefluid å passere ned strengen til brønnbasen. Dette fluidet returneres senere til overflaten utenfor borekragen og strengen. Gjengete ender tillater kragene å festes til hverandre og til andre komponenter av strengen. Krav med hensyn til dimensjon og mekanisk egenskap er fastsatt API 7 seksjon 6.

Det er ofte ønskelig å innbefatte instrumenter nær bunnen av borestrengen for å gjøre det mulig å måle vinkelen og retningen av boringen nøyaktig. Nærheten av en stor ferromagnetisk masse til slike instrumenter er klart uønsket. Når instrumentet skal anvendes har lavlegeringsstål som kon-vensjonelt er anvendt for fremstilling av borekrager blitt erstattet med stål som har lav magnetisk permeabilitet. Utfellingsherdede nikkel-kobberlegeringer og spesielle austenitiske rustfrie stål har vært anvendt tidligere som erstatnings-stål. Styrkekravene for borekrager (typisk 0,2% flytegrense over 690 MPa) kan ikke oppnås med en nikkelkobberlegering eller med standard kromnikkelstål fra "300" seriene, selv i glødet tilstand, og selv om slike stål kan forsterkes ved kaldbelastning, er den krevde deformasjonsgraden for stor, spesielt i de aktuelle store seksjonene. Videre har standard nikkelkromstål austenitiske struk-turer av begrenset stabilitet og den magnetiske permeabiliteten kan forøkes ved deformasjon. Følgelig ble det utviklet en serie av spesialstålkvaliteter for den spesielle anvendelsen, disse har analyser som eksemplifisert ved stål A og B nedenfor:

I disse stålene økes flytegrensen ved nærværet av relativt høye nitrogeninnhold. Dette nærværet øker også spennings-herderaten, på samme måte som reduksjonen i nikkelinnhold. De relativt høye mangannivåene er nødvendig for å bevare de høye nitrogeninnholdene under normalsmelting, støping og støping ved atmosfæretrykk, og også for å forbedre stabiliteten av den austenitiske strukturen. Et lavt karboninnhold er nødvendig for å begrense dannelsen av kromrike karbider under bearbeidelse; nærvær av slike karbider kan på uheldige måter redusere motstanden mot korrosjon. Selv med disse spesielle stålene er en viss spenningsherding nødvendig for å generere den påkrevde styrken. Dette kan imidlertid lett oppnås, selv i de største seksjonene, ved deformasjon ved temperaturer under den som frembringer auto-omkrystallisasjon.

Stål A og B ga derfor den påkrevde flytegrensen, men på bekostning av andre ønskede egenskaper.

Av de ønskede egenskapene er lav magnetisk permeabilitet av størst betydning og legeringsbalansen må være slik at strukturen både er fri for deltaferitt og ikke destabiliseres ved deformasjon. Et antall fremgangsmåter har vært foreslått hvorved strukturen av et stål kan forutsies ut fra dets sammensetning. Disse omfattet alle separering av elementene i de som virker lignende krom og de som ligner nikkel. Hvert ble allokert en ekvivalensfaktor og ved hjelp av disse beregnes den samlede kromekvivalensen og nikkelekvivalensen. Skjæringspunktet for disse to verdiene på et diagram er rapport-ert å vise struktur omfattende en viss indikasjon av andelene av faser i et flerfase tilfelle. Diagrammene benyttes med et vist hell i visse sammensetningsområder, men har vist seg mindre vellykkede i andre tilfeller. En åpenbar unøyaktighet er at de samme ekvivalensverdiene anvendes uansett om austenitt-ferittgrenser eller austenitt-martensittgrenser forutsies, hvilket ikke kan være tilfelle.

En fare med alle stål anvendt i borestrenger er riving ved de gjengede sammenføyningene. Slike sammenføyninger må være fremstilt ved høye vridningsmomenter for å minimalisere spenningskonsentrasjon ved drift og tilveiebringe effektive forseglinger ved til hverandre passende skuldre. I denne forbindelse kan riving beskrives som lokalisert friksjonssveising av overflater som beveger seg relativt til hverandre under trykk. Riving kan forhindre vel-lykket sammenføyning av komponenter og/eller forhindre frigivelse av sam-menføyningen mellom komponenter etter anvendelse. Skaden forårsaket på gjenge og skulderoverflater (produksjon av kaviteter og metalloppbygning) kan gjøre dem uegnede for ytterligere anvendelse og, selv om en viss gjenopp-gjenging kan oppnås, forkortes levetiden av komponentene. Austenitiske rustfrie stål er spesielt utsatte for riving og, selv om sammensetninger A og B er overlegne i dette henseende sammenlignet med konvensjonelle rustfrie stål fra 300 serien var forbedret slitingsmotstand påkrevet, hvilket førte til utvik-lingen av sammensetning C. Denne sammensetningen er nå vidt anvendt.

