NO339014B1 - Sveiset rørledningsstruktur med forbedret motstand mot stresskorrosjonssprekkdannelse - Google Patents

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse omhandler en sveiset struktur med forbedret motstand mot stresskorrosjonssprekkdannelse. Mer spesifikt omhandler den en sveiset struktur som inkluderer en sveiset skjøt for rustfrie martensittstålrør for anvendelse i rørledninger for transport av fluider, slik som petroleum og naturgass, som er korrosive overfor metaller.

Bakgrunnsteknikk

Petroleum og naturgass produsert i oljefelt og gassfelt inneholder korrosive gasser slik som karbondioksid (CO2, kullsyregass) og hydrogensulfid (H2S) som assosierte gasser, slik at de er korrosive overfor metaller. Følgelig er svært god korrosjonsmotstand nødvendig hvis stålmaterialer benyttes i rørledninger for transport av fluider, slik som petroleum og naturgass, som har slik høy korrosivitet. Typiske eksempler på slik korrosjon inkluderer jevn (generell) korrosjon, sulfidstressprekkdannelse ( sulfide stress cracking - SSC) og stresskorrosjonssprekkdannelse ( stress corrosion cracking - SCC).

For jevn korrosjon er det kjent at tilsetning av Cr til stål er effektiv for å redusere korrosjonsgraden. Derfor, i et høytemperaturmiljø inneholdende karbondioksid, økes Cr-innholdet i stål som et mottiltak. Et spesifikt eksempel på et materiale som har utmerket motstand mot slik korrosjon er rustfritt martensittstål slik som 13Cr-stål.

Med rustfritt martensittstål forekommer imidlertid SSC noen ganger i et miljø inneholdende en svært liten mengde hydrogensulfid. For slik korrosjon har det vært kjent fra tidligere at motstand mot SSC i et miljø inneholdende hydrogensulfid kan forbedres ved å tilsette en hensiktsmessig mengde Mo og Ni til stål for å stabilisere en korrosjonsmotstandsdyktig film dannet på overflaten av stålet. Det er også kjent at motstand mot SSC i sveisete skjøter kan forbedres ved anvendelse av rustfritt martensittstål med lavt C der C-innholdet i grunnmetallet reduseres med det målet å undertrykke en hardhetsøkning i de varmepåvirkete sonene ( heat affected zones - HAZ) i skjøtene som reduserer motstand mot SSC (se Corrosion/96 nr. 58).

Det har vært antatt at rustfritt martensittstål med lavt C generelt er i liten grad utsatt for SCC. Dette er fordi SCC antas å være sensibilisert ved dannelse av Cr-utarmete soner forårsaket av dannelsen av Cr-karbider og det er vanskeligere for en Cr-utarmet sone å dannes i rustfritt martensittstål med lavt C enn med et rustfritt austenittstål. Det har faktisk frem til nå vært antatt at SCC ikke finner sted i rustfritt martensittstål med lavt C i et karbondioksid miljø med høy temperatur, dvs. et miljø med høy temperatur i størrelsesorden 80 - 200 °C og inneholdende klorioner og karbondioksid (CO2) og som er kjent som et "søtt"-miljø (vist til nedenfor kun som et CCh-miljø med høy temperatur).

Selv med rustfritt martensittstål, som beskrevet for eksempel i avsnitt 0008 i JP-A 07-179943 (1995), hvis C tilsettes til over 0,05 % dannes en Cr-utarmet sone som et resultat av dannelse av en stor mengde Cr-karbider, og motstanden mot korrosjon ved karbondioksid forringes. Derfor er SCC vist til i foreliggende beskrivelse selvfølgelig forutsatt et C-innhold på ikke mer enn 0,05 %.

EP 1179380 A, EP 0798394 A og EP 0774520 A beskriver martensittisk rustfritt stål for sveising, og som har sammensetninger innen området av C:0,001-0,05%, Si: 0,05-1%, Mn: 0,05-2%, Cr: 8-16%, Ni: 0,1-9%, sol.AI: 0,001-0,1%, og en rest av Fe og uunngåelige urenheter.

Beskrivelse av oppfinnelsen

I senere tid har det vært rapportert at SCC forekommer i sveisete skjøter i rustfritt martensittstål med lavt C og spesielt i de varmepåvirkete sonene (HAZ) i rund-sveiser på den indre overflaten til stålrør.

I rørledninger for transport av naturgass eller petroleum er det viktig å forebygge jevn korrosjon som fører til en reduksjon i veggtykkelse. Med SCC og SSC tar det imidlertid kort tid for sprekker forårsaket av korrosjon å utvikle seg og bevege seg gjennom veggtykkelsen, og disse korrosjonstypene er lokale fenomen. Derfor resulterer de i et enda større problem enn jevn korrosjon.

Selv med rustfritt martensittstål med lavt C har årsaken til SCC vært antatt å ligge i tilstedeværelse av en Cr-utarmet sone. I forsøk på å bekrefte dette eksperimentelt ble det imidlertid funnet at tilstedeværelse av en kjent Cr-utarmet sone ikke var årsaken.

