RU2680457C1 - Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты) - Google Patents

Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2680457C1
RU2680457C1 RU2018115297A RU2018115297A RU2680457C1 RU 2680457 C1 RU2680457 C1 RU 2680457C1 RU 2018115297 A RU2018115297 A RU 2018115297A RU 2018115297 A RU2018115297 A RU 2018115297A RU 2680457 C1 RU2680457 C1 RU 2680457C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steel
strength
pipe
cold
phosphorus
Prior art date
Application number
RU2018115297A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Алексеевич Гагаринов
Надежда Тахировна Тихонцева
Евгений Михайлович Засельский
Михаил Ноехович Лефлер
Светлана Юльевна Жукова
Ольга Андреевна Софрыгина
Ирина Ивановна Мануйлова
Игорь Юрьевич Пышминцев
Анна Николаевна Мальцева
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК") filed Critical Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК")
Priority to RU2018115297A priority Critical patent/RU2680457C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2680457C1 publication Critical patent/RU2680457C1/ru

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16LPIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00Rigid pipes
    • F16L9/02Rigid pipes of metal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению высокопрочных насосно-компрессорных и обсадных труб, находящихся в климатических районах с температурой окружающей среды до минус 60°С. Труба выполнена из стали, которая подвергнута закалке и высокому отпуску при температуре не ниже 540°С и содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,23-0,35; кремний 0,15-0,45; марганец 0,30-1,20; хром 0,40-1,30; алюминий 0,02-0,05; сера не более 0,015; фосфор не более 0,020; азот не более 0,012; железо и неизбежные примеси, в том числе никель и медь - остальное. По второму варианту труба выполнена из стали и содержит компоненты, указанные в первом варианте, а также - молибден 0,10-1,00 мас. %, ванадий не более 0,12 мас. % и ниобий не более 0,05 мас. %. Размер исходного зерна аустенита стали должен быть не крупнее 8 балла. Изобретение обеспечивает прочностные свойства металла хладостойкой трубы нефтяного сортамента с толщиной стенки 15 мм и более, соответствующие группам прочности от Д до Р (предел текучести от 379 МПа до 1137 МПа). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению высокопрочных насосно-компрессорных и обсадных труб, предназначенных для обустройства газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, находящихся в климатических районах с температурой окружающей среды до минус 60°С.
Принято считать, что для эффективной работы оборудования в сложных условиях комплексного приложения нагрузок требуется применение сталей в высокопрочном исполнении. При повышении прочностных свойств стали повышается порог хладноломкости и значительно развиваются процессы отпускной хрупкости стали при термической обработке труб. Но в условиях климатического холода для предотвращения развития хрупкого разрушения требуются, в частности трубы, изготовленные из стали в специальном хладостойком исполнении, которое определяется величиной ударной вязкости при отрицательных температурах испытания (как правило, минус 60°С).
Известно широкое использование основного способа обеспечения высокой хладостойкости труб, который заключается в легировании стали такими элементами, как молибден, никель, вольфрам и другие, подавляющими развитие отпускной хрупкости (Бюллетень «Черная металлургия», №8, 2013, с. 44-47; Металлург, №6, 2005, с. 55-58). Однако применение дорогостоящего и дефицитного легирования существенно повышает стоимость труб и снижает их конкурентоспособность.
Для повышения хладостойкости труб известны следующие виды термической обработки: отпуск при максимально возможных высоких температурах, скоростной нагрев токами высокой частоты, двойная закалка, ускоренное охлаждение после отпуска (Известия ВУЗов. Черная металлургия, №8, 2007, с. 41-43; Металловедение и термическая обработка металлов, №11, 2011, с. 31-35). Их применение требует введения дополнительного оборудования на участках термической обработки труб и не всегда дает положительный эффект, в частности, неприемлемы при обработке крупногабаритных толстостенных труб.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является труба нефтяного сортамента хладостойкая, выполненная из подвергнутой закалке и отпуску стали, имеющей следующее соотношение компонентов мас. %:
углерод 0,28-0,34,
кремний 0,15-0,37,
марганец 0,90-1,20,
хром не более 0,25,
никель не более 0,25,
медь не более 0,25,
алюминий 0,02-0,05,
