Разработка химических составов и режимов термической обработки высокопрочных труб в сероводородостойком исполнении

ОАО «Синарский трубный завод» выходит на мировой уровень, успешно осваивая крупносерийное производство бесшовных труб по стандартам API 5СТ, API 5L, API 5D, DIN, DIN EN, ASTM, а также по отечественным техническим условиям как в обычном, так и в хладои коррозионностойком исполнениях. В последние годы наряду с необходимостью удовлетворения потребности внутреннего рынка наблюдается рост экспортных поставок.

Достижение требуемых параметров, в частности, при производстве труб повышенной сероводородостойкости требует постоянного поиска путей оптимизации химического состава стали и технологии обработки [1].

В настоящее время на предприятиях нефтяного комплекса велика потребность в высокопрочных сероводородостойких трубах. Это связано с освоением новых месторождений, среды которых содержат значительное количество сероводорода, а также с необходимостью добычи нефти на поздних стадиях разработки месторождений, когда нефть отличается высокой степенью обводненности и насыщена сероводородом.

Российские трубные предприятия начали освоение производства данного вида труб сравнительно недавно и нефтедобывающие предприятия в основном приобретают указанную продукцию зарубежом. Отсюда вытекает актуальность представленной работы и востребованность ее результатов как для производителей труб, так и для их потребителей в общероссийском масштабе.

Целью данной диссертационной работы явилась разработка составов и технологии термической обработки труб и муфтовой заготовки групп прочности L80 и С90 по API 5СТ/ ISO 11 960 с дополнительными требованиями по стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением.

Исходя из поставленной цели, в работе решались следующие задачи;

1. Исследовать однородность структуры непрырывно-литой заготовки, устойчивость переохлажденного аустенита, склонность к росту аустенитного зерна металла заготовки для производства данного вида труб.

2. Изучить микроструктуру и механические свойства труб после различных переделов: горячего проката, закалки и отпуска при различных температурах.

3. Провести испытания образцов, вