NO338486B1

NO338486B1 - Ledningsrør av sømløse stålrør og fremgangsmåte for fremstilling derav.

Info

Publication number: NO338486B1
Application number: NO20080939A
Authority: NO
Inventors: Yuji Arai; Kunio Kondo; Tomohiko Omura; Nobuyuki Hisamune; Kenji Kobayashi
Original assignee: Sumitomo Metal Ind
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2016-08-22
Also published as: AU2006282410A1; US7931757B2; CA2620069A1; BRPI0615215A2; AR054935A1; BRPI0615216A2; CA2620054A1; BRPI0615362B1; BRPI0615362B8; EP1918398A4; EP1918400A1; WO2007023806A1; EP1918398B1; WO2007023804A1; US20090114318A1; AU2006282411A1; US7896985B2; EP1918397B1; EP1918397A1; JPWO2007023804A1

Description

Det tekniske området

Denne oppfinnelse vedrører et sømløst stålrør for bruk som ledningsrør og som har forbedret styrke, seighet, og korrosjonsmotstand. Et sømløst stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse har en styrke tilsvarende X80 klasse spesifisert av API (American Petroleum Institute) standarder og har spesifikt en flytegrense på 5624 til 6678 kg/cm<2>(en flytegrense på 551 til 655 MPa), og det har også god seighet og korrosjonsmotstand, spesielt god motstand mot sulfidspenningssprekking selv ved lave temperaturer. Det sømløse stålrør er derfor egnet for bruk som tykkveggede sømløse stålrør med høy styrke og høy seighet for ledningsrør spesielt for bruk i lavtemperaturomgivelser. F.eks. kan det anvendes som stålrør for ledningsrør for bruk i kalde regioner, som stålrør for havbunnsstrømningsledninger, og som stålrør for stigerør.

Bakgrunnsteknikk

I senere år, ettersom råolje- og naturgassressurser i oljefelt lokalisert på land eller i såkalte grunne havområder med en vanndybde på opptil omtrent 500 meter tømmes, blir utvikling av offshore oljefelt i såkalte dype havområder med dybde f.eks. 1000 til 3000 meter, under havoverflaten aktivt gjennomført. I oljefelt i dype havområder er det nødvendig å overføre råolje eller naturgass fra brønnhodet i en oljebrønn eller naturgassbrønn som er installert på havbunnen til en plattform lokalisert på overflaten ved bruk av stålrør referert til som strømningsrør eller stigerør.

I stålrør som utgjør strømningsledninger eller stigerør installert dypt i havet utøves et høyt indre fluidtrykk hvortil trykket av dype undergrunnslag tillegges, mot innsiden av rørene, og de utsettes også for effektene av vanntrykket i det dype hav når operasjonen stoppes. I tillegg er stålrør som danner stigerør utsatt for effektene av gjentatte påkjenninger som skyldes bølger. Videre faller sjøvannstemperaturen i dypet av havet til omtrent 4 °C.

Strømningsledninger er stålrør for transport og som installeres langs konturene av grunnen eller havbunnen. Et stigerør er stålrør for transport og som stiger fra havbunnen til en plattform på overflaten av havet. Når slike rør anvendes i oljefelt i dype havområder er det vanlig ansett nødvendig at veggtykkelsen i slike stålrør skal være minst 30 mm, og i reell praksis er det vanlig å anvende tykkveggede rør med en veggtykkelse på 40 til 50 mm. Fra dette faktum kan det ses at strømningsledninger og stigerør er elementer som anvendes under strenge betingelser.

Den olje som produseres i oljebrønner og gassbrønner i dype havområder og som utvikles i de senere år inneholder ofte hydrogensulfid, som er korrosivt. I slike omgivelser utsettes høyfast stål for hydrogensprøhet referert til som sulfidspenningssprekking SSC ("sulfide stress cracking") og svikter til slutt. Tidligere ble tendensen til SSC sagt å være høyest ved romtemperatur, slik at en korrosjonsmotstandstest for evaluering av motstand mot SSC ble gjennomført i en romtemperaturomgivelse. Det er imidlertid blitt funnet at i virkeligheten er utsattheten for sulfidspenningssprekking høyere og sprekking foregår lettere i en lavtemperaturomgivelse på omtrent 4 °C enn ved romtemperatur.

I et stålrør for ledningsrør anvendt som strømningsledninger eller stigerør ønskes et materiale som fremviser ikke bare høy styrke og høy seighet men også god korrosjonsmotstand i en sulfidholdig omgivelse. I denne anvendelsestype anvendes sømløst stålrør heller enn sveiset rør for å oppnå høy pålitelighet.

Korrosjonsmotstand av stål for ledningsrør har hittil lagt vekt på hindring av hydrogenindusert sprekking HIC ("hydrogen induced cracking"), dvs. lagt vekt på motstanden mot HIC. Blant korrosjonsresistente stålrør med en styrke som overstiger styrken tilsvarende X80 klassen og som hittil er blitt beskrevet, er der mange som legger vekt på HIC motstanden. F.eks. beskriver JP 09-324216 A1, JP 09-324217 A1, og JP 11-189840 A1 stål for ledningsrør med styrke tilsvarende X80 klassen med utmerket HIC motstand. Med disse materialer forbedres HIC motstanden ved å kontrollere inklusjoner i stålet og øke herdbarheten. Med hensyn til motstanden mot SSC er der imidlertid ingen drøftelser deri vedrørende motstand mot SSC ved romtemperatur, for ikke å nevne motstanden mot SSC ved lave temperaturer.