Foreliggende oppfinnere har funnet at forekomsten av SCC i rustfritt martensittstål med lavt C, som det som er beskrevet ovenfor, er et helt nytt fenomen. De utførte detaljerte undersøkelser av fenomenet SCC som forekommer i en HAZ i et rustfritt martensittstål med lavt C i et C02-miljø med høy temperatur og gjorde følgende funn. 1) Sprekker forårsaket av SCC forekommer i en som-sveiset overflate, men slike sprekker forekommer ikke lenger hvis det indre overflatelaget i en sveiset skjøt i et stålrør fjernes ved beising eller mekanisk sliping. 2) Når rund- (omkrets) sveising av et stålrør utføres mens avskjermingsbetingelsene ved den indre overflaten til røret varieres for å variere dannelsesgraden av et sveiseglødeskall (glødeskall dannet ved sveising), er hyppigheten av forekomsten av SCC mindre jo mindre dannelse av en sveiseglødeskall forekommer.

Basert på disse funnene ble det funnet at overflatelaget på den indre flaten av et stålrør i den varmepåvirkete sonen i en rundsveis i et stålrør bidrar vesentlig til SCC i et C02-miljø med høy temperatur.

Som et resultat at videre undersøkelser ble følgende årsaker funnet for hvorfor den varmepåvirkete sonen påvirker forekomsten av SCC. 1) Svært små Cr-utarmete områder finnes i korngrensene inne i HAZ-strukturen umiddelbart under sveiseglødeskallet som dannes i den varmepåvirkete sonen til den indre flaten av et stålrør. 2) Utgangspunktet for SCC finnes i disse Cr-utarmete delen som finnes i overflatelaget til den varmepåvirkete sonen i området til den indre overflaten til stålrøret. 3) Om SCC forekommer avhenger av den laveste konsentrasjonen av Cr i de Cr-utarmete sonene. 4) Sveiseglødeskallet som dannes ved sveisetidspunktet forårsakes av dannelse av Cr-utarmete deler. 5) Sveisebetingelsene er relatert til dannelse av Cr-utarmete deler umiddelbart under sveiseglødeskallet.

De Cr-utarmete delene som er funnet i foreliggende oppfinnelse er forskjellige fra en konvensjonell Cr-utarmet sone med tanke på betingelser så som dannelses-området og dannelsesårsak. I foreliggende beskrivelse kalles de "SCC-induserende Cr-utarmete korngrensedeler forårsaket av sveiseglødeskall" og vil bli vist til nedenfor ganske enkelt som "Cr-utarmete korngrensedeler".

Foreliggende oppfinnelse er basert på disse funnene og i sin bredeste forståelse er det en sveiset struktur fremstilt fra er rustfritt martensittstål med lavt C som inneholder i det meste 0,05 % C og 8 - 16 % Cr, der den laveste Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrensedelene som finnes umiddelbart under sveiseglødeskallet i de varmepåvirkete sonene av en skjøt er minst 5 masseprosent.

Mer spesifikt er foreliggende oppfinnelse en sveiset rørledningsstruktur omfattende rustfritt martensittstål som har en stålsammensetning som består av, i masseprosent, C: 0,001 - 0,05 %, Si: 0,05 - 1%, Mn: 0,05 - 2 %, Cr: 8 - 16 %, Ni: 0,1-9 %, sol Al: 0,001 - 0,1 %, og videre eventuelt inneholder Mo: 0,1-7 % og/eller W: 0,1 - 7 %, og/eller Cu: 0,1-3 %, og/eller minst ett element valgt fra gruppen omfattende Ti, Zr, Hf, V og Nb i en mengde fra 0,005 - 0,5 % hver, og/eller minst ett element valgt fra gruppen omfattende Ca, Mg og REM i en mengde fra 0,0005 - 0,01 % hver, ikke mer enn 0,030% P, ikke mer enn 0,010% S, ikke mer enn 0,015% N og en rest av Fe og uunngåelige urenheter, hvori den laveste Cr-konsentrasjonen i Cr-utarmete korngrensedeler ved en dybde på 100 nm under et sveiseglødeskall i en varmepåvirket sone på en indre overflateside av rørstrukturen er minst 5 %.

Det beskrives videre en fremgangsmåte for fremstilling av en sveiset struktur ved å utføre rundsveising slik at den laveste Cr-konsentrasjonen i Cr-utarmete korngrensedeler dannet umiddelbart under et sveiseglødeskall i den varmepåvirkete sonen av en sveis er minst 5 masseprosent.

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan SCC effektivt hindres. Følgelig beskrives en fremgangsmåte for forebygging av SCC i en sveiset struktur, som benyttes i et C02-miljø med høy temperatur, ved å sikre at den laveste Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrensedelene som finnes umiddelbart under sveiseglødeskallet i de varmepåvirkete sonene av en skjøt er minst 5 masseprosent.

