NO337909B1

NO337909B1 - Stålmateriale med høy seighet

Info

Publication number: NO337909B1
Application number: NO20040432A
Authority: NO
Inventors: Shigeru Nakamura; Toshiharu Abe; Kaori Kawano; Tomohiko Omura
Original assignee: Sumitomo Metal Ind
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2016-07-11
Also published as: US6958099B2; JP2003041341A; EP1413639A4; CA2453964C; US20030178111A1; EP1413639A1; WO2003014408A1; NO20040432L; AR034070A1; EP1413639B1; CA2453964A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et stålmateriale med et høyt nivå av seighet og som er egnet for anvendelse ved fremstilling av stålrør som skal anvendes under strenge betingelser i oljebrønnmiljøer, samtidig som kostnadene senkes, produktiviteten forbedres og det dessuten oppnås en energibesparelse.

I de senere år har miljøet for boring av oljebrønner stadig blitt tøffere, og stålrør for oljebrønner som anvendes på hvert sted eksponeres nå for et olje-brønn-boremiljø som inneholder karbondioksid og lignende i tillegg til at olje-brønner stadig blir dypere. Stålmaterialet som skal anvendes for å fremstille slike stålrør må ha styrke- og seighetskarakteristikker. Spesielt forventes det at olje-brønner som vil bli utbygget i fremtiden skal være oljebrønner med større dybde eller er horisontale oljebrønner, og det kreves derfor at stålrørene som skal anvendes må ha enda høyere styrke- og seighetsytelseskarakteristikker enn de nivåene som til nå har vært nødvendig.

For å oppfylle disse kravene har det på fagområdet vært gjort bestrebelser på å produsere stålrør med høy ytelse ved å redusere størrelsen av austenittkorn i stålmaterialet eller ved å tilsette et kostbart additivelement eller -elementer for derved å forbedre herdbarheten. På denne bakgrunn foreslås det i japansk patent nr. 2 672 441 f.eks. en fremgangsmåte for å produsere sømløse stålrør kjennetegnet ved høy styrke og høy seighet.

I henhold til den produksjonsmetoden som foreslås i den ovenfor nevnte patentspesifikasjonen reduseres austenittkornstørrelsen til minst ASTM nr. 9 for derved å sikre svært god motstand mot sulfidspennings-korrosjonssprekking (SSCC-motstand) samt høye ytelseskarakteristikker mht. styrke og seighet.

Produksjonsmetoden som er foreslått i ovennevnte patentspesifikasjon er således ment å gi ståltyper med høy seighet, og benytter den til nå kjente teknikken for å redusere størrelsen av austenittkorn og det er derfor å forvente at reduksjonen av austenittkornstørrelsen vil føre til forringelse av herdbarhet. Når en stål-types herdbarhet blir dårlig, vil seigheten og korrosjonsmotstanden bli dårligere. For å forhindre at herdbarheten av stål blir dårligere, er det vanligvis nødvendig å tilsette store mengder av slikt kostbart element/elementer som Mo.

Videre forutsetter produksjonsmetoden som foreslås i den ovennevnte patentspesifikasjonen at direkte bråkjøling eller in-line varmebehandling utføres direkte fra den oppvarmede tilstand etter valsing, som deretter etterfølges av gløding. Metoden krever således streng regulering av valsebetingelser, og i dette henseendet er dette ikke tilfredsstillende med tanke på reduksjon av kostnader og når det gjelder produksjonseffektivitet. Metoden har fremdeles det problemet at det ikke kan gjennomføres den produktivitetsforbedring, de energibesparelser og den kostnadsreduksjon som i dag kreves i produksjon av stålrør for oljebrønner.

På den annen side har det blitt foreslått fremgangsmåter for fremstilling av stålrør for oljebrønner som er i stand til å oppvise gode ytelseskarakteristikker i oljebrønnmiljøer selv når austenittkornstørrelsen er relativt grov. Ettersom intragranulær sprekking er utgangspunktet for at det skjer brekkasje med økende stål-styrke, forslår offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 558-224116 f.eks. en fremgangsmåte for å produsere sømløse stålrør som er svært gode mht. sulfidspennings-sprekkingsmotstand, og som omfatter redusering av innholdet av P, S og Mn, tilsetning av Mo og Nb og regulering av austenittkornstørrelsen til innenfor området fra 4 til 8,5.