Som beskrevet i det foregående, ettersom utviklingen av oljebrønner og gassbrønner i oljefelt i dype havområder går videre blir motstanden mot SSC av stålrør for ledningsrør anvendt som strømningsledninger eller stigerør stadig mer viktig. I en lavtemperaturomgivelse som f.eks. i olje- eller gassfelt i dype havområder øker utsattheten for SSC av høyfaste stål og spesielt med høyfaste stål med en flytegrense (YS) på minst 5624 kg/cm<2>(551 MPa) øker utsattheten for SSC i en grad som ikke kan ignoreres. Det foreligger derfor et behov for forbedring i motstanden mot SSC i sømløse stålrør for ledningsrør fremstilt fra høyfaste stål med styrke tilsvarende i det minste X80 klassen.

JP-A 2004 123 158 vedrører en prosessrute for å fremstille et sømløst stålrør som krever et Ni-innhold 0,05-1,5 vekt-%.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Formålet for den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et sømløst stålrør for ledningsrør med en høy styrke med stabil seighet og god motstand mot SSC, spesielt god motstand mot SSC i lavtemperaturomgivelser, og en fremgangsmåte for dets fremstilling.

De foreliggende oppfinnere undersøkte utsattheten for SSC ved romtemperatur og lave temperaturer av forskjellige stålmaterialer og de fant at utsattheten for SSC var høyere ved lave temperaturer enn ved romtemperatur for alle materialene. Ved å forfølge dette resultat gjennomførte de undersøkelser basert på den forutsetning at god motstand mot SSC ved lave temperatur ikke kan oppnås ved hjelp av konvensjonelle materialer som tar sikte på å forbedre motstand mot SSC ved romtemperatur, og at en ny materialkonstruksjon er nødvendig for å forbedre motstanden mot SSC ved lave temperaturer. Som et resultat identifiserte de den kjemiske sammensetning og mikrostruktur av et materiale som fremviser god motstand mot SSC ikke bare ved romtemperatur men også ved lave temperaturer.

I konvensjonelle høyfaste lavlegerte stål for ledningsrør hvori den kjemiske sammensetning er selektert slik at herdbarheten økes og avkjølingshastigheten økes for å oppnå en høy styrke ved hjelp av herding, endog selv om det er mulig å forbedre korrosjonsmotstand ved romtemperatur og spesielt motstand mot SSC, blir korrosjonsmotstanden i en lavtemperaturomgivelse ikke forbedret. Etter undersøkelse av den kjemiske sammensetning av stål og innvirkningen av avkjølingshastigheten med det formål å forbedre korrosjonsmotstanden ved lave temperaturer, ble det funnet at motstanden mot SSC ved lave temperaturer overraskende ble forbedret ved tilsetning av Mo for å øke herdbarheten og utglødningsmykningsmotstanden og ved å minske avkjølingshastigheten resulterte dette i dannelsen av en bainittisk-martensittisk dobbeltfasestruktur.

Den foreliggende oppfinnelse er et sømløst stålrør for ledningsrør og som har forbedret motstand mot sulfidspenningssprekking ved lave temperaturer,karakterisert vedat det har en kjemisk sammensetning som i masseprosent omfatter

C: 0,03-0,08 %, Si: 0,05-0,5 %, Mn: 1,0-3,0 %, Mo: 0,5 % til 1,2 %; Al: 0,005-0,100 %, Ca: 0,001-0,005 %,

idet resten er Fe og forurensninger som inkluderer N, P, S, 0 og Cu hvori innholdet av forurensninger er høyst 0,01 % for N, høyst 0,05 % for P, og høyst 0,01 % for S, høyst 0,01 % for O (oksygen), og høyst 0,01 % for Cu, og med en flytegrense (YS) på minst 5624 kg/cm<2>(551 MPa) og en spenningsintensiv faktor Kissc på minst 22,1 MPa(m)<1/2>som beregnet fra resultatene av en test utført i en omgivelse ved 4 °C ifølge DCB testmetode angitt i NACE TM0177-2005 method

D.

Den ovenfor beskrevne kjemiske sammensetning kan videre inneholde et eller flere elementer selektert fra Cr: høyst 1,0 %, Nb: høyst 0,1 %, Ti: høyst 0,1 %, Zr: høyst 0,1 %, V: høyst 0,2 %, og B: høyst 0,005 %.

En verdi Ki for den spenningsintensive faktor oppnådd fra en DCB test er

en indeks av minimumsverdien av K (intensitet i spenningsfeltet ved spissen av en sprekk) i stand til å tillate en sprekk å vokse under en gitt korrosiv omgivelse. Den indikerer at jo større verdien er desto lavere er utsattheten for sprekking i den gitte korrosive omgivelse.

I den foreliggende oppfinnelse evalueres motstanden mot sulfidspenningssprekking (motstand mot SSC) av et stål ved hjelp av en DCB (Double Cantilever Beam) test som gjennomføres i samsvar med NACE (National Association of Corrosion Engineers) TM0177-2005 method D, og en spenningsintensiv faktor Kissc i en sulfidkorrosiv omgivelse beregnes fra de målte verdier fra testen. Testbadet var en vandig 5 vekt% natriumklorid + 0,5 vekt% eddiksyreoppløsning mettet med 1 atm. hydrogensulfidgass ved en lav temperatur (4 °C).

Et prøvestykke hvori en foreskrevet splitt ble innført langs den langsgående senterlinje av prøvestykket slik at det ble utøvet spenning i de retninger som de resulterende to armer åpner seg (nemlig i retninger som sprekken forlenges ved roten av armene) neddykkes i 336 timer i testbadet. Den spenningsintensive faktor Kissc beregnes ved hjelp av den følgende ligning basert på den forlengede sprekklengde a og den splittutløsende spenning P.

hvori B er tykkelsen av prøvestykket, h er vidden av hver av de to armer på de to sider av sprekken, og Bn er tykkelsen av den del av prøvestykket hvori sprekken forplanter seg.

Den forenklede modell vist i fig. 4 anvendes for videre forklaring. Ved å anta at et materiale med uendelige dimensjoner har en initial sprekk (eller en defekt dannet ved korrosjon) med en dybde a, når spenningen a utøves på materialet i de retninger hvori sprekken åpner seg som vist ved pilene, uttrykkes spenningsintensitetsfaktoren Ki ved hjelp av den følgende ligning: Ki = a Vrcax 1,1215 [=o (:ra)<1/2>1,1215]

Jo dypere den initiale sprekk og jo høyere den spenning som utøves er, desto større er således verdien av Ki. Dybden av den initiale sprekk kan anslås å være høyst 0,5 mm. Med hensyn til den spenning som pålegges, i lys av styrken av stål med styrke tilsvarende X80 klassen spesifisert av API og som er 5624-6678 kg/cm<2>(551-655 MPa) i flytegrense (YS), er en spenning som generelt utøves i en korrosjonsmotstandstest 90 % av flytegrensen YS, som er beregnet ved 5062-6011 kg/cm<2>(496-590 MPa). Verdien av Ki tilsvarende slik spenningsverdi er beregnet å være 22,1 MPa-(m)<1/2>- 26,2 MPa-(m)<1/2>.

Et sømløst stålrør for ledningsrør ifølge den foreliggende oppfinnelse har en verdi av stressintensiv faktor Kissc ved 4 °C på minst 22,1 MPa-(m)<1/2>. Dette betyr at det sømløse stålrør har forbedret motstand mot SSC tilstrekkelig til å hindre forekomsten av sulfidkorrosjonssprekking i en standard SSC motstandstest for stål med styrke tilsvarende X80 klassen selv ved en lav temperatur ved hvilken utsattheten for SSC er høyere enn ved romtemperatur. Verdien av Kissc ved 4 °C er foretrukket minst 26,2 MPa-(m)<1/2>. I dette tilfellet oppnås en ekstrem høy motstand mot SSC hvorved sprekking hindres endog i en SCC motstandstest hvori den utøvede spenning er 90 % av den maksimale styrke av stål med styrke tilsvarende X80 klassen (6678 kg/cm<2>i flytegrense YS).

Fra et ytterligere synspunkt er den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av et sømløst stålrør for ledningsrør og som

omfatter dannelse av et sømløst stålrør ved varmbearbeiding fra en stålvalseblokk med den ovenfor beskrevne kjemiske sammensetning og underkaste stålrøret for bråkjøling med en avkjølingstakt på høyst 20 °C per sekund etterfulgt av utgløding.

Som anvendt heri menes med "avkjølingstakten" for bråkjøling den gjennomsnittlige avkjølingstakt ved senter av rørveggens tykkelse i temperaturområdet fra 800 °C til 500 °C.

Bråkjølingen kan gjennomføres ved først å avkjøle det sømløse stålrør fremstilt ved varmbearbeiding og deretter gjenoppvarme røret, eller den kan utføres derpå umiddelbart etter dannelsen av det sømløse stålrør ved varmbearbeiding. Utgløding gjennomføres foretrukket ved en temperatur på minst 600 °C.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse, ved å foreskrive den kjemiske sammensetning, dvs. stålsammensetningen, og fremgangsmåten for fremstilling av et sømløst stålrør på den måte som er forklart i det foregående, kan et sømløst stålrør for ledningsrør og som har en høy styrke tilsvarende X80 klassen (en flytegrense på minst 551 MPa) og en stabil seighet og som har en god motstand mot SSC ved lave temperaturer slik at det kan anvendes i en lavtemperaturomgivelse inneholdende hydrogensulfid som f.eks. oljefelt i dype havområder, fremstilles nettopp ved varmebehandling i form av bråkjøling og utgløding endog i tilfellet av et tykkvegget sømløst stålrør med en tykkelse på minst 30 mm.

Som anvendt heri betyr "ledningsrør" en rørformet struktur som anvendes for transport av et fluid som f.eks. råolje eller naturgass og som selvfølgelig kan anvendes på land så vel som på eller i havet. Et sømløst stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse er spesielt for bruk som ledningsrør som f.eks. strømningsledninger eller stigerør installert på eller i dypt hav og som ledningsrør installert i kalde regioner. Dets anvendelse er imidlertid ikke begrenset til det som her er angitt.

Der er ingen spesielle begrensninger med hensyn til formen og dimensjoner av et sømløst stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse, mer der er grenser for dimensjonene av et sømløst stålrør på grunn av dets fabrikasjonsprosess, og normalt er dets ytre diameter et maksimum på omtrent 500 mm og et minimum på omtrent 150 mm. Veggtykkelsen av stålrøret er ofte minst 30 mm (som f.eks. 30-50 mm) i tilfellet av strømningsledninger og stigerør, men i tilfellet av ledningsrør anvendt på land kan røret være et mye tynnere rør som f.eks. et rør med en tykkelse på 5-30 mm og typisk omtrent 10-25 mm.

Et sømløst stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse for ledningsrør har tilstrekkelige mekaniske egenskaper og korrosjonsmotstand for anvendelse som stigerør og strømningsledninger spesielt i oljefelt i dype havområder og som kan inneholde hydrogensulfid og har en lav temperatur, slik at oppfinnelsen har praktisk betydning ved at den sterkt bidrar til stabile energitilførsler.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er en graf som viser effekten av Mo innholdet i stål på flytegrensen (YS) og den stressintensive faktor (Kissc). Fig. 2 er en graf som viser innvirkningen av avkjølingstakten ved bråkjøling på flytegrensen (YS) og den spenningsintensive faktor (Kissc) hvori avkjølingstakten varieres ved tykkelsen av en plate. Fig. 3 er en graf som viser forholdet mellom flytegrensen (YS) og den spenningsintensive faktor (Kissc) for et stål med en avkjølingstakt ved bråkjøling på høyst 20 °C per sekund (svart trekant) og for et stål for hvilken avkjølingstakten overstiger 20 °C per sekund (åpen trekant). Fig. 4 er et forklarende skjema av en modell som viser veksten eller forplantningen av en sprekk av åpen type.

Beste måte for utøvelse av oppfinnelsen

Grunnen til å foreskrive den kjemiske sammensetning av et stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse på den foregående måte skal beskrives. Som tidligere nevnt betyr prosent i forbindelse med innholdet (konsentrasjonen) av kjemiske komponenter masseprosent.

C: 0,03 - 0,08 %

C er nødvendig for å øke herdbarheten av stål og således øke dets styrke, og settes til minst 0,03 % for å oppnå tilstrekkelig styrke. Hvis for mye C inneholdes minsker seigheten av stål slik at dets øvre grense settes til 0,08 5. C innholdet er foretrukket minst 0,04 % og høyst 0,06 %.

Si: 0,05 - 0,5 %

Si er et element som er effektivt for deoksidasjon av stål. Det er nødvendig å tilsette minst 0,05 % Si som minimumsmengden nødvendig for deoksidasjon. Si har imidlertid effekten med å minske seigheten av en sveisevarmepåvirket sone ved tidspunktet for omkretssveising for å forbinde ledningsrør og dets innhold er således så lite som mulig. Tilsetningen av 0,5 % eller mer Si bevirker at seigheten av stålet minsker markert og fremmer utfellingen av en ferritt fase som er en myknet fase, slik at motstanden mot SSC av stålet minsker. Den øvre grense for Si innholdet settes derfor til 0,5 %. Si innholdet er foretrukket høyst 0,3 %.

Mn: 1,0-3,0 %

Det er nødvendig å tilsette en viss mengde Mn for å øke herdbarheten og således styrken av stålet og å sikre dets seighet. Hvis dets innhold er mindre enn 1,0 % oppnås ikke disse virkninger. Ettersom et altfor høyt Mn innhold resulterer i en minsking i motstanden mot SSC av stålet er imidlertid dets øvre grense satt til 3,0 %. I lys av seigheten settes den nedre grense for Mn innholdet foretrukket til 1,5 %.

P: høyst 0,05 %

P er en forurensning som segregerer ved korngrenser og bevirker en minsking i motstanden mot SSC. Denne effekt blir markert hvis dets innhold overstiger 0,05 % slik at dets øvre grense settes til 0,05 %. Innholdet av P settes foretrukket så lavt som mulig.

S: høyst 0,01 %

I likhet med P vil også S segregere ved korngrenser og bevirke en minsking i motstanden mot SSC. Hvis dets innhold overstiger 0,01 % blir denne effekt markert slik at dets øvre grense settes til 0,01 %. Innholdet av S settes foretrukket så lavt som mulig.

Mo: 0,5% til 1,2 %

Mo er et viktig element som kan øke herdbarheten av stål og således øke dets styrke og som samtidig øker motstanden mot utglødningsmykning av stålet slik at det muliggjør høytemperaturutglødning for å øke seighet. For å oppnå denne effekt er det nødvendig at innholdet av Mo overstiger 0,5 %. Den øvre grense for Mo innholdet settes til 1,2 % på grunn av at Mo er et dyrt element og økningen i seighet flater.

Al: 0,005-0,100 5

Al er et element som er effektivt for deoksidasjon av stål men denne effekt kan ikke oppnås hvis dets innhold er mindre enn 0,005 %. Endog om dets innhold overstiger 0,100 % avflates dets virkning. Et foretrukket område for Al innholdet er 0,01-0,05 %. Innholdet av Al i den foreliggende oppfinnelse angis som syreoppløselig Al (referert til som sol.AI).

N: høyst 0,01 %

N (nitrogen) er til stede i stål som en forurensning. Hvis dets innhold overstiger 0,01 % dannes grove nitrider slik at seigheten og motstanden mot SSC av stål minsker. Følgelig settes dets øvre grense til 0,01 %. Innholdet av N (nitrogen) settes foretrukket så lavt som mulig.

O: høyst 0,01 %

0 (oksygen) er til stede i stål som en forurensning. Hvis dets innhold overstiger 0,01 % danner det grove oksider slik at seigheten og motstanden mot SSC av stål minsker. Følgelig settes dets øvre grense til 0,01 %. Innholdet av O (oksygen) er foretrukket så lavt som mulig.

Ca: 0,001 - 0,005 %

Ca tilsettes med det formål å forbedre seigheten og korrosjonsmotstanden av stål ved å kontrollere formen av inklusjoner og med det formål å forbedre støpeegenskaper ved å undertrykke dyse tilstopping ved tidspunktet for støping. For å oppnå disse effekter tilsettes minst 0,001 % Ca. Hvis for mye tilsettes danner inklusjoner lett klaser og seigheten og korrosjonsmotstanden minsker, slik at dets øvre grense settes til 0,005 %.

Cu: høyst 0,1 % (forurensning)

Cu er et element som generelt øker korrosjonsmotstanden av stål, men det er funnet at når Cu tilsettes sammen med Mo minsker det motstanden mot SSC av stål og at denne innvirkning av Cu er spesielt markert i en

lavtemperaturomgivelse. Ettersom et sømløst stålrør for ledningsrør ifølge den foreliggende oppfinnelse inneholder Mo i en større mengde enn vanlig som

beskrevet i det foregående og er forventet for bruk i en lavtemperaturomgivelse tilsettes ikke Cu for å sikre motstanden mot SSC av stål. Cu er imidlertid et element som har muligheten til at en liten mengde er inkludert i stål som en forurensning i stålfremstillingsprosessen. Mengden blir derfor kontrollert slik at et innhold er høyst 0,1 % som ikke frembringer noen vesentlig skadelig virkning på korrosjonsmotstanden når det er til stede sammen med Mo.

Styrken, seigheten, og/eller korrosjonsmotstanden av et sømløst stålrør for ledningsrør ifølge den foreliggende oppfinnelse kan økes ytterligere ved tilsetning etter behov av i det minste et element selektert fra den ovenfor beskrevne blanding.