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan en rørledning fremstilt ved rundsveising anvendes i en som-sveiset tilstand for derved å tilrettelegge for feltsveising. Dermed har foreliggende oppfinnelse stor betydning i praktisk anvendelse.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1(a) er et beskrivende snitt som skjematisk viser dannelsestilstanden av en konvensjonell Cr-utarmet sone som resulterer fra dannelse av Cr-karbider, og figur 1 (g) er en graf som viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i et område langs linje A-A'i figur 1 (a). Figur 2(a) er et beskrivende snitt som skjematisk viser dannelsestilstanden av en konvensjonell Cr-utarmet sone (lag fra hvilket Cr ble fjernet eller avkromatisert lag) som resulterer fra dannelse av glødeskall, og figur 2(b) er en graf som viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i et område langs linje A-A i figur 2(a)'. Figur 3(a) er et skjematisk beskrivende snitt av Cr-utarmete korngrensedeler som ble først funnet ved foreliggende oppfinnelse, og figur 3(b) er en graf som viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i et område langs linje A-A' og linje B-B' i figur 3(a). Figur 4 er en graf som viser forholdet mellom Crutarming definert i foreliggende oppfinnelse og hyppigheten av sprekkdannelse i til sveiseskjøter i en C02-miljø med høy temperatur, der Crutarming angir den laveste Cr-konsentrasjonen i korngrensene umiddelbart under sveiseglødeskallet i HAZ i en sveis. Figur 5(a) er et skjematisk beskrivende snitt av fremgangsmåtene i rundsveising av rør, og figur 5(b) er et skjematisk beskrivende snitt av en flerlagssveisestreng (multi-pass) i en sveiset skjøt, som medfølges av en graf som skjematisk viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i den varmepåvirkete sonen.

Best måte for gjennomføring av oppfinnelsen

Heretter, for å bedre kunne forstå fenomenet ved dannelse av Cr-utarmete korngrensedeler som først ble funnet ved foreliggende oppfinnelse, vil undersøkelser angående fenomenet ved dannelse av en Cr-utarmet sone som var kjent fra den tidligere teknikk beskrives.

Figur 1(a) er et beskrivende snitt som skjematisk viser dannelsestilstanden av en konvensjonell Cr-utarmet sone som resulterer fra dannelse av Cr-karbider, og figur 1 (b) er en graf som viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i et område langs linje A-A'i figur 1 (a).

Det kan ses fra figur 1(a) og figur 1(b) at C og Cr inneholdt i grunnmetallsammen-setningen reagerer for å danne Cr-karbider, og derved ved utkanten av de resulterende Cr-karbidene dannes områder der Cr-konsentrasjonen er redusert. Disse områdene blir Cr-utarmete soner dannet som et resultat av dannelsen av Cr-karbider. I lys av det faktumet at de er funnet å være spesielt tallrike i området rundt korngrenser, blir de noen ganger kalt Cr-utarmete korngrensesoner. For enkelhets skyld vil de imidlertid i foreliggende beskrivelse være vist til som karbidinduserte Cr-utarmete soner. Generelt er det antatt at det er mindre dannelse av disse karbidinduserte Cr-utarmete sonene med rustfritt martensittstål enn med rustfritt austenittstål. Ettersom diffusjonshastigheten til Cr i martensitt (som har en bcc-struktur) er vesentlig større enn diffusjonshastigheten til Cr i austenitt (som har en fcc-struktur) har det vært antatt at Cr forsynes relativt raskt fra matrisen i et rustfritt martensittstål og derfor dannes ikke en karbidindusert Cr-utarmet sone i et slikt stål.

Figur 2(a) er et beskrivende snitt som skjematisk viser dannelsestilstanden av en konvensjonell Cr-utarmet sone (avkromatisert lag) som resulterer fra dannelse av glødeskall, og figur 2(b) er en graf som viser fordelingen av Cr-konsentrasjonen i et område langs linje A-A.

Som vist i figur 2(a) og figur 2(b) dannes et oksidlag kjent som glødeskall under trinnene varmvalsing eller varmebehandling i en produksjonsprosess for stålmateriale. Dette oksidlaget inneholder spinell og andre Cr-holdige stoffer. Derfor, langs grenseflaten mellom glødeskallet og grunnmetallet dannes et laglignende område med en redusert Cr-konsentrasjon på grunnmetallsiden av grenseflaten. Dette er en Cr-utarmet sone som resulterer fra dannelse av glødeskall. I foreliggende beskrivelse, vil denne Cr-utarmete sonen for enkelhets skyld vises til som en glødeskallindusert Cr-utarmet sone.

Effektene av tilstedeværelse av disse to typene konvensjonelle Cr-utarmete soner på forekomsten av SCC funnet i den ovenfor beskrevne HAZ ble vurdert. Ettersom det antas at den glødeskallinduserte Cr-utarmete sonen forårsaket av dannelse av glødeskall ikke er direkte relatert til SCC som forekommer i den varmepåvirkete sonen, ble forholdet mellom en karbidindusert Cr-utarmet sone forårsaket av karbiddannelse og forekomsten av SCC i et CCh-miljø med høy temperatur vurdert.

Stål A (12Cr-5Ni-1Mo), som håret C-innhold på 0,05 % (masseprosent), og stål B (12Cr-5Ni-1 Mo), som har et C-innhold på 0,003 %, ble fremstilt i laboratoriet og utsatt for bråkjøleherdingsbehandling. C-innholdet til disse stålene ble variert for med hensikt å variere dannelsesgraden av Cr-karbider. Sveisete skjøter ble fremstilt ved anvendelse av disse to stålmaterialene. Med stål A ble dannelse av Cr-karbider påvist i HAZ langs korngrensene, men med stål B ble ikke dannelse av Cr-karbider påvist.