Videre foreslår japansk patent nr. 2 579 094 en fremgangsmåte for å produsere oljebrønnstålrør med høy styrke og svært god sulfidspenningskorrosjons/ sprekkingsmotstand, og som omfatter justering av stålsammensetningen og varmvalsingsbetingelsene slik at austenittkornstørrelsen derved justeres til fra 6,3 til 7,3.

Ingen av de metodene som til nå er blitt foreslått nevner imidlertid noe som helst om det å sikre den seigheten som er nødvendig for stålrør for oljebrønner, og kan ikke anvendes som en metode for å produsere oljebrønnstålrør med både høy styrke og høy seighet.

Det er imidlertid kjent at for å oppnå seighet for stålmaterialer, er det effektivt å styrke selve austenittkorngrensene i stedet for å redusere austenittkornstør-relsen. Som et hjelpemiddel i denne sammenheng er det kjent en metode som omfatter regulering av karbidutfellingen på austenittkorngrenser. Korngrenser anbringes således der hvor karbider tenderer til å felle lett ut sammenlignet med intragranulær utfelling og der hvor karbidene lett kondenseres, slik at styrken til selve korngrensen tenderer til å synke.

Det blir derfor mulig å forbedre seigheten for stålmaterialer når det forhindres utfelling av grove karbider og/eller karbidkondensasjon ved austenittkorngrenser. Dette er årsaken til at det ikke kan oppnås høye nivåer av seighet uten å regulere utfellingen av karbider på korngrenser når austenittkornene er relativt grove som f.eks. med de ståltypene som er beskrevet i ovenforsiterte offentlig tilgjengelige japanske patentsøknad nr. S58-224116 og japansk patent nr. 2 579 094.

På denne bakgrunn har det i den senere tid blitt fokusert på metoder for å inhibere utfellingen av karbider som har en tendens til å bli grovere ved austenittkorngrenser. Blant karbider som kan forekomme i lavlegerings-ståltyper innehol-dene Cr og Mo, er typene M3C, M7C3, M23C6, M3C og MC. Blant disse er karbider av typen M23C6termodynamisk stabile og felles lett ut og er samtidig grove karbider, slik at de reduserer stålmaterialers seighet. Videre har karbider av M3C-type en acikulær form og øker spenningskonsentrasjonskoeffisienten, noe som fører til at SSCC-motstanden avtar.

Utfra de årsakene som er nevnt i det ovenstående, har det nå blitt foreslått fremgangsmåter for inhibering av utfelling av karbider av M23C6-type og/eller M3C-type. For eksempel beskriver offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 2000-178682, offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 2000-256783, offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 2000-297344, offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 2000-17389 og offentlig tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 2001-73086 ståltyper eller stålrør med redusert innhold av karbider av typen M23C6. Metodene som er beskrevet i disse publikasjonene fokuserer imidlertid bare på reguleringen av karbidene av type M23C6, men tar ikke innvirkningen av austenittkornstørrelsen med i betraktning; det må derfor nevnes at det går på be-kostning av stålets herdbarhet.

Med andre ord, så kan under disse omstendighetene ingen av metodene som bare tar utgangspunkt i teknikken med redusering av austenittkornstørrelsen eller bare på teknikken med regulering av karbider har en tendens til å bli grove, oppnå de tiltenkte formålene med å produsere ståltyper eller stålrør med høy styrke og høy seighet og svært god sulfidspennings-korrosjonssprekkingsmot-stand (SSCC-motstand = sulfide stress corrosion cracking resistance) med lave omkostninger. Det er derfor ønskelig med retningslinjer for på optimal måte å kombinere og å ha god nytte av både virkningen av karbidregulering og virkningen av å redusere austenittkornstørrelsen slik at ståltyper eller stålrør som er egnet for anvendelse i oljebrønnmiljøer kan fremstilles med lave kostnader.

Som nevnt i det foregående, så avtar stålmaterialenes herdbarhet når det gjøres forsøk på å øke seigheten bare ved hjelp av teknikken med å redusere austenittkornstørrelsen. Ettersom ytelseskarakteristikkene som kreves av stålmaterialer ikke lenger kan oppnås når herdbarheten avtar, blir det nødvendig å tilsette et kostbart element eller kostbare elementer for derved å gjøre opp for minskningen av herdbarhet og oppnå de krevde ytelseskarakteristikkene. Teknik ken med å redusere austenittkornstørrelsen resulterer derfor når den anvendes alene i en økning av innholdet av kostbare elementer, og følgelig, i det hele, i en økning av produksjonskostnadene for stålmaterialet.