Cr: høyst 1,0 %

Cr kan øke herdbarheten av stål og således øke dets styrke slik at det kan tilsettes om nødvendig. Nærværet av for mye Cr reduserer imidlertid seigheten av stål, slik at den øvre grense av Cr innholdet settes til 1,0 %. Der er ingen spesiell nedre grense, men for å øke herdbarheten er det nødvendig å tilsette minst 0,02 % Cr. Den nedre grense av Cr innholdet som tilsettes er foretrukket 0,1 %.

Nb, Ti og Zr: høyst 0,1 % av hver av disse

Nb, Ti og Zr kombinerer hvert med C og N til å danne et karbonitrid og de er således effektive ved kornraffinering ved hjelp av "pinning" effekten og forbedre de mekaniske egenskaper som f.eks. seighet, slik at de kan tilsettes etter behov. For å oppnå denne effekt med visshet tilsettes foretrukket minst 0,002 % for hvert element. Hvis innholdet av noen av disse overstiger 0,1 % vil dets effekt avflates slik at den øvre grense for hvert settes til 0,1 %. Et foretrukket innhold for hver er 0,01 - 0,05 %.

V: høyst 0,2 %

V er et element hvis innhold bestemmes basert på likevekten mellom styrke og seighet. Når en tilstrekkelig styrke oppnås med andre legeringselementer oppnås en bedre seighet ved ikke å tilsette V. Tilsetningen av V bevirker imidlertid dannelsen av små karbider med Mo i form av MC (hvori M er V og Mo) som har virkningene med å undertrykke dannelsen av asikulært M02C (som blir utgangspunktet for SSC) og som kan forekomme når Mo overstiger 1,0 %, og økning av bråkjølingstemperaturen. Fra dette synspunkt tilsettes V foretrukket i en mengde på minst 0,05 % og i balanse med Mo innholdet. Hvis for mye V tilsettes når mengden av fast oppløst V dannet ved tidspunktet for bråkjøling metning og effekten med å øke bråkjølingstemperaturen virker også mettende slik at dets øvre grense settes til 0,2 %.

B: høyst 0,005 %

B har den virkning at det fremmer dannelsen av grove korngrensekarbider M23C6(hvori M er Fe, Cr eller Mo) slik at motstanden mot SSC av stålet minsker. B har imidlertid effekten med å øke herdbarheten slik at det kan tilsettes etter behov i et passende område på høyst 0,005 % hvori dets virkning på motstanden mot SSC er liten og hvori det kan forventes å øke herdbarheten. For å oppnå denne effekt av B tilsettes det foretrukket i en mengde på minst 0,0001 %.

Deretter skal en fremgangsmåte for fremstilling av et sømløst stålrør ifølge den foreliggende oppfinnelse for ledningsrør forklares. I denne oppfinnelse, bortsett fra varmebehandling for å øke styrken etter rørdannelse (bråkjøling og utgløding) er der ingen spesielle begrensninger på selve fabrikasjonsmetoden, og denne kan gjennomføres i samsvar med en vanlig fabrikasjonsmetode. Ved passende å selektere den kjemiske sammensetning av stålet og varmebehandlingsbetingelsene etter rørdannelsen er det mulig å fremstille et sømløst stålrør med høy styrke med stabil seighet og med god motstand mot SSC endog ved lave temperaturer. I det følgende skal foretrukne fremstillingsbetingelser i en fremgangsmåte for fremstilling ifølge oppfinnelsen beskrives.

Dannelse av et sømløst stålrør:

Smeltet stål som fremstilles slik at det har den ovenfor beskrevne stålsammensetning dannes ved hjelp av en kontinuerlig støpemetode f.eks. til et støpestykke med et rundt tverrsnitt som kan anvendes som et emnemateriale for valsing (valseblokk) eller til et støpestykke med et rektangulært tverrsnitt, hvorfra en valseblokk med et rundt tverrsnitt dannes ved valsing. Den resulterende valseblokk dannes til et sømløst rør ved hjelp av gjennomtrengning, langsgående valsing og dimensjonsvalsing i varm tilstand, og glattvalsing i varm tilstand.

Fabrikasjonsbetingelsene for rørdannelse kan være de samme som konvensjonelle fabrikasjonsbetingelserfor et sømløst stålrør ved hjelp av varmbearbeiding og der er ingen spesielle begrensninger for dette i den foreliggende oppfinnelse. For å sikre god herdbarhet ved tidspunktet for etterfølgende varmebehandling ved hjelp av formkontroll av inklusjoner er imidlertid oppvarmingstemperaturen ved tidspunktet for varmgjennomtrengning foretrukket minst 1150 °C, og temperaturen ved avslutning av valsingen er foretrukket høyst 1100 °C.

Vannbehandling etter rørdannelse:

Et sømløst stålrør fremstilt ved hjelp av rørdannelse underkastes varmebehandling i form av bråkjøling og utgløding. Bråkjølingsmetoden kan enten være en metode hvori et varmt stålrør som initialt er dannet blir avkjølt og bråkjølt og blir så behandlet ved gjenoppvarming etterfulgt av hurtig avkjøling, eller en metode hvor bråkjøling utføres umiddelbart etter rørdannelsen ved hurtig avkjøling uten gjenoppvarming med anvendelse av varmeinnholdet i det varmbearbeidede stålrør.

Når et stålrør initialt avkjøles før bråkjøling er temperaturen ved fullføring av avkjølingen ikke begrenset. Røret kan tillates å avkjøles til romtemperatur og deretter gjenoppvarmes for bråkjøling, eller det kan være avkjølt til omtrent 500 °C ved hvilken temperatur omdannelse foregår og deretter gjenoppvarmes for å gjennomføre bråkjøling, eller etter at det er blitt avkjølt under transport til en gjenoppvarmingsovn kan det umiddelbart oppvarmes i gjenoppvarmingsovnen for bråkjøling. Gjenoppvarmingstemperaturen er foretrukket 880 -1000 °C.