Prøvestykker av disse sveisete skjøtene ble brukt for å undersøke forekomsten av SCC i et C02-miljø med høy temperatur. Som et resultat, for hvert prøvestykke og uavhengig av om karbider var dannet eller ikke, forekom sprekker når den indre flaten gjenomgikk sliping. Dermed ble det bekreftet at forekomsten av sprekker avhenger av overflatebetingelsene til en skjøt og påvirkes ikke av tilstedeværelse av en karbidindusert Cr-utarmet sone dannet inne i stålstrukturen, eller med andre ord at sprekkdannelse ikke forekommer selv hvis en karbidindusert Cr-utarmet sone er til stede.

Følgelig er de Cr-utarmete korngrensedelene som ble funnet i foreliggende oppfinnelse forskjellig fra en karbidindusert Cr-utarmet sone med hensyn til egenskaper slik som dannelsesområde og dannelsesårsak.

Figur 3(a) og 3(b) er skjematiske beskrivende snitt av Cr-utarmete korngrensedeler som først ble funnet ved foreliggende oppfinnelse. Som vist i figur 3(a) dannes Cr-utarmete korngrensedeler i grunnmetallet samtidig som dannelse av et sveiseglødeskall. Denne dannelsen av Cr-utarmete korngrensedeler forekommer langs de tidligere v-korngrensene, og etter hvert som avstanden fra sveiseglødeskallslaget øker, nærmer Cr-konsentrasjonen seg det til grunnmetallet. Dermed forårsaker dannelse av sveiseglødeskallet Cr-utarming, som utvikler seg langs de tidligere v-korngrensene i grunnmetallstrukturen umiddelbart under dette veldig tynne sveiseglødeskallet og sprekkdannelse finner sted fra slike Cr-utarmete deler som fungerer som et startpunkt.

Dannelse av Cr-utarmete deler i korngrensene umiddelbart under et sveiseglødeskall ble først funnet ved foreliggende oppfinnelse. Tidligere var det ikke kjent at dannelse av et svært tynt glødeskall ved sveisetidspunktet var medfulgt av dannelse av Cr-utarmete deler i korngrensene.

Tilstedeværelse av Cr-utarmete deler eller områder som beskrevet ovenfor med hensyn til figur 3(a) og figur 3(b) ble funnet ved observasjon med en TEM (transmisjonselektronmikroskop) i området til overflatelaget i HAZ i en sveiset skjøt dannet ved rundsveising av et stålrør, dvs. av strukturen til grunnmetallet umiddelbart under sveiseglødeskallet.

Fra resultatene av observasjonen med en TEM, og fra det faktum at SCC-oppførsel i en faktisk sveiset skjøt avhenger av betingelsene ved overflatelaget, var det funnet at de Cr-utarmete korngrensedelene dannet umiddelbart under sveiseglødeskallet til en rundsveis i et stålrør fungerer som startpunkter for SCC i et CCh-miljø med høy temperatur.

Figur 4 er en graf som viser forholdet mellom Crutarming, som er den laveste Cr-konsentrasjonen i Cr-utarmete korngrensedeler, og hyppigheten av sprekkforekomster i et C02-miljø med høy temperatur.

Dataene i figur 4 er resultatene av SCC-prøver på rustfrie martensittståler inneholdende 8 %, 12 % eller 15 % Cr og på det meste 0,05 C. Dataene er resultatene for prøver som benytter tre prøvestykker for hvert stål. Tallene i figurene angir (antall prøvestykker der SCC forekommer)/(antall prøvestykker).

Det kan ses fra resultatene i figur 4 at SCC forekommer når den laveste Cr-konsentrasjonen (Crutarming) i korngrensene umiddelbart under sveiseglødeskallet er mindre enn 5 %. Den laveste er verdien av Crutarming, den mest hyppige er forekomsten av sprekkdannelse.

Det kan antas at grunnen til at hyppigheten av sprekkforekomsten øker (at sprekkdannelse forekommer lettere) etter hvert som verdien av Crutarming reduseres er at det blir enkelt for oppløsning (korrosjon) å forekomme i Cr-utarmete korngrensedeler i det ovenfor beskrevne korrosive miljøet. Det vil si at SCC som forekommer i et karbondioksidmiljø med høy temperatur er forårsaket av såkalt aktivbanekorrosjon ( active path corrosion - APC). Derfor er det antatt at jo lavere konsentrasjonen er i de Cr-utarmete korngrensedelene, jo mer korrosjon fremmes i de Cr-utarmete korngrensedelene under den innledende korrosjonsfasen, hvilket fører til et makroskopisk sprekkdannelsesfenomen.

Det ble bekreftet ved undersøkelse at området der Cr-utarmete korngrenseområder dannes umiddelbart under sveiseglødeskallet strekker seg fra underdelene i forsterkningsdelen av en sveis til den varmepåvirkete sonen (HAZ) i sveisen.

Det vil si at med et rustfritt martensittstål med lavt C, inneholdende 8 - 16 % Cr og i det meste 0,05 % C, har en sveiset skjøt der SCC ikke forekommer i et CCh-miljø med en høy temperatur en verdi for Crutarming på minst 5 %, hvorutarming er den laveste Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrensedelene dannet umiddelbart under sveiseglødeskallet i området som strekker seg fra underdelen i forsterkningsdelen av en sveis til HAZ derav.