сера не более 0,010,
фосфор не более 0,015,
азот не более 0,012,
железо и неизбежные примеси, в том числе ванадий, молибден и титан, остальное. Труба имеет предел прочности 900 МПа или менее, предел текучести 830 МПа или менее, сопротивление ударным нагрузкам при 0°С не менее 41 Дж и ударную вязкость при -60°С не менее 70 Дж/см2 (патент РФ №2552794, С22С 38/04, С22С 38/06, опубл. 10.06.2015).
Недостатками данной трубы являются низкий уровень прочностных свойств и значительное снижение ударной вязкости при температуре испытания минус 60°С труб с увеличенной толщиной стенки.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении прочностных свойств металла хладостойкой трубы нефтяного сортамента с толщиной стенки 15 мм и более, соответствующих группам прочности от Д до Р (предел текучести от 379 МПа до 1137 МПа).
Поставленная задача по первому варианту решается за счет того, что в трубе нефтяного сортамента высокопрочной хладостойкой, выполненной из подвергнутой закалке и отпуску стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, ударная вязкость которой при температуре испытания минус 60°С составляет не менее 70 Дж/см2, согласно изобретению, она выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод 0,28-0,35,
кремний 0,15-0,45,
марганец 0,50-1,20,
хром 0,60-1,30,
алюминий 0,02-0,05,
сера не более 0,015,
фосфор не более 0,020,
азот не более 0,012,
железо и неизбежные примеси, в том числе никель и медь, остальное;
при этом труба подвергнута высокому отпуску при температуре нагрева не ниже 540°С. Кроме того, размер исходного зерна аустенита стали должен быть не крупнее 8 балла.
Поставленная задача по второму варианту решается за счет того, что в трубе нефтяного сортамента высокопрочной хладостойкой, выполненной из подвергнутой закалке и отпуску стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, медь, ванадий, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, ударная вязкость которой при температуре испытания минус 60°С составляет не менее 70 Дж/см2, согласно изобретению, она выполнена из стали, дополнительно содержащей ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод 0,23-0,35,
кремний 0,15-0,45,
марганец 0,30-1,20,
хром 0,40-1,30,
молибден 0,10-1,00,
ванадий не более 0,12,
ниобий не более 0,05,
алюминий 0,02-0,05,
сера не более 0,015,
фосфор не более 0,020,
азот не более 0,012,
железо и неизбежные примеси, в том числе никель и медь, остальное;
при этом труба подвергнута высокому отпуску при температуре нагрева не ниже 540°С. Кроме того, размер исходного зерна аустенита стали должен быть не крупнее 8 балла.
Высокие прочностные свойства и хладостойкость трубы обеспечиваются за счет соотношения содержания отдельных химических элементов в стали, из которой выполнена предлагаемая труба, и температуры отпуска.
Содержание углерода в количестве 0,23-0,35 мас. % обеспечивает получение заданного уровня прочностных свойств. При увеличении углерода более 0,35 мас. % возникает риск образования закалочных трещин при интенсивном охлаждении водой при закалке. При отсутствии дополнительного введения в сталь сильных карбидообразующих элементов (молибдена, ванадия и других), которые значительно влияют на повышение прочности, содержание углерода должно составлять не менее 0,28 мас. % (по первому варианту).
Содержание марганца не менее 0,30 мас. % обеспечивает раскисление стали и выполнение требований по прочностным свойствам, а при его содержании более 1,20 мас. % возможно повышение порога хладноломкости стали.
Хром в количестве 0,40-1,30 мас. % оказывает положительное воздействие на устойчивость переохлажденного аустенита стали и, тем самым, повышает прокаливаемость и прочностные свойства стали.
Молибден эффективно влияет на повышение прочностных свойств и ударной вязкости, а также подавляет развитие процессов охрупчивания стали при отпуске. Для проявления этого эффекта минимальное содержание молибдена должно быть не менее 0,10 мас. %. Наибольшая концентрация молибдена составляет 1,00 мас. %, свыше которой специальные карбиды молибдена упрочняют матрицу зерна и, как следствие, снижается прочность границ зерен, возрастает приграничная концентрация вредных примесей, что способствует ослаблению межзеренного сцепления и развитию процессов охрупчивания.
Кремний (0,15-0,45 мас. %) и алюминий (0,02-0,05 мас. %) в указанных количествах обеспечивают необходимую степень раскисления стали при выплавке.
Азот участвует в образовании нитридов и при его содержании в стали более 0,012 мас. % возможно формирование крупных выделений нитридов, преимущественно по границам зерен, что приводит к зернограничному разрушению и отрицательно влияет на хладостойкость стали.