Den hurtige avkjøling for bråkjøling gjennomføres foretrukket med en forholdsvis sakte avkjølingstakt på høyst 20 °C per sekund (som den gjennomsnittlige avkjølingstakt fra 800 °C til 500 °C ved senter av rørveggens tykkelse). Som et resultat dannes en bainittisk-martensittisk dobbeltfasestruktur. Etter å ha vært underkastet utgløding har stål med denne dobbelte fasestruktur en høy styrke og høy seighet og det kan fremdeles utvise god motstand mot SSC endog ved lave temperaturer hvor utsattheten for SSC er økt. Hvis avkjølingstakten er høyere enn 20 °C per sekund blir den resulterende herdede struktur en enkelt martensittisk fase og motstanden mot SSC ved lave temperaturer minsker sterkt selv om styrken øker. Et foretrukket område for avkjølingstakten for bråkjøling er 5 til 15 °C per sekund. Hvis avkjølingstakten er for lav blir bråkjøling utilstrekkelig og styrken minker. Avkjølingstakten i bråkjølingen kan kontrolleres ved tykkelsen av stålrøret og strømningsmengden av kjølevann.

Utgløding etter bråkjøling gjennomføres foretrukket ved en temperatur på minst 600 °C. I den foreliggende oppfinnelse, ettersom stålet har en kjemisk sammensetning som inneholder en forholdsvis stor mengde Mo, har det en høy motstand mot utglødningsmyking slik at det er mulig å gjennomføre utglødingen ved en høy temperatur på i det minste 600 °C, hvorved det er mulig å øke seighet og forbedre motstand mot SSC. Der er ingen spesiell øvre grense for utglødingstemperaturen men normalt overstiger den ikke 700 °C.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det således mulig på en stabil måte å fremstille et sømløst stålrør på ledningsrør med en høy styrke tilsvarende X80 klassen eller mer med høy seighet og med den ovennevnte verdi av Kissc og god motstand mot SSC ved lave temperaturer på grunn av strukturen som er en bainittisk-martensittisk dobbeltfasestruktur.

De følgende eksempler illustrerer effektene av den foreliggende oppfinnelse men begrenser ikke på noen måte den foreliggende oppfinnelse. I eksemplene 1 og 2 ble egenskapene evaluert ved bruk av en tykk plate som var blitt underkastet varmbearbeiding og varmebehandling ekvivalent til fabrikasjonsbetingelsene for et sømløst stålrør. Testresultatene for en tykk plate kan anvendes for å evaluere ytelsen av et sømløst stålrør.

Eksempel 1

50 kg av hvert av stålene med de kjemiske sammensetninger vist i tabell 1 ble fremstilt ved hjelp av vakuumsmelting og etter oppvarming til 1250 °C ble de formet ved varmsmiing til blokker med en tykkelse på 100 mm. Disse blokker ble oppvarmet til 1250 °C og ble så formet ved varmvalsing til flater med en tykkelse på 40 mm eller 20 mm. Etter at disse plater var opprettholdt ved 950 °C i 15 minutter ble de bråkjølt ved hjelp av vannavkjøling under de samme betingelser og deretter underkastet utgløding ved å opprettholde dem i 30 minutter ved 650 °C (eller ved 620 °C for noen plater) før de fikk avkjøle seg og platene ble så anvendt

for testing. Avkjølingstakten under vannavkjøling ble anslått til å være omtrent 40 °C per sekund for en platetykkelse på 20 mm og omtrent 10 °C per sekund for en platetykkelse på 40 mm.

I tabell 1 er Ceq og Pcm begge verdier for C ekvivalenter som indekser for herdbarhet beregnet ved hjelp av de følgende formler:

Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15,

Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B.

Styrken av hvert testmateriale ble evaluert ved å anvende et JIS nr. 12 strekkprøvestykke tatt fra materialet og måle dets flytegrense (YS) ved hjelp av en strekktest som ble gjennomført i samsvar med JIS Z 2241.

Motstanden mot SSC av hvert testmateriale ble evaluert ved hjelp av en DCB (Double Cantilever Beam) test. Et DCB prøvestykke med tykkelse 10 mm, bredde 25 mm og lengde 100 mm ble tatt fra hvert testmateriale og underkastet en DCB test som ble gjennomført i samsvar med NACE (National Association of Corrosion Engineers) TM0177-2005 method D. Testbadet var en vandig 5 vekt% natriumklorid + 0,5 vekt% eddiksyreoppløsning mettet med 1 atm. hydrogensulfidgass (i det følgende referert til som bad A) ved omgivelsenes temperatur (24 °C) eller ved en lav temperatur (4 °C).

Et prøvestykke hvori en foreskrevet rift ble innført langs den langsgående senterlinje av prøvestykket slik at det ble påført en spenning i retningene slik at de resulterende to armer åpner seg (nemlig i den retning som sprekken utvider seg ved roten av armene) ble neddykket i 336 timer i bad A ved 24 °c eller ved 4 °C. Verdien av den spenningsintensive faktor Kissc ble beregnet ved hjelp av den følgende ligning basert på den utvidede sprekklengde a av prøvestykket observert etter neddykking og den riftutløsende spenning P. Et testmateriale hvori verdien av Kissc verdien var minst 22,1 MPa(m)<1/2>tilsvarende et materiale med en flytegrense YS på 5624 kg/cm<2>(minimum flytegrense YS for styrke tilsvarende 5624 kg/cm<2>klassen) ble bestemt å ha god motstand mot SSC, og et testmateriale hvori verdien av Kissc verdien var minst 26,3 MPa (m)<1/2>tilsvarende et materiale med en flytegrense YS på 6678 kg/cm<2>(maksimum flytegrense YS for 5624 kg/cm<2>styrkeklassen) ble bestemt å ha en meget god motstand mot SSC.