En ytterligere driftsfare er korrosjon. Borefluider som anvendes er vanligvis vandige og sammensetninger velges for å være kompatible med strata som gjennombores. Borefluider har ofte høye innhold av faststoff, både oppløselige og uoppløselige, hovedsakelig klorider og, mindre hyppig, bromider som kan forårsake korrosjonsproblemer. For å minimalisere dette holdes pH vanligvis over nøytralverdi slik at hydrogenutvikling ikke kan være et korrosjonsprodukt, og den katodiske korrosjonsreaksjonen vil normalt omfatte vann og oppløst oksygen under produksjon av hydroksylionet. Følgelig vil tilgjengeligheten av oppløst oksygen kontrollere omfanget av mulig korrosjon; fordi kilden for oksygen er atmosfæren vil oppløst oksygen av fluidet kontroll-eres ved borebetingelsene og fremgangsmåten. Det er vanligvis lavt nok til at det forekommer få problemer ved lavlegert stålkomponenter. Med disse er enhver korrosjon generell av natur og derfor er, mer begrenset oksygen til-gjengelig, de resulterende generelle endringene i dimensjon små og godtagbare.

Korrosjon av rustfrie stål i mer alkaliske oppløsninger finner ikke sted på grunn av nærværet av en stabil oksidfilm på overflaten (den passive filmen). I nærvær av visse oppløste salter, og hovedsakelig klorider og bromider, kan denne filmen svikte lokalt hvilket tillater produksjon av "hull". Selv om totalkorrosjonsrate er lavere enn for et lavlegertstål i det samme miljøet kan den lokale penetreringen være raskere. Slik filmsammenbrudd er mer sannsynlig innenfor sprekker hvor den kan spre seg og være generell innenfor begrensningen av sprekken. Oksygen er nødvendig for at slik korrosjon skal initiere og propagere og sannsynligheten er større med høyere innhold av klorid og/eller bromid og oksygen. Sannsynligheten er også større ved høye temperaturer som kan forekomme nede i hull. Følgelig er en viss korrosjon mulig med de ikke-magnetiske stålene avhengig av driftsbetingelser men, med krager, har dette sjelden vært av betydning, hullene som dannes er av begrenset størrelse og opptrer i store seksjoner.

Lokalisert korrosjon kan være av større betydning i de ikke-magnetiske stålhusene som er anvendt for å inneholde de sofistikerte elektroniske måle-innretningene som anvendes under boring. Den indre geometrien i disse inn-retninger kan være kompleks og omfatte funksjonelle sprekker og også end-ringer i seksjon som kan holde på avsetninger, idet det dannes sprekker. I disse kompliserte innretningene er lokalisert korrosjon mindre godtagbar enn for de relativt enkle kragene. Videre kan det være en blanding av metaller i elektrisk kontakt som kan forsterke betingelsene ved galvaniske effekter. Følgelig foreligger det behov for et stål med forbedret motstand mot lokalisert korrosjon som viser de andre ønskede egenskapene omtalt ovenfor, idet disse er høystyrke, lav magnetisk permeabilitet, strukturell stabilitet og anti-rivings egenskaper.

US 5,094,812 beskriver et mangan-krom-nikkel austenittisk, ikke-magnetisk rustfritt stål, som i bearbeidet tilstand er hovedsakelig ferrittfritt og har relativ magnetisk permeabilitet på mindre enn ca. 1,02, en 0,2% flytegrense ved romtemperatur på minst ca. 690 MPa (100 ksi), og en god motstand mot spenningskorrosjonssprekking i kloridomgivelser.

JP 6-322446 omhandler en tvinnet metallstreng av ikke-magnetisk rustfri stållegering av høy styrke. Legeringen inneholder på vektbasis 0,03 til 0,15 % C, <1,0% Si, 10 til 14% Mn, 2,5 til 7,5 Ni, 17 til 19% Cr, 0,5 til 2,5% Mo og 0,25 til 0,45% N, og resten er jern og uunngåelige forurensninger.

Ingen av de ovenfor omtalte stålene tilveiebringer alle disse ønskede egenskapene.