Остаточное содержание вредных примесей для обеспечения хладостойкости стали должно составлять: серы не более 0,015 мас. % и фосфора не более 0,020 мас. %. Фосфор в количестве более 0,020 мас. % способствует значительному развитию процессов охрупчивания стали при отпуске.
Положительное влияние на стойкость стали против хрупкого разрушения также оказывает размер исходного зерна аустенита, который должен быть по меньшей мере 8 балла в соответствии с ГОСТ 5639. Измельчение зерна достигается термической обработкой и проведением специального микролегирования стали. В этом случае эффективны добавки ванадия в количестве не более 0,12 мас. % и ниобия не более 0,05 мас. %, препятствующие росту зерна при нагреве за счет образования тугоплавких мелкодисперсных включений. При содержании ванадия более 0,12 мас. % и ниобия более 0,05 мас. % возможно развитие процессов вторичного твердения при отпуске, что приводит к снижению ударной вязкости стали.
Требуемый уровень прочностных свойств металла хладостойкой трубы из предлагаемой стали по первому и второму вариантам достигается после проведения закалки и последующего высокого отпуска, который обеспечивает повышение вязкопластических свойств.
Следует учитывать, что при проведении отпуска большинство конструкционных сталей подвержены охрупчиванию (явление отпускной хрупкости). Из литературных данных известно (М.А. Смирнов, В.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев «Основы термической обработки стали: Учебное пособие». - М: «Наука и технологии», 2002, с. 342.; А.П. Гуляев «Металловедение». - М.: «Металлургия», 1977, с. 374), что температурная область максимального охрупчивания находится вблизи температуры 500°С, что требует особого внимания при изготовлении высокопрочных труб.
Проведенные исследования показали, что хромомарганцевые стали, несмотря на малое содержание вредных примесей (серы не более 0,015 мас. % и фосфора не более 0,020 мас. %), подвержены развитию отпускной хрупкости (таблица 1).
Figure 00000001
Монотонное снижение значений ударной вязкости наблюдается с увеличением времени выдержки при температуре отпуска 500°С. При этом в трубах по первому варианту отмечено заметное снижение ударной вязкости с увеличением времени выдержки при отпуске (признак отпускной хрупкости) уже при температуре испытания на ударный изгиб 0°С. С введением молибдена в количестве 0,33 мас. % особенность проявления отпускной хрупкости состоит в снижении ударной вязкости с увеличением времени выдержки при отпуске при снижении температуры испытания до минус 60°С, которая является определяющей при изготовлении труб в хладостойком исполнении.
По результатам проведенных исследований для изготовления предлагаемой хладостойкой трубы температура отпуска должна составлять не менее 540°С.
Предлагаемые варианты хладостойкой трубы были изготовлены в Публичном акционерном обществе «Синарский трубный завод» (ПАО «СинТЗ»). Химический состав и размерный ряд представлены в таблице 2. Полученный уровень механических свойств труб после закалки и высокого отпуска при температурах не менее 540°С и трубы, изготовленной из марганцевой стали по прототипу, размером 140×10,5 мм приведен в таблице 3.
Figure 00000002
Отпуск труб после закалки был проведен при температурах от 550 до 720°С (время выдержки 45÷90 минут) в зависимости от требуемого уровня механических свойств. По результатам оценки, согласно ГОСТ 5639, размер исходного зерна аустенита стали составил 8-9 балл. Уровень механических свойств труб достигнут в диапазоне групп прочности от Д (предел текучести 379÷655 МПа) до Р (предел текучести 930÷1137 МПа). При этом значения ударной вязкости при температуре испытания минус 60°С находятся на уровне 126÷223 Дж/см2 для всех групп прочности с достаточно большим запасом относительно минимальной требуемой величины 70 Дж/см2.
Figure 00000003
На трубах, соответствующих прототипу, достигнут уровень механических свойств группы прочности Е (предел текучести 552÷758 МПа) при температуре отпуска 550°С (время выдержки 45 минут), что значительно ниже заявленной группы прочности Р (предел текучести 930÷1137 МПа).
Таким образом, трубы с толщиной стенки 15 мм и более, выполненные из стали предлагаемого химического состава и подвергнутые закалке и высокому отпуску при температурах не ниже 540°С, обладают хладостойкостью и высоким комплексом прочностных свойств, что делает эффективным их использование в качестве насосно-компрессорных и обсадных труб с муфтами в нефтегазовом комплексе Северных регионов.