En slik overflatebetingelse, som har en verdi for Crutarming som er minst 5 %, kan oppnås ved å regulere kjølehastigheten og mengden oksygen ved overflatelaget til HAZ på den såkalte rotsiden, som er den motsatte siden fra siden der en ark dannes ved sveisetidspunktet. Det vil si at dannelse av Cr-utarmete korngrensedeler som finner sted i overflatelaget til HAZ på den indre overflatesiden er grunnet det faktum at overflaten til HAZ oksiderer ved sveisetidspunktet for å danne et glødeskall for derved å forårsake at Cr, som er til stede umiddelbart under glødeskallet, diffundererfra korngrensene. Derfor avhenger dannelsen av både oppholdstiden i temperaturområdet der Cr kan diffundere, dvs. kjølehastigheten til overflatelaget til HAZ, og mengden oksygen forsynt for dannelse av glødeskallet.

I tillegg til kjølehastigheten til HAZ-overflatelaget og mengden oksygen, påvirker mengden varmetilførsel, temperaturen mellom sveiseomgangene og størrelse på en enkel sveisestreng, dannelsen av de Cr-utarmete korngrensedelene på en komplisert måte slik at disse parametrene også hensiktsmessig må reguleres.

Normalt i MAG-sveising (metallargongass), når høylegeringsstålrør sveises sammen ved ensidesveising for å danne en rotsveisestreng anvendes et underlagsstykke laget av kobber eller en kobberlegering for å forebygge gjennom-brenning eller nedsmelting. I dette tilfellet kan oksygenkonsentrasjonen til sveiseatmosfæren hensiktsmessig reguleres, selv i tilfellet der et vanlig kobberunder-lagsstykke benyttes, ved å dekke kobberoverflaten til underlagsstykket med et keramisk belegg slik som AI2O3og å føre argongass på baksiden av sveise-strengen.

Heretter vil grunnene for områdene for hvert av bestanddelelementene i en foretrukket sammensetning av et stål anvendt som et grunnmetall i foreliggende oppfinnelse beskrives. I denne beskrivelsen, med mindre annet er angitt, betyr prosent med hensyn til en stålsammensetning masseprosent.

C: 0,001 - 0,05 %

C er et element som danner karbider med elementer slik som Cr og reduserer korrosjonsmotstand i et karbondioksidmiljø. Det er også et element som reduserer sveisbarhet. Derfor er innholdet fortrinnsvis så lav som mulig, og den øvre grensen er 0,05 %. Den nedre grensen er 0,001 % med tanke på området der karbon-innhold kan praktisk reguleres. Fortrinnsvis er innholdet 0,003 - 0,02 %.

Si; 0,05 - 1 %

Si er et element som er tilsatt som et deoksiderende middel under en raffinerings-prosess for stål. Dets innhold kan være den samme som mengden den er begrenset til i vanlig rustfritt stål, som er nesten 1 %. For å oppnå den ovenfor beskrevne effekten er dets innhold minst 0,05 %. Det er fortrinnsvis 0,1 - 0,7 %.

Mn: 0,05-2 %

Mn er et element som forbedrer bearbeidingsmulighetene. For å oppnå denne effekten bør dens innhold være minst 0,05 %. Hvis Mn-innholdet overstiger 2 % blir det lett for Mn å utskilles inne i en støpeblokk og denne segregeringen har en tendens til å medføre forringelse i seigheten og forringelse i motstand mot SCC i et H2S-miljø. Derfor er Mn-innholdet 0,05-2%. Det er fortrinnsvis 0,1 -1,5%. Det er mer foretrukket 0,2 - 1,0 %.

Cr: 8-16%

Cr er et vesentlig element for å utvise korrosjonsmotstand i et karbondioksidmiljø. Dets innhold er minst 8 % for å oppnå korrosjonsmotstand i et karbondioksidmiljø med høy temperatur. Cr er imidlertid et ferrittdannende element, og i tilfellet med rustfritt martensittstål, hvis en svært stor mengde Cr tilsettes forringes varmebear-beidingsevnen på grunn av dannelse av 6-feritt. Derfor er Cr-innholdet 8-16 %.

Ni: 0,1 - 9 %

I tillegg til effekten av å øke korrosjonsmotstand har Ni effekten av å øke seighet og Ni tilsettes i en mengde opp til 9 % etter behov. For å utvise disse effektene tilsettes minst 0,1 % Ni. Ni er imidlertid et austenittdannende element og hvis en stor mengde av denne inkluderes dannes en gjenholdt austenittfase for derved å øke styrken og seigheten, slik at den øvre grensen til Ni er 9 %. Dets innhold er fortrinnsvis 0,5 - 7 %. Det er mer foretrukket 1 - 6 %.

Sol Al: 0,001 -0,1 %

Al er et element som tilsettes som et deoksiderende middel under raffineringsprosessen til stål. For å oppnå denne effekten er dens innhold minst 0,001 %. Hvis innholdet av denne overstiger 0,1 % dannes en stor mengde aluminainneslutninger, som fører til en reduksjon i seighet, slik at den øvre grensen til Al er 0,1 %. Dets innhold er fortrinnsvis 0,005 - 0,05 %.

På den samme måten som med vanlig rustfritt stål er mengden uunngåelige urenheter slik som P, S, N og O fortrinnsvis så lave som mulig ettersom de forverrer korrosjonsmotstand og seighet.