Videre er det selv når oljebrønn-stålrør produseres under anvendelse av et stålmateriale som har en relativt grov kornstørrelse, vanskelig å sikre et tilstrekkelig nivå av seighet. For å oppnå en slik seighet, er det virkningsfullt å regulere utfelling av karbider ved korngrenser og derved styrke selve austenittkorngrensene. Når det bare legges vekt på reguleringen av karbidenes morfologi uten å ta hensyn til innvirkningen av austenittkornstørrelsen, så vil imidlertid stålmaterialenes herdbarhet senkes, med det resultat at det ikke kan oppnås høy seighet.

Det er derfor ønskelig at det tilveiebringes noen retningslinjer for optimal kombinering av virkningen av karbidregulering og virkningen av å redusere stør-relsen av austenittkorn og at det tilveiebringes oljebrønn-stålrør med høy seighet ved anvendelse av retningslinjene.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse at det med utgangspunkt i ovennevnte problemer tilveiebringes et svært seigt stålmateriale som er egnet for anvendelse ved fremstilling av stålrør som skal benyttes i oljebrønnmiljøer, hvor det forventes at kravene i fremtiden blir stadig strengere, ved anvendelse av ovennevnte materiale som utgangsmateriale.

For å oppnå ovennevnte formål ble i foreliggende oppfinnelse stålmaterialer med forskjellige kjemiske sammensetninger smeltet, austenittkornstørrelsen ble variert ved å endre varmebehandlingsbetingelsene, og forholdet mellom ad-ferden ved utfelling av karbider ved korngrenser og stålsammensetningen og videre forholdet mellom disse og seighetsytelsen ble undersøkt.

Som nevnt i det ovenstående, øker stålmaterialets herdbarhet ettersom austenittkornstørrelsen økes, men utfellingen av grove karbider ved austenittkorngrenser blir gjort lettere og seigheten blir dårligere med utfelling av grove karbider. Selv om seigheten forbedres når austenittkornstørrelsen avtar, så viste ytterligere utførlige undersøkelser, i tillegg til virkningen i det ovenstående, at utfelling av grove karbider kan forhindres ved å redusere austenittkorngrensene. Grunnen til dette er økningen av antall steder hvor karbider lett felles ut og den resulterende dispergering av utfelling, noe som fører til reduksjon av størrelsen for de enkelte karbidene. Når det videre gjelder karakteristikkene for karbider funnet ved austenittkorngrenser, så kom oppfinnerne frem til følgende funn (1) til (4).

(1) Ved analyse av sammensetningen av karbider utfelt ved austenittkorngrenser var hovedelementene i karbidene Fe, Cr, Mo og lignende i tillegg til C. Det ble også bekreftet at karbidene som ble utfelt inne i granulene er mindre enn karbidene som ble utfelt ved austenittkorngrenser. Sammensetningen av karbider som ble felt ut inne i granuler ble derfor undersøkt, og det ble funnet at karbidene er nesten fri for Mo. (2) Selv om det generelt sies at karbidenes form (acikulær eller sfærisk) bestemmes av glødetemperaturen, så ble det funnet at når Mo-innholdet i karbider var forskjellig, så var formen av karbider forskjellig selv ved den samme gløde-temperaturen. (3) På bakgrunn av ovennevnte funn (1) og (2) ble innholdet av Mo i karbider antatt å være en faktor som utøvet innvirkning på karbidenes morfologi og stør-relse, og sammensetningen av karbider som ble felt ut ved austenittkorngrenser ble analysert, og som et resultat ble det funnet at Mo-innholdet i grovere karbider er høyere og Mo-innholdet i karbider med mindre størrelse er lavere. Ved å senke Mo-innholdet i karbider er det med andre ord mulig å forhindre at karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser blir grove og derigjennom forbedre stålmaterialers seighet. (4) Videre, ettersom austenittkornstørrelsen endres, så varierer innvirkningen av innholdet av Mo i karbider på grovgjøring av karbider. Ved å regulere Mo-innholdet i karbider som felles ut ved korngrenser i samsvar med endringen i auste-nittkornstørrelse, er det derfor mulig å forhindre i tilstrekkelig grad utfelling av grove karbider ved austenittkorngrenser.