Claims (8)

1. Труба нефтяного сортамента высокопрочная хладостойкая, выполненная из подвергнутой закалке и отпуску стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, ударная вязкость которой при температуре испытания минус 60°С составляет не менее 70 Дж/см2, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод 0,28-0,35 кремний 0,15-0,45 марганец 0,50-1,20 хром 0,60-1,30 алюминий 0,02-0,05 сера не более 0,015 фосфор не более 0,020 азот не более 0,012 железо и неизбежные примеси, в том числе никель и медь остальное,
при этом труба подвергнута высокому отпуску при температуре нагрева не ниже 540°С.
2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что размер исходного зерна аустенита стали не крупнее 8 балла.
3. Труба нефтяного сортамента высокопрочная хладостойкая, выполненная из подвергнутой закалке и отпуску стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, молибден, никель, медь, ванадий, алюминий, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, ударная вязкость которой при температуре испытания минус 60°С составляет не менее 70 Дж/см2, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, дополнительно содержащей ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод 0,23-0,35 кремний 0,15-0,45 марганец 0,30-1,20 хром 0,40-1,30 молибден 0,10-1,00 ванадий не более 0,12 ниобий не более 0,05 алюминий 0,02-0,05 сера не более 0,015 фосфор не более 0,020 азот не более 0,012 железо и неизбежные примеси, в том числе никель и медь остальное,
при этом труба подвергнута высокому отпуску при температуре нагрева не ниже 540°С.
4. Труба по п. 3, отличающаяся тем, что размер исходного зерна аустенита стали не крупнее 8 балла.
RU2018115297A 2018-04-25 2018-04-25 Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты) RU2680457C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018115297A RU2680457C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018115297A RU2680457C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2680457C1 true RU2680457C1 (ru) 2019-02-21

Family

ID=65479225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018115297A RU2680457C1 (ru) 2018-04-25 2018-04-25 Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2680457C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707613C1 (ru) * 2019-03-06 2019-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Пермская компания нефтяного машиностроения Тяжелая бурильная труба