hvori B er tykkelsen av prøvestykket, h er vidden av hver av de to armer på begge sider av sprekken, og Bn er tykkelsen av den del av prøvestykket hvori sprekken forplanter seg. Figurene 1 og 2 er grafer som viser resultatene av DCB testen, idet abscissen er flytegrensen YS av stål og ordinaten er verdien av Kissc. Fig. 1 viser resultatene for de fire stål i tabell 1 med et Mo innhold på 0,2 %, 0,5 %, 0,7 % og 1,0 % (stål 1-4) ved en testtemperatur på 24 °C (åpne sirkler) og 4 °C (sorte sirkler) for en platetykkelse på både 20 mm og 40 mm. Der er to av hvert symbol, idet symbolet på den høyre side viser resultatet for en platetykkelse på 20 mm og symbolet på venstre side viser resultatet for en platetykkelse på 40 mm.

Fra fig. 1 ble det fastslått at verdien av Kissc (motstanden mot SSC) minsker ettersom styrken (YS) øker og den målte temperatur minsker. For å unngå et materiale som inneholder en økt mengde av Mo og således har en økt styrke, ble imidlertid en forholdsvis høy verdi av Kissc oppnådd selv ved en lav temperatur. Dette resultat betyr at hvis høytemperaturutglødningen muliggjøres ved tilsetning av Mo slik at styrke og seighet øker, er det mulig å øke motstanden mot SSC.

Fig. 2 er en graf som separat viser testresultatene for en platetykkelse på 20 mm og en platetykkelse på 40 mm med en testtemperatur på 4 °C. For hver platetykkelse jo mer Mo innholdet økte og styrken økte, desto lavere var verdien av Kissc (motstanden mot SSC minsket nemlig). Innvirkningen av platetykkelsen ved tidspunktet for varmebehandling ble fastslått ved å sammenligne resultatene for forskjellige platetykkelsen Det kan ses at en større platetykkelse ved tidspunktet for varmebehandling (og følgelig en mer sakte avkjølingstakt) ga en høyere verdi av Kissc.

Som vist ved resultatene i fig. 2, ved å øke styrken ved tilsetning av Mo og ved å senke avkjølingstakten ved tidspunktet for varmebehandling av materialet slik at det ble dannet en bainittisk-martensittisk dobbelfasestruktur, ble verdien av Kissc økt. Med et testmateriale med en platetykkelse på 40 mm hvori strukturen var dobbeltfasestrukturen, var det mulig å oppnå et materiale med meget god motstand mot SSC ved en lav temperatur hvori YS var 6678 kg/cm<2>og verdien av Kissc var minst 26,3 Mpa(rn)172.

Eksempel 2

Eksempel 1 ble gjentatt ved bruk av stål A-G med de kjemiske sammensetninger vist i tabell 2. Stål A-C var materialer som hadde en kjemisk sammensetning i området for den foreliggende oppfinnelse og en platetykkelse på 40 mm slik at varmebehandlingen ble foretatt under betingelser slik at avkjølingstakten ved tidspunktet for bråkjøling var høyst 20 °C per sekund (avkjølingstakten var sakte). På den annen side var stål D-E materialer for hvilke den kjemiske sammensetning av stålet var innenfor rammen for den foreliggende oppfinnelse men platetykkelsen var 20 mm slik at avkjølingstakten ved tidspunktet for bråkjøling oversteg 20 °C per sekund (avkjølingstakten var hurtig). Stål F-G ble materialer for hvilke platetykkelsen var 40 mm slik at avkjølingstakten ved tidspunktet for bråkjøling var høyst 20 °C per sekund men den kjemiske sammensetning av stålet var utenfor området for den foreliggende oppfinnelse.

I dette eksempel ble både flytestyrken og strekkstyrken målt i strekktesten. Korrosjonsmotstandstesten ble gjennomført ved 4 °C og 24 °C på den samme måte som i eksempel 1. Disse testresultater er oppført i tabell 2.

Som vist i tabell 2, for stål A-C som er eksempler på den foreliggende oppfinnelse, uansett testtemperaturen, oversteg verdien av Kissc ved 4 °C verdien på 22,1 MPa(m)<1/2>som kreves for et materiale med det minimums styrkenivå for X80 klasse stål og oversteg endog verdien av 26,3 MPa(m)<1/2>som er nødvendig for et materiale med det maksimum styrkenivå for X80 klassen, og det ble bekreftet at motstanden mot SSC var meget god. I motsetning til dette var for stål D og E som var sammenligningseksempler, verdien for Kissc ved en lav temperatur signifikant lavere enn det minimums akseptable nivå på 22,1 MPa(m)<1/2>som indikerte en signifikant økning i motstanden mot SSC. Årsaken til denne minsking tenkes å være at avkjølingstakten var høy, slik at en enkelt martensittisk fase ble dannet. På lignende måte ble en ekstremt forverret motstand mot SSC hvori sprekken ble forlenget til å løpe gjennom prøvestykket funnet for stål F og som skyldtes at Mo var utilstrekkelig, og for stål D på grunn av den kombinerte tilsetning av Mo og Cu.

Med hvert av stålene A-C, som var eksempler ifølge den foreliggende oppfinnelse, ble mikrostrukturen av stål ansett å være en bainittisk-martensittisk dobbeltfase i betraktning av verdien av dets styrke. I motsetning, med hvert av stålene D og E, ble det betraktet til å være en enkelt martensittisk fase i betraktning av verdien av dets styrke.