Foreliggende oppfinnelse, som er gjennomført med basis i ovennevnte funn, består av: (1) Et stålmateriale med høy seighet kjennetegnet ved at det inneholder, i masse%, C: 0,17 - 0,32%, Si: 0,1 - 0,5%, Mn: 0,30 - 2,0%, P: ikke mer enn 0,030%, S: ikke mer enn 0,010%, Cr: 0,10-1,50%, Mo: 0,01 -0,80%, sol. Al: 0,001 - 0,100%, B: 0,0001 - 0,0020% og N: ikke mer enn 0,0070%, og eventuelt ett eller flere av Ti: 0,005 - 0,04%, Nb: 0,005 - 0,04% og V: 0,03 - 0,30%, idet balansen er Fe og forurensninger, hvori innholdet av Mo [Mo] i masse-% i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser tilfredsstiller formel (a) angitt under:

[Mo] ^ eksp(G - 5) + 5 (a)

hvor G er austenittkornstørrelsestallet i samsvar med ASTM E 112.

Foretrukket inneholder stålmaterialet, i masse%, C: 0,20 - 0,28.

Fig. 1 er en fremstilling av sammenhengen mellom austenittkornstørrelsen (i samsvar med ASTM E 112) og innholdet av Mn (masse%) i karbidene som felles ut ved austenittkorngrenser.

Begrunnelsene for å begrense Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser, den kjemiske sammensetningen av stålet og produksjonsmetoden som angitt i det foregående, er forklart i det følgende:.

1. Mo-innhold i karbider utfelt ved austenittkorngrenser

For tilveiebringelse av et stålmateriale med høy seighet og høy styrke, så anvendes vanligvis metoden som omfatter reduksjon av austenittkornstørrelsen

og gjennomføring av bråkjølings- og glødingsbehandlinger. Ved å redusere auste-nittkornstørrelsen fordeles slagkraften som utøves på individuelle korngrenser og, under ett, forbedres seigheten. Reduksjonen av austenittkornstørrelsen fører således ikke til å styrke selve austenittkorngrensene, men fører til fordeling av korn-grenseområdet som er perpendikulært på laderetningen for slagkraften slik at slagkraften derved fordeles og forbedrer seigheten.

Det er også mulig å forbedre seigheten for stålmaterialer ved å styrke selve austenittkorngrensene. For det første kan korngrensene styrkes ved å eliminere de elementene som utskilles ved korngrenser slik at korngrensene derved svek-kes, for eksempel P. For å forhindre utskillelse av P er det nødvendig å minimalisere innholdet av P. I sammenheng med kostnadene for avfosforisering i stålfrem-stillingsprosesser mettes ståltyper med et bestemt innholdsnivå av P.

Som annet tilgjengelig hjelpemiddel for å styrke selve austenittkorngrensene finnes metoden som omfatter regulering karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser. Virkningen av denne metoden for styrking av korngrenser, der-som det å forhindre at karbider blir grove lykkes, kan være mer enn virkningen av undertrykkelsen av utskillelse av P når det gjelder å forbedre stålmaterialers seighet.

I foreliggende oppfinnelse ble det derfor fokusert på det faktum at høy seighet kan oppnås når karbidene som ellers forekommer som grove utfellinger ved austenittkorngrenser og svekker korngrensene, reguleres. Når grove karbider således felles ut eller aggregater av karbider felles ut ved austenittkorngrenser, så blir seigheten dårligere, men når relativt små karbider felles ut fordelt ved austenittkorngrenser, så blir seigheten heller forbedret.

Oppfinnerne tok så utgangspunkt i det faktum at ved å regulere Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser til et optimalt nivå, blir det mulig å tilveiebringe stålmaterialer med høy seighet som et resultat. Når Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser er lite, så kan således grovgjøringen av karbidene forhindres, mens når Mo-innholdet i karbidene er høyt, så fremmes grovgjøringen av karbidene.

Fig. 1 viser forholdet mellom austenittkornstørrelsen (i samsvar med ASTM E 112) og Mo-innholdet (i masse%) i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser. Ettersom verdien derav øker, indikerer austenittkornstørrelsestallet G en redusert austenittkornstørrelse. Seighetskarakteristikkene evalueres, f.eks. ved å teste Charpy-teststykker i samsvar med ASTM A 370 med hensyn til om de har karakteristikker slik at de viser en omvandlingstemperatur på ikke høyere enn -30°C. Når de tilfredsstiller kravet at omvandlingstemperaturen ikke skal være høyere enn -30°C, så evalueres de til å ha høy seighet. I hver seighetsevaluering gjennomføres testen under anvendelse av en samling av tre teststykker som en enhet.