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000096144A (ja) * 1998-09-22 2000-04-04 Kawasaki Steel Corp 鋼管の製造方法
RU2221875C2 (ru) * 2002-02-08 2004-01-20 Открытое акционерное общество "Волжский трубный завод" Способ производства бесшовных труб из углеродистой или низколегированной стали повышенной коррозионной стойкости
JP2004292922A (ja) * 2003-03-28 2004-10-21 Jfe Steel Kk 複合二次加工性に優れた高張力鋼管の製造方法
RU2552794C2 (ru) * 2013-07-09 2015-06-10 Открытое акционерное общество "Синарский трубный завод" (ОАО "СинТЗ") Труба нефтяного сортамента хладостойкая
RU2631063C1 (ru) * 2016-05-23 2017-09-18 Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат" Способ производства инструментального высокопрочного листового проката

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000096144A (ja) * 1998-09-22 2000-04-04 Kawasaki Steel Corp 鋼管の製造方法
RU2221875C2 (ru) * 2002-02-08 2004-01-20 Открытое акционерное общество "Волжский трубный завод" Способ производства бесшовных труб из углеродистой или низколегированной стали повышенной коррозионной стойкости
JP2004292922A (ja) * 2003-03-28 2004-10-21 Jfe Steel Kk 複合二次加工性に優れた高張力鋼管の製造方法
RU2552794C2 (ru) * 2013-07-09 2015-06-10 Открытое акционерное общество "Синарский трубный завод" (ОАО "СинТЗ") Труба нефтяного сортамента хладостойкая
RU2631063C1 (ru) * 2016-05-23 2017-09-18 Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат" Способ производства инструментального высокопрочного листового проката

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2707613C1 (ru) * 2019-03-06 2019-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Пермская компания нефтяного машиностроения Тяжелая бурильная труба

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11085095B2 (en) High-strength seamless stainless steel pipe for oil country tubular goods and method of manufacturing high-strength seamless stainless steel pipe
US9879334B2 (en) Abrasion resistant steel plate or steel sheet excellent in resistance to stress corrosion cracking and method for manufacturing the same
JP5943165B1 (ja) 油井用高強度継目無鋼管およびその製造方法
JP5943164B1 (ja) 油井用高強度継目無鋼管およびその製造方法
US11186885B2 (en) High-strength seamless steel pipe for oil country tubular goods, and production method for high-strength seamless steel pipe for oil country tubular goods
JP2019131892A (ja) 耐摩耗鋼板および耐摩耗鋼板の製造方法
JP6680409B1 (ja) 油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法
WO2016079908A1 (ja) 油井用高強度継目無鋼管およびその製造方法
US10480043B2 (en) Seamless steel pipe for line pipe and method for producing the same
JP2006045670A (ja) 耐遅れ破壊特性に優れた高強度調質鋼およびその製造方法
JPWO2018074109A1 (ja) 油井用高強度継目無鋼管およびその製造方法
US20200283866A1 (en) Martensitic stainless steel seamless pipe for oil country tubular goods, and method for manufacturing same
JPWO2020095559A1 (ja) 油井管用マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管およびその製造方法
RU2437954C1 (ru) Коррозионно-стойкая сталь для нефтегазодобывающего оборудования
RU2680457C1 (ru) Труба нефтяного сортамента высокопрочная в хладостойком исполнении (варианты)
RU2583229C9 (ru) Способ производства сверхвысокопрочной листовой стали
RU2625861C1 (ru) Способ производства листовой стали с высокой износостойкостью
WO2015133470A1 (ja) 時効硬化型ベイナイト非調質鋼
JP6128297B1 (ja) 油井用高強度継目無鋼管およびその製造方法
RU2635205C2 (ru) Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из коррозионно-стойкой стали
AU2018318501B2 (en) Steel with High Hardness and Excellent Toughness
JP2007254765A (ja) 耐水素脆化特性および靭延性に優れた高強度構造用鋼とその製造方法
Kulkarni et al. Improvement in mechanical properties of 13Cr martensitic stainless steels using modified heat treatments
RU2603404C1 (ru) Способ производства высокотвердого износостойкого листового проката
JPH0348261B2 (ru)