Oppfinnelsen er rettet mot å tilveiebringe et slikt stål som har alle disse ønskede egenskapene.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det ifølge ett aspekt et ikke-magnetisk korrosjonsresistent stål av høy styrke hvis sammensetning, uttrykt ved vekt%, omfatter;

for øvrig jern og tilfeldige forurensninger, sammensetningen oppfyller formelen:

når

kromekvivalens = %Cr + 1,5 (%Si) + % Mo + 0,12 (%Mn) og nikkelekvivalens = %Ni + 30(%C) + 20 (%N)

og

når

kromekvivalens = %Cr + 1,5 (%Si) + % Mo

og

nikkelekvivalens = %Ni +0,5(%Mn) + 30(%C) + 30 (%N) Ifølge et annet trekk, definert i krav 2 tilveiebringer oppfinnelsen en ikke-magnetisk komponent for anvendelse i avviksboring fremstilt fra et

korrosjonsresistent stål av høy styrke av sammensetning som angitt i krav 1. Komponenten kan være en borekrage, som definert i krav 3.

Det er velkjent at en vesentlig komponent av et rustfritt stål er krom, minst 12 vekt% i fast oppløsning ansees generelt som ønskelig. For den aktuelle typen korrosjon (forårsaket ved oppløste halogenidsalter) forbedrer økningen av innholdet av krom utover denne verdien gradvis motstanden mot korrosjonsinitiering og dens utbredelseshastighet. Et antall andre elementer kan supplere den fordelaktige effekten av krom, spesielt molybden. Både krom og molybden fremmer imidlertid dannelsen av magnetisk deltaferittfase som ikke er godtagbar for den spesielle anvendelsen som betraktes. For å forhindre nærvær av denne ferittfasen må det være tilstede i tilstrekkelige mengder elementer som undertrykker dens dannelse, hovedsakelig karbon, nikkel og nitrogen. Det godtagbare innholdet av karbon er meget lavt fordi nærværet av karbider kan være uheldige for korrosjonsmotstand. Nikkel har en uheldig effekt på tendensen til riving og følgelig må innholdet også være lavt. Nitrogen har imidlertid ingen uheldig effekt på riving og videre forbedrer dette i nærvær av krom, motstanden mot korrosjon. Imidlertid er mengden av nitrogen som kan bevares i et stål under frysing begrenset med mindre det finnes tilstrekkelig egnet legering av den foreliggende typen. Selv om krom fremmer oppløselighet i forhold til dets innhold er kromlegering alene util-strekkelig og det må suppleres med mangan. Mangan påvirker imidlertid motstanden mot korrosjon i negativ retning.

En meget omhyggelig balanse for legering er derfor nødvendig dersom den påkrevde nedihull egenskapen av stålet skal oppnås.

Som nevnt tidligere er lav magnetisk permeabilitet av avgjørende betydning blant de ønskede egenskapene og legeringsbalansen må være slik at strukturen både er fri for deltaferitt og ikke destabiliseres ved deformasjon. Et antall fremgangsmåter har vært foreslått hvorved strukturen av et stål kan forutsies fra dets sammensetning. Disse innbefattet alle separering av elementene i de som virker lignende krom og de som ligner nikkel. Hver ble allokert en ekvivalensfaktor og ved hjelp av disse beregnes den samlede kromekvivalensen og nikkelekvivalensen. Skjæringspunktet mellom disse to verdiene på et diagram rapporteres å vise struktur omfattende en viss indikasjon på andel ene av faser i et flerfase tilfelle. Diagrammene anvendes med et visst hell med visse sammensetningsområder, men har vist seg mindre vellykkede i andre forbindelser. En åpenbar unøyaktighet er at de samme ekvivalensverdiene anvendes uavhengig om austenitt-ferittgrenser eller austenitt-martensittgrenser forutsies, hvilket ikke kan være tilfelle. For foreliggende oppfinnelse er faktorene anvendt for de to trekkene ikke nødvendigvis de samme som publisert og tilnærmelsen er forenklet ved å anvende en enkeltligning for å forutsi om feritt er til stede eller ikke og videre summen av faktorene for å indikere en egnet austenittstabilitet. Det antas ikke at de forskjellige faktorene som er anvendt nødvendigvis vil gjelde andre legeringsblandinger forskjellig fra områder som er relevant ved foreliggende oppfinnelse.

Det er funnet at utmerket nedihullsegenskapsbalanse oppnås med korrosjonsresistente stål av høy styrke som har følgende sammensetning uttrykt ved vekt;

I tillegg samsvarer sammensetningen med følgende:

Hvor kromekvivalens = %krom + 1,5 x %silisium + %molybden + 0,12 x %mangan og nikkelekvivalens = %nikkel + 30 x %karbon + 20 x %nitrogen og også med nikkelekvivalens + kromekvivalens > 35.