Fig. 3 er en graf som viser verdien av Kissc ved 4 °C for mange teststål inklusive de som er vist i tabell 2 sammen med verdien av flytegrensen YS. I figuren viser de svarte triangler resultatene for stål A-C i rekkefølge fra venstre (nemlig eksempler for hvilke avkjølingstakten ved tidspunktet for bråkjøling var høyst 20 °C per sekund). De resterende åpne trekanter er eksempler for hvilke platetykkelsen var 20 mm og avkjølingstakten var hurtig. Når avkjølingstakten oversteg 20 °C per sekund kan det ses at verdien av Kissc faller under 26,3 Mpa(m)<1/2>ved det punkt hvor flytegrensen YS er 6678 kg/cm<2>som er maksimumsverdien for 5624 kg/cm<2>klasse stål, som indikerer at det ikke er mulig å oppnå en god motstand mot SSC ved lave temperaturer.

I de foregående eksempler, når platetykkelsen var 20 mm, var avkjølingstakten ved tidspunktet for bråkjøling hurtig, og den bainittiske-martensittiske dobbeltfasestruktur ble ikke oppnådd, med det resultat at motstanden mot SSC minsket. Endog selv om platetykkelsen er 20 mm eller tynnere kan imidlertid den bråkjølte struktur selvfølgelig gjøres til den ovenfor beskrevne dobbeltfasestruktur ved å styre strømningstakten av kjølevannet slik at det oppnås en god motstand mot SSC. Følgelig er den foreliggende oppfinnelse ikke begrenset til et tykkvegget sømløst stålrør.

Referanseeksempel

En sylindrisk stålblokk med en kjemisk sammensetning vist i tabell 3 (hvori et Cu innhold på mindre enn 0,01 % indikerer at dette innhold er lavere enn grensen for deteksjon, nemlig se ut som en forurensning) ble fremstilt ved konvensjonell smelting, støping og grovvalsing. Stålblokken ble anvendt som en valseblokk (emnemateriale for valsing) og den ble underkastet gjennomtrengning, trekking (forlengelse) og blankvalsing i varm tilstand i et rørvalseverk av Mannesmann spindelvalseverktypen for å danne et sømløst stålrør med en ytre diameter på 323,9 mm og en veggtykkelse på 40 mm. Umiddelbart etter fullført valsing ble det resulterende stålrør bråkjølt med en avkjølingstakt på 15 °C per sekund og deretter underkastet utglødning ved utjevningsoppvarming i 15 minutter ved 650 °C etterfulgt av at røret fikk avkjøle seg. Det ble fremstilt et sømløst stålrør med en flytegrense på 5793 kg/cm<2>(568 MPa).

For å teste motstanden mot SSC ble et prøvestykke med dimensjoner 2 mm tykkelse, 10 mm bredde og 75 mm lengde tatt fra en sentral del av veggtykkelsesretningen hvor lengden av prøvestykket strakte seg langs lengdeaksen av røret. Det anvendte testbad var en vandig 21,4 % natriumklorid + 0,007 vekt% natriumhydrogenkarbonatoppløsning ved en lav temperatur (4 °C) som var mettet med en blandet gass av 0,41 atm. hydrogensulfidgass og 0,59 atm. karbondioksidgass (referert til i det følgende som bad B).

Etter at en belastning tilsvarende 90 % spenning av flytegrensen YS av materialet var utøvet på prøvestykket ved hjelp av belastningsmetoden anvendt i en firepunkts bøyetest ble prøvestykket neddykket i bad B i 720 timer. Etter neddykking ble prøvestykket kontrollert om det forekom sprekking (SSC) og det ble funnet at det ikke forekom noen sprekking (SSC). Dette resultat bekreftet at stålrøret hadde god motstand mot SSC ved lave temperaturer også i form av et stålrør.

Claims

1. Sømløst stålrør for ledningsrør med forbedret motstand mot sulfidspenningssprekking ved lave temperaturer, karakterisert vedat det har en kjemisk sammensetning bestående i masseprosent av: C: 0,03-0,08 %, Si: 0,05-0,5 %, Mn: 1,0-3,0 %, Mo: 0,5 til 1,2 %; Al: 0,005-0,100 %, Ca: 0,001-0,005 %, Cr: 0-1,0 %, Nb: 0-0,1 %, Ti: 0,-0,1 %, Zr: 0-0,1 %, V: 0-0,2 %, B: 0-0,005 %, idet resten er Fe og forurensninger, idet innholdet av forurensninger er høyst 0,01 % for N, høyst 0,05 % for P, høyst 0,01 % for S, høyst 0,01 % for O, og høyst 0,01 % for Cu, og hvor røret har en flytegrense (YS) på minst 5624 kg/cm<2>og har en spenningsintensiv faktor Kissc på minst 22,1 MPa(m)<1/2>som beregnet fra resultatene av en test utført i en omgivelse ved 4 °C ifølge DCB testmetoden angitt i NACE TM0177-2005 method D.

2. Sømløst stålrør ifølge krav 1 for ledningsrør, karakterisert vedat den kjemiske blanding i masseprosent inneholder et eller flere elementer selektert fra Cr: 0,02-1,0 %, Nb: 0,002-0,1 %, Ti: 0,002-0,1 %, Zr: 0,002-0,1 %, , V: 0,05-0,2 %, og B: 0,0001-0,005%.

3. Fremgangsmåte for fremstilling av et sømløst stålrør for ledningsrør omfattende tildannelse av et sømløst stålrør i en varm tilstand fra en stålvalseblokk med en kjemisk sammensetning som angitt i krav 1 eller 2 og underkasting av stålrøret for bråkjøling på en slik måte at den gjennomsnittlige avkjølingstakt ved senter av rørets veggtykkelse i temperaturområdet fra 800 °C til 500 °C er 20 °C per sekund eller lavere etterfulgt av utgløding.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert vedat utglødingen gjennomføres ved en temperatur på 600 °C eller høyere.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert vedat det sømløse stålrør fremstilt i en varm tilstand avkjøles initialt og deretter gjenoppvarmes for bråkjøling.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert vedat det sømløse stålrør fremstilt i en varm tilstand umiddelbart underkastes bråkjøling.