Ved foreliggende oppfinnelse er det ingen spesifikke grenser på P, S og N så lenge de er til stede som urenheter, men normalt er innholdene av disse fortrinnsvis ikke mer enn 0,030 % for P, ikke mer enn 0,010 % for S og ikke mer enn 0,015 % for N.

Et rustfritt martensittstål ifølge foreliggende oppfinnelse kan også inneholde et eller flere av følgende valgfrie elementer.

Mo, W: 0,1 -7 %, hver

Ved tilstedeværelse av Cr, har Mo og W effekten av å forbedre motstand mot punkttæring og motstand mot sulfidsprekkdannelse. Om nødvendig kan enten den ene eller begge disse elementene tilsettes i en mengde på 0,1 - 7 % hver. Når disse elementene tilsettes med det formålet å forbedre korrosjonsmotstand er verdien på Mo + 0,5 W fortrinnsvis minst 0,1 %. På den andre siden, hvis verdien til Mo + 0,5 W overstiger 7 % fører det til dannelse av en ferrittfase og varme-bearbeidhet reduseres, slik at den øvre grensen er 7 %.

Cu: 0,1 - 3%

Cu har effekten av å redusere oppløsningsgraden i et miljø med lav pH-verdi. Når det tilsettes er dets innhold fortrinnsvis i området fra 0,1-3 %. Tilsetning av Cu resulterer imidlertid i problemet ved Cu-overflatesprekking så det er ønskelig å bestemme innholdet derav med hensyn til balansen med Ni.

Ti, Zr, Hf, V og Nb: 0,005 - 0,5 %, hver

Ti, Zr, Hf, V og Nb kan fiksere C og hemme dannelse av Cr-karbider og de har effekten av å undertrykke forekomsten av lokalkorrosjon forårsaket ved en Cr-utarmet sone i omgivelsene til Cr-karbidene. Derfor, om nødvendig, kan minst ett av disse elementene tilsettes. Ved tilsetning er innholdet av hver fortrinnsvis 0,005 - 0,5 %.

Ca, Mg og REM; 0,0005 - 0,01 %, hver

Ett eller flere av Ca, Mg og REM kan tilsettes med det målet å forbedre varme-bearbeidheten til stål. Minst ett kan tilsettes i området fra 0,0005 - 0,01 % hver.

Nå vil en fremgangsmåte for fremstilling av en sveiset struktur ifølge foreliggende oppfinnelse beskrives.

Et typisk eksempel på en sveiset struktur som er gjenstand for foreliggende oppfinnelse er en rørledning med en sveiset skjøt dannet ved rundsveising og spesielt en rørledning dannet fra sømløse stålrør. Sveiseoperasjonen utføres på følgende vis.

Som vist i figur 5(a) er stålrør 1, 1 med avrundete kanter for sveising lagt inntil hverandre, og flere gjennomganger av rundsveising utføres fra den ytre siden av stålrøret for å danne en rundsveis 2. Selv om sveisematerialet kan variere noe avhengig av ståltypen som utgjør stålrørene og sveisemetoden som benyttes, kan det generelt være en som anvendes i sveising av rustfritt martensittstål, og i foreliggende oppfinnelse er det ingen spesielle restriksjoner mot dette. Det er også ingen spesielle restriksjoner på selve sveisemetoden. For eksempel kan den enten være konvensjonell TIG- (wolfram inert gass) eller MAG-arksveising.

Ifølge foreliggende oppfinnelse har den resulterende sveisen tilstrekkelig motstand mot SCC i en som-sveiset tilstand. Derfor er det ikke alltid nødvendig å utføre behandling slik som sliping av den indre flaten 3 til sveisen. Tvert om er det foretrukket å ikke utføre en slik behandling i tilfeller med feltsveising. Varmeetterbehandling er heller ikke nødvendig. Følgelig blir foreliggende oppfinnelse spesielt nyttig i tilfellet ved produksjon av en sveiset struktur ved feltsveising slik som en sveiset skjøtstruktur i en rørledning. Varmeetterbehandling etter ferdigstillelse av sveising kan selvfølgelig utføres hvis nødvendig og det er ingen spesielle begrensninger derpå.

Figur 5(b) er et skjematisk beskrivende snitt av en skjøt og en HAZ. Den viser også variasjonen i den laveste Cr-konsentrasjonen ved korngrensene i HAZ. Den heltrukne linjen og den stiplete linjen viser skjematisk variasjonen i Cr-konsentrasjonen ved en dybde på 100 nm inn i grunnmetallet umiddelbart under sveiseglødeskallet i HAZ på den indre overflaten til et sveiset stålrør. Som beskrevet i eksemplene utføres måling av Cr-konsentrasjonen i Cr-utarmete korngrensedeler i korngrensene ved en dybde på 100 nm inn i grunnmetallet umiddelbart under sveiseglødeskallet og den måles i retningen som ligger vinkelrett til korngrensene for å bestemme den laveste Cr-konsentrasjonen i profilen fremskaffet ved måling.