Hvor kromekvivalens = %krom + 1,5 (%silisium) + %molybden og nikkelekvivalens = %nikkel + 0,5 (% mangan) + 30(%karbon) + 30% nitrogen.

Alle verdiene ovenfor er vekt%er med det gjenværende i det vesentlige jern. Det skal understrekes at elementene som normalt tilfeldig er tilstede i austenitiske rustfrie stål kan være tilstede innenfor grensene angitt for slike stål i BS970 del 1 eller i mengder som normalt er akseptert i internasjonale standarder.

Et eksempel på en stålsammensetning ifølge oppfinnelsen er:

Dette stålet ble smidd for å danne 10 meter lange staver av diameter 180mm og 190mm ved normal fremstillingsteknikk ved anvendelse av varm-smiing og varmbelastning. De mekaniske egenskapene tatt fra posisjoner i henhold til API7 seksjon 6 var;

Magnetisk permeabilitet var 1,002 og uniformitet av denne egenskapen ble bekreftet ved å måle den endrende magnetiske fluksen langs staven når den var utsatt for en magnetisk kraft på 200 ørsted. Maksimalt avvik ble funnet å være mindre enn 0,05 mikrotesla over hele stavens lengde.

Motstand mot riving ble demonstrert ved å anvende knapp-på-blokk teknikken beskrevet i ASTM G98. Dette omfatter rotering av separate sylindriske prøver under trykk på blokker av tilsvarende materiale. Økende trykk anvendes inntil riving observeres. Resultater sammenlignes med de for stål A til B og C i tabell 1 nedenfor.

Det fremgår fra denne tabellen at stål B ble utsatt for riving ved rundt 68,9 MPa (10 ksi), stål A ved rundt 137,9 MPa (20 ksi) og stål C ved rundt 249,9 MPa (36,25 ksi). Stålprøvene ifølge oppfinnelsen var ikke underkastet riving ved det høyeste registrerte trykket, nemlig 293,0 MPa (42,5ksi).

Korrosjonsresistens ble demonstrert ved to akselererte laboratorie-tester. Det valgte korrosjonsmiddelet var en 20% oppløsning av natriumklorid ved 50°C åpent mot atmosfæren. Forsøksprøven var en liten sylinder og denne ble innstøpt i et lag av fin sand for å simulere alvorlige sprekkbeting-elser. Prøven ble forbundet via et amperemeter til en elektrode enten av kobber eller av type 304 rustfritt stål; ekektrodeoverflatearealet var 150 cm<2>. Strømflyten ga en indikasjon på korrosjonen som finner sted. For å akselerere testen var den innledende periode når testprøvene ble polarisert anodisk ved en høy strøm for å sikre at korrosjon hadde started og forløp ved en høy hastighet. Etter stopping av polarisasjonen ble strømflyten overvåket inntil en stasjonær verdi ble oppnådd og denne ble registrert. Verdier for stasjonære og flytende oppløsninger ble tatt. Disse er tabulert i tabell 2 nedenfor:

Testen med den rustfrie stålelektroden simulerte alvorlige sprekk-betingelser og den med kobberelektroden den adderte effekten av galvanisk stimulering. Det fremgår fra tabell 2 at stålprøven ifølge foreliggende oppfinnelse viste vesentlig forbedret korrosjonsresistens.

De gjennomførte testene demonstrerte at stål ifølge foreliggende oppfinnelse viser en egenskapsbalanse med hensyn til styrke, magnetisk permeabilitet, rivingsmotstand og korrosjonsresistens som er overlegen i ethvert henseende sammenlignet med de i dag tilgjengelige korrosjonsresistente stålene av høy styrke.

Claims (3)

1. Ikke-magnetisk korrosjons- og rivingsresistent stål av høy styrke, hvis sammensetning uttrykt ved vekt omfatter:

for øvrig jern og tilfeldige forurensninger, karakterisert vedat sammensetningen oppfyller formelen:

når kromekvivalens = %Cr + 1,5 (%Si) + % Mo + 0,12 (%Mn) og nikkelekvivalens = %Ni + 30(%C) + 20 (%N) og

når kromekvivalens = %Cr + 1,5 (%Si) + % Mo og nikkelekvivalens = %Ni +0,5(%Mn) + 30(%C) + 30 (%N).

2. Ikke-magnetisk komponent for anvendelse i avviksboring,karakterisert vedat den er fremstilt fra et korrosjonsresistent stål av høy styrke av sammensetning ifølge krav 1.

3. Borekrage, karakterisert vedat den er fremstilt av korrosjonsresistent stål av høy styrke ifølge krav 1.