Som det fremgår av fig. 1, så kan områder med høy seighet som tilfredsstiller kravet til omvandlingstemperatur på ikke høyere enn -30°C foranlediges til å oppstå, selv når austenittkornstørrelsen er grov, ved å redusere Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser. Dette betyr at ved å redusere Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser, så er det mulig å forhindre at karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser blir grove eller aggre-gerer og dessuten at den kritiske verdien for Mo-innholdet, som virker inn på karbidmorfologikontrollen og seighetskarakteristikken for stålmaterialer, varierer avhengig av austenittkornstørrelsen.

Fra resultatene vist på fig. 1 kan de sees at det er nødvendig at Mo-innholdet [Mo] i karbider og austenittkornstørrelsestallet G tilfredsstiller forholdet som er representert ved formel (a) angitt under.

Austenittkornstørrelsen kan hovedsakelig reguleres ved valg av bråkjø-lingsbetingelsene, og kan videre reguleres ved tilsetting av ett eller flere av Al, Ti og Nb. De faktorer som regulerer Mo-innholdet i karbider derimot består av regu lering av bråkjølingsbetingelsene, glødingsbetingelsene og additivelementene (spesielt Mo). Når bråkjølingsbetingelsene varieres, så varierer graden av gjen-oppløsning og jevnhet mht. dispergering av karbider og innholdet av Mo i karbider. Når glødingsbetingelsene varieres, varierer the gradene av spredning av additivelementer og som et resultat varierer Mo-innholdet i karbider. Innholdet av Mo i karbider derimot påvirkes i stor grad av additivelementene, spesielt nivået av tilsetning av Mo og andre karbiddannende elementer. For regulering av austenitt-kornstørrelsen og Mo-innholdet i karbider er det således nødvendig å justere varmebehandlingsbetingelsene og additivelementene i tilstrekkelig grad.

Ved gjennomføring av foreliggende oppfinnelse kan Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser bestemmes ved å kombinere ekstrak-sjons-etterligningsmetoden med en EDX (energy dispersive X-ray spectrometer (energisprednings røntgenspektrometer)). "EDX" er en type fluorescerende røntgenanalysator, og avhenger av en elektrisk spektroskopisk metode hvor det benyttes en halvlederdetektor.

I foreliggende oppfinnelse ble Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser bestemt ved å observere austenittkorngrenser i fem vilkårlig valgte optiske områder med en forstørrelse på 2 000 og så velge tre store karbider på hvert visuelt område og ta den midlere verdien av de 15 verdiene til sam-men som Mo-innholdet i karbidene.

2. Kjemisk sammensetning

I det følgende beskrives den kjemiske sammensetning som er effektiv for stålmaterialet i henhold til foreliggende oppfinnelse. Den kjemiske sammensetningen som det her refereres til er basert på masseprosentandel.

C: 0,17-0,32%

C er tatt med i den hensikt å sikre stålmaterialets styrke. Når innholdet derav er mindre enn 0,17%, så er imidlertid herdbarheten utilfredsstillende og den nødvendige styrken kan nesten ikke sikres. For å sikre herdbarheten, blir det nødvendig å tilsette store mengder av ett eller flere kostbare additiver. Når innholdet derav overstiger 0,32%, så kan det forekomme herdesprekker samtidig som seigheten blir dårligere. C-innholdet bør derfor være 0,17% til 0,32%, fortrinnsvis 0,20% til 0,28%.

Si: 0,1 -0,5%

Si er et element som er effektivt som et deoksiderende element og bidrar samtidig til en økning i motstand mot glødemykgjøring og således til en økning i styrke. For produksjonen av dets virkning som et deoksiderende element så er innholdet på ikke mindre enn 0,1% nødvendig, mens varmbearbeidbarheten blir utpreget dårlig når innholdet derav overstiger 0,5%. Det ble derfor valgt Si-innhold på 0,1 -0,5%.

Mn: 0,30 - 2,0%

Mn er en komponent som forbedrer herdbarheten for stål og sikrer styrken av stålmaterialer. Med et innhold under 0,30%, er imidlertid herdbarheten utilstrekkelig, og både styrken og seigheten avtar. Med et innhold som overstiger 2,0% derimot, så fremmes segregeringen i retning av stålmaterialenes tykkelse og følgelig avtar seigheten. Mn-innholdet bør derfor være 0,30 - 2,0%, fortrinnsvis 0,35-1,4%.