Avhengig av betingelsene ved sveisetiden oppnås noen ganger en profil slik som profil A-A' vist ved en stiplet linje og en profil slik som profilen B-B' vist ved en heltrukket linje oppnås i andre tilfeller. I begge tilfellene bestemmes "den laveste Cr-konsentrasjonen i HAZ" ved det punktet som har lavest konsentrasjon i profilen av Cr-konsentrasjonen i korngrensene fra underdelen av forsterkningsdelen av sveisen mot HAZ.

Ifølge foreliggende oppfinnelse, for å sikre at sveiseskjøtene ikke forårsaker SCC i et C02-miljø med høy temperatur, tilfredsstiller Crutarming, som er den laveste Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrenseområdene ved en dybde på 100nm under sveiseglødeskallet i HAZ-området fra underdelen i forsterkningsdelen av sveisen til enden av HAZ derav, Crutarming ^ 5 %.

Crutarming er den laveste Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrensene som dannes umiddelbart under sveiseglødeskallet i HAZ. Stedet der Crutarming eksisterer, kan være i området til underdelen av den forsterkede sveisen i noen tilfeller eller ved en plassering i en viss grad fjernet derfra i andre tilfeller. Det er foretrukket å tidligere bestemme fordelingen av Cr-konsentrasjon i den horisontale retningen i HAZ. Mekanismen ved hvilken en slik variasjon i fordelingen av Cr-konsentrasjon forekommer, er ikke tydelig, men det antas at effekten av oksidering på gjenoppvarming som utføres under en flerlagssveising varierer med plasseringen, og forårsaker derved at plasseringen som er mest utsatt for oksidering, og dermed Cr-utarming, varierer.

Hva angår fordelingen av Cr-konsentrasjonen i retning av veggtykkelsen fra umiddelbart under det indre overflatelaget er det antatt at jo nærmere en plassering er til sveiseglødeskallet, jo nærmere er dens Cr-konsentrasjon. For å gjøre det mulig å bestemme Cr-konsentrasjon ved TEM tilstrekkelig og praktisk, defineres Cr-konsentrasjonen som verdien målt i korngrenseområdene ved en dybde på 100 nm i retning av tykkelsen fra umiddelbart under glødeskallet.

Ved produksjon av en sveiset struktur ifølge foreliggende oppfinnelse er en foretrukket sveisemetode for å hemme dannelse av Cr-utarmete korngrenseområder som følger. 1) Mengden oksygen i sveiseatmosfæren reduseres. Dette undertrykker dannelse og vekst av glødeskall. 2) Som en annen fremgangsmåte økes avkjølingshastigheten etter sveising slik at oppholdstiden i temperaturområdet der glødeskallet dannes gjøres så kort som mulig. Alternativt kan kjølehastigheten gjøres tilstrekkelig sakte. I dette tilfelle dannes Cr-utarmete korngrenseområder med en vekst av glødeskall, men de gjenoppretter deres Cr-konsentrasjon ved diffusjon av Cr som finner sted fra matrisen mot de Cr-utarmete korngrenseområdene. 3) Som en ytterligere fremgangsmåte kan mengden varmetilførsel ved sveisetidspunktet reduseres, eller kan gjøres tilstekkelig stor. Mengde varmetilførsel er en parameter som påvirker kjølehastigheten og av samme grunner som for kjølehastigheten påvirker den dannelse av et glødeskall og gjenopprettelse av Cr-konsentrasjonen fra Cr-utarmete korngrenseområder. 4) De Cr-utarmete korngrenseområdene kan elimineres ved å justere temperaturen mellom sveiseomgangene. I dette tilfellet, hvis temperaturen mellom sveiseomgangene er i området der oksideringsgraden er tilstrekkelig lav kan gjenoppretting av Cr-konsentrasjon i de Cr-utarmete

korngrenseområdene grunnet diffusjon av Cr fra matrisen forventes. Derfor er temperaturen mellom sveiseomgangene fortrinnsvis satt så høy som mulig i et temperaturområde der oksidering av overflaten til HAZ ikke finner sted.

Dermed, for å regulere dannelse av Cr-utarmete korngrensedeler foreligger idéen av å ikke danne Cr-utarmete korngrensedeler fra begynnelsen, og idéen av, når de først dannes, å tilbakeføre Cr-konsentrasjonen i de Cr-utarmete korngrensedelene for å ende opp med å redusere antallet slike deler. Forskjellige måter er tenkelige for dette formålet.

Heretter vil effektene av foreliggende oppfinnelse beskrives mer spesifikt ved hjelp av eksempler.

Eksempler

Støpeblokker med rustfritt martensittstål med de kjemiske sammensetningene vist i tabell 1 ble fremstilt og stålplater med en bredde på 100 mm og en tykkelse på 12 mm ble fremskaffet derfra ved å anvende varmvalsing og kaldvalsing. For hver av de resulterende stålplatene ble et par stålplater lagt inntil hverandre for sveising for å danne en V-formet fuge med en fugevinkel på 15°. Ved å benytte et sveisemateriale laget av et tofasig rustfritt stål (en 25Cr-7Ni-3Mo-2W-stål) satt inn i fugen, ble flerlagssveising utført ved MAG-sveising eller TIG-sveising fra én side ved den nedenfor beskrevne metoden mens sveiseatmosfæren på rotsiden ble regulert og sveiseskjøter ble dannet som var forskjellige med hensyn til tilstanden til overflatelaget i HAZ på rotsiden.