P: Ikke mer enn 0,030%

Selv om det er nødvendig å minimalisere innholdet av P slik at korngrensene kan styrkes, så er P uunngåelig til stede i stål som en urenhet. Selv om det til nå har blitt utviklet og forbedret prosesser for avfosforisering, er det derfor nød-vendig med en lang tid for å redusere P-innholdet og temperaturen for det smel-tede stålet synker derfor, noe som gjør den påfølgende prosessoperasjonen vanskelig. Innholdet derav kan derfor være på et bestemt metningsnivå. Ved et P-innhold som overstiger 0,030%, skilles det imidlertid ut ved korngrenser og forårsa-ker en nedgang i seighet. Innholdet derav bør derfor ikke være mer enn 0,030%, fortrinnsvis ikke mer enn 0,015%.

S: Ikke mer enn 0,010%

S forekommer uunngåelig i stål, og binder seg til Mn eller Ca slik at det dannes slike innleiringer som MnS eller CaS. Disse innleiringene forlenges i trinnet med varmvalsing og får derved en acikulær form, noe som gjør belast-ningskonsentrasjon lettere og således har ugunstig innvirkning på seigheten. S-innholdet bør derfor ikke være mer enn 0,01%, fortrinnsvis ikke mer enn 0,005%.

Cr: 0,10-1,50%

Cr er en element for forbedring av herdbarheten, og er samtidig effektiv når det gjelder å beskytte mot karbondioksid-gasskorrosjon i karbondioksidholdige omgivelser. Tilsetning derav i overskuddsmengdes letter imidlertid dannelse av grove karbider. Den øvre grense for innhold derav settes derfor til 1,50%. Når det gjelder å forhindre grove karbider, så er en øvre grense på 1,20% ønskelig. For virkningen av tilsetning av Cr er derimot den nedre grense av innhold derav satt til 0,10%, mer foretrukket til 0,15%.

Mo: 0,01 - 0,80%

Mo er effektiv når det gjelder regulering av utfellingsmorfologi av karbider som oppstår ved austenittkorngrenser, og er et anvendbart element for å tilveiebringe svært seige stålmaterialer. Videre er det også effektivt mht. å øke herdbarheten og forhindre at P gjør korngrenser skjøre. For å få det til å gi disse virknin-gene så bør innholdet derav være innenfor området 0,01 - 0,80%. Et mer ønskelig innhold er 0,10-0,80%.

Sol. Al: 0,001 -0,100%

Al er et element som er nødvendig for deoksidasjon. Når innholdet av sol. Al er under 0,001%, så er resultatet utilstrekkelig deoksidering, forringelse av stålkvaliteten og redusering av seigheten. Når innholdet derimot er for høyt, så kan det snarere føre til en nedgang i seighet. Den øvre grense settes derfor til 0,100%, fortrinnsvis til 0,050%.

B: 0,0001 - 0,0020%

Tilsetning av B kan resultere i en markert forbedring av herdbarhet, og føl-gelig kan nivået av tilsetning av kostbare legeringselementer reduseres. Spesielt kan målstyrken, selv i tilfeller med fremstilling av tykkveggede stålrør, lett oppnås ved tilsetning av B. Når innholdet derav er under 0,0001%, så kan disse virknin-gene imidlertid ikke oppnås og, omvendt, ved nivåer som overstiger 0,0020% blir utfellingen av karbonitrider ved korngrenser lett, noe som fører til forringelse av seighet. B-innholdet bør derfor være 0,0001 - 0,0020%.

N: Ikke mer enn 0,0070%

N er uunngåelig nærværende i stål, og binder seg til Al, Ti eller Nb slik at det dannes nitrider. Spesielt når AIN eller TiN felles ut i store mengder, så kan seigheten påvirkes ugunstig. Innholdet derav bør derfor ikke være mer enn 0,0070%.

Ti: 0,005 - 0,04%

Det er ikke nødvendig å tilsette Ti. Når det tilsettes, danner det nitridet TiN, og er således effektivt når det gjelder å forhindre at korn blir grovere i høye temperaturområder. For å tilveiebringe denne virkningen, tilsettes det ved et nivå som ikke er lavere enn 0,005%. Når innholdet derav overstiger 0,04%, øker imidlertid mengden av TiC som dannes ved dets binding til C, hvorved seigheten påvirkes på ugunstig måte. Når Ti tilsettes, så bør innholdet derav derfor ikke være mer enn 0,04%.

Nb: 0,005 - 0,04%

Det er ikke nødvendig å tilsette Nb. Når det tilsettes, danner det karbid- og nitrid NbC og NbN, og er effektivt når det gjelder å forhindre at korn blir grovere i høye temperaturområder. For å tilveiebringe denne virkningen, tilsettes det ved et nivå som ikke er lavere enn 0,005%. Ved et for høyt tilsetningsnivå fører det imidlertid til segregering og forlengede korn. Tilsetningsnivået derav bør derfor ikke være mer enn 0,04%.

V: 0,03 - 0,30%

Det er ikke alltid nødvendig å tilsette V. Når det tilsettes, danner det karbidet VC og bidrar til å øke styrken av stålmaterialer. For å oppnå denne virkningen tilsettes det med et nivå som ikke er lavere enn 0,03%. Når innholdet derav overstiger 0,30%, påvirkes imidlertid seighet på ugunstig måte. Innholdet derav bør derfor ikke være mer enn 0,30%.

3. Produksjonsmetode

Produksjonsmetoden benytter prosessen som omfatter valsing av et stålmateriale med den ovennevnte kjemiske sammensetning som basismateriale, med bråkjøling fra austenittområdet og deretter gløding slik at Mo-innholdet [Mo] i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser kan tilfredsstille ovennevnte formel (a). Trinnet med bråkjøling og gløding som her skal anvendes kan omfatte enten en in-line varmebehandlingsprosess eller en off-line

varmebehandlingsprosess.

I in-line varmebehandlingsprosessen etter valsing, gjennomføres gjennomfukting innenfor temperaturområdet fra 900°C til 1 000°C og bråkjøling med vann slik at den austenittiske tilstanden kan opprettholdes, eller, etter valsing, gjennom-føres bråkjøling med vann i den austenittiske tilstanden, fulgt av bråkjøling under betingelser som er slik at stålmaterialet får den krevde styrken, f.eks. en konvensjonell flytegrense (yield strength) på ca. 758 MPa.

I off-line varmebehandlingsprosessen avkjøles stålrøret etter valsing straks til ordinær temperatur med luft, og oppvarmes deretter igjen i en bråkjølingsovn (quenching furnace) og underkastes etter gjennomfukting innenfor temperaturområdet fra 900°C til 1 000°C bråkjøling med vann og deretter gløding under betin- geiser som er slik at stålmaterialet får den krevde styrken, f.eks. en konvensjonell flytegrense på ca. 758 MPa.

Eksempler

For å slå fast ytelsene for stålmaterialene i henhold til foreliggende oppfinnelse ble det fremstilt 13 ståltyper angitt under i tabell 1. Alle ståltypene tilfredsstilte de kjemiske sammensetningsområdene som er spesifisert i det foregående.

Barrer med en ytre diameter på 225 mm ble fremstilt fra hver av ståltypene i det foregående, oppvarmet til 1 250°C og formet til sømløse stålrør med en ytre diameter på 244,5 mm og en veggtykkelse på 13,8 mm ved hjelp av Mannes-mann-mandrelmetoden. Hver av de fremstilt stålrørene ble så underkastet en in-line eller off-line varmebehandlingsprosess.

I in-line varmebehandlingsprosessen ble hvert rør (piper) for opprettholdelse av den austenittiske tilstanden etter valsing for rørfremstilling underkastet gjennomfukting under forskjellige temperaturbetingelser og bråkjøling med vann og deretter 30 minutter gjennomfukting, for glødingsbehandling, ved en temperatur som er slik at stålrøret kan oppnå en konvensjonell flytegrense på ca. 758 MPa. Før bråkjøling ble temperaturen for opprettholdelse av den austenittiske tilstanden variert innenfor området fra 900°C til 980°C.

I off-line varmebehandlingsprosessen ble hvert stålrør etter rørdannende valsing under de samme betingelsene straks luftkjølt til ordinær temperatur, deretter igjen oppvarmet i en bråkjølingsovn og, etter gjennomfukting under forskjellige temperaturbetingelser, underkastet bråkjøling og de påfølgende 30 minutter med glødingsbehandling ved en temperatur som var tilstrekkelig til å oppnå en konvensjonell flytegrense på ca. 758 MPa. I off-line varmebehandlingsprosessen ble temperaturen for opprettholdelse av den austenittiske tilstanden før bråkjøling også variert innenfor området fra 900°C til 980°C. For å tilveiebringe en enda fi-nere austenittkornstørrelse, ble også bråkjølingen og glødingen gjentatt to ganger.