I MAG-sveising, for å holde på metallsmelte mot tyngdekraften, ble en kobberplate, med en bredde på 25 mm og en tykkelse på 8 mm og med en fuge i retning av sveiselinjen og en bredde på 5 mm og en dybde på 2 mm, plassert som underlagsstykke på baksiden av fugen som skal sveises og en avskjermingsboks (shield box) ble plassert på den ytre siden av kobberplaten for å sørge for et lukket område. Det lukkete området hadde forskjellige oksiderende atmosfærer som er tilberedt enten uten en vernegass (dvs. ved anvendelse av atmosfærisk luft, dvs.

20 volumprosent oksygen) eller ved å forsyne en blandet gass av argon og oksygen med en varierende oksygenkonsentrasjon ved en strømningshastighet på 25 cm<3>per minutt. Oksygenkonsentrasjonen i den oksiderende gassen ble målt med et oksygenmeter.

Kobberplaten som ble anvendt som underlagsstykke var enten en enkel kobberplate eller en kobberplate belagt med alumina (i en tykkelse på 1 mm) og resultatene for disse to ble sammenlignet.

I TIG-sveising ble oksygenkonsentrasjonen i sveiseatmosfæren på rotsiden regulert ved å dekke en del som ligger parallelt med sveiselinjen og med en bredde å 60 mm sentrert på baksidefugen der en kobberavskjermingsboks danner et lukket område med en glippe med en høyde på 20 mm fra stålplaten og forsyner en blandet gass av argon og oksygen med forskjellige oksygenkonsentrasjoner til innsiden av boksen ved en strømningshastighet på 25 cm<3>per minutt for å danne forskjellige oksiderende atmosfærer inne i boksen. Oksygenkonsentrasjonen i den oksiderende atmosfæren ble målt med et oksygenmeter.

Et SCC-prøvestykke med en tykkelse på 2 mm, en bredde på 10 mm, og en

lengde på 75 mm ble tatt fra sveisebaksiden av den resulterende sveisete skjøten for å inkludere skjøtsveisestrengen og sveiseglødeskallet på overflaten og for å ha en side som måler 75 mm i retningen som er parallell med sveiselinjen, og den ble utsatt for en SCC-prøve som ble utført under korrosjonsprøvebetingelsene vist i tabell 2. Prøveresultatene ble sammenfattet i tabell 3.

Som vist i figur 3 og figur 5(b) ble måling av Cr-konsentrasjonen umiddelbart under sveiseglødeskallet utført ved korngrensene ved en plassering 100 nm inn i grunnmetallet som målt fra kanten av sveiseglødeskallet, og den laveste verdien i den resulterende profilen ble nedtegnet som Cr-konsentrasjon i Crutarmet korngrensedeler.

Eksempler 1-14, som er eksempler ifølge foreliggende oppfinnelse, hadde utmerket korrosjonsmotstand i en som-sveiset tilstand, og SCC forekom ikke. I kontrast hadde for eksempel eksempel nr. 15, som var et sammenlignings-eksempel der den laveste Cr-konsentrasjonen ved Cr-utarmete ved en dybde på 100 nm under et sveiseglødeskall i en varmepåvirket sone på en indre overflateside av røret var lav, en Crutarming på mindre enn 5 % og SCC forekom.

I disse eksemplene ble foreliggende oppfinnelse beskrevet med hensyn til sveising av plater, men det vil være innlysende for fagpersoner innen teknikken fra den foregående beskrivelsen at det samme gjelder ved utføring av sveising av stålrør.

Industriell anvendelighet

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det mulig å oppnå en sveiset struktur av rustfritt martensittstål som ikke forårsaker SCC selv når utsatt for et miljø av CCh-gass ved høy temperatur. Dermed muliggjør foreliggende oppfinnelse dannelse av en sveiset skjøt som ikke forårsaker SCC selv i en som sveiset tilstand når stålrør slik som sømløse stålrør sveises ved rundsveising for å gi en rørledning for transport av svært korrosivt petroleum og naturgass, slik at foreliggende oppfinnelse har stor praktisk betydning.

Claims (1)

1. Sveiset rørledningsstruktur omfattende rustfritt martensittstål som har en stålsammensetning som består av, i masseprosent, C: 0,001 - 0,05 %, Si: 0,05 - 1%, Mn: 0,05 - 2 %, Cr: 8-16 %, Ni: 0,1 - 9 %, sol Al: 0,001 - 0,1%, og eventuelt videre inneholder Mo: 0,1 - 7 % og/eller W: 0,1 - 7 %, og/eller Cu: 0,1 - 3 %, og/eller minst ett element valgt fra gruppen omfattende Ti, Zr, Hf, V og Nb i en mengde fra 0,005 - 0,5 % hver, og/eller minst ett element valgt fra gruppen omfattende Ca, Mg og REM i en mengde fra 0,0005 - 0,01 % hver, ikke mer enn 0,030% P, ikke mer enn 0,010% S, ikke mer enn 0,015% N, og en rest av Fe og uunngåelige urenheter, hvori den laveste Cr-konsentrasjonen i Cr-utarmete korngrensedeler ved en dybde på 100 nm underet sveiseglødeskall i en varmepåvirket sone på en indre overflateside av rørstrukturen er minst 5 %.