Krummede strekktestprøver definert i API-standarden 5CT, og Charpy-test-prøver i full størrelse definert i ASTM A 370 ble tatt, i lengderetning, fra hvert stål-rør etter den ovennevnte varmebehandlingsprosessen, og ble underkastet strekk-testing og Charpy-slagtesting, og konvensjonell flytegrense (MPa) og frakturfore-komst-omvandlingstemperatur (°C) ble målt.

Samtidig ble testprøver for måling av kornstørrelse og testprøver for mikro-skopisk observasjon tatt, og austenittkornstørrelsen (kornstørrelsestall definert i ASTM E 112) ble målt, og Mo-innholdet i karbidene utfelt ved austenittkorngrenser ble bestemt ved hjelp av en kombinasjon av ekstraksjonsetterligningsmetoden og et EDX. De således oppnådde resultatene er vist under i tabell 2. Charpy-slag-testen ble gjennomført på tre-setts-enhetsbasisen.

Som det fremgår fra resultatene vist i tabell 2, påvirkes ikke seigheten når austenittkornstørrelsen er liten, selv når Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser er ganske høy. Ettersom austenittkornstørrelsen øker, blir imidlertid seigheten dårligere med økningen av Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved korngrenser. Som nevnt i det foregående, skyldes dette det faktum at karbidene har en tendens til å bli grove når Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved korngrenser øker, noe som gjør at austenittkorngrensene blir skjøre.

In-line varmebehandlingsprosessen, som er energibesparende og har høy produktivitet, tenderer til å gi en økning i austenittkornstørrelse sammenlignet med off-line varmebehandlingsprosessen. Det er derfor vanskelig å tilfredsstille kravet til høy seighet ved anvendelse av in-line varmebehandlingsprosessen i de konvensjonelle metodene. Ved å regulere Mo-innholdet i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser i samsvar med foreliggende oppfinnelse derimot, er det imidlertid mulig å tilveiebringe høy seighet selv når in-line varmebehandlingsprosessen anvendes.

I tilfeller hvor off-line varmebehandlingsprosessen anvendes, er det selv-sagt mulig relativt lett å oppnå høy seighet selv når austenittkornstørrelsen økes for å forbedre herdbarheten.

Som det fremgår av resultatene angitt i det foregående, så gjør fremgangsmåten for fremstilling av stålrør i samsvar med foreliggende oppfinnelse det mulig å produsere, med høy ytelse, disse svært seige stålrørene for oljebrønner som skal anvendes i oljebrønnmiljøer som forventes å stadig bli mer krevende i fremtiden, samtidig som kravene til at kostnadene holdes på et forsvarlig nivå, produktiviteten forbedres og til energi spares.

INDUSTRIELL ANVENDBARHET

Stålmaterialet i henhold til oppfinnelsen og fremgangsmåten for å produsere stålrør under anvendelse av samme gjør det mulig å fremstille svært seige stålrør for oljebrønner ved valsing av basismaterialet, gløding av samme fra austenittområdet og gløding av samme mens forholdet mellom Mo-innholdet (masse%) i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser og austenittkornstør-relsen (i samsvar med ASTME 112) reguleres. Stålrør som er egnet for anvendelse i oljebrønnmiljøer som stadig blir hardere kan således produseres samtidig som kravene til at kostnader holdes på et forsvarlig nivå, og produktiviteten forbedres og energi spares. Stålrørene kan derfor anvendes som produkter for bruk i olje- og gass- brønnboring.

Claims

1. Stålmateriale med høy seighet, karakterisert vedat det inneholder, i masse%, C: 0,17 - 0,32%, Si: 0,1 - 0,5%, Mn: 0,30 - 2,0%, P: ikke mer enn 0,030%, S: ikke mer enn 0,010%, Cr:

0,10-1,50%, Mo: 0,01 - 0,80%, sol. Al: 0,001 - 0,100%, B: 0,0001 - 0,0020% og N: ikke mer enn 0,0070%, og eventuelt ett eller flere av Ti: 0,005 - 0,04%, Nb: 0,005 - 0,04% og V: 0,03 - 0,30%, idet balansen er Fe og forurensninger, hvori innholdet av Mo [Mo] i masse% i karbidene som utfelles ved austenittkorngrenser tilfredsstiller formel (a) under:

hvor G er austenittkornstørrelsestallet i samsvar med ASTM E 112.

2. Stålmateriale ifølge krav 1, hvori stålmaterialet inneholder, i masse% C: 0,20 - 0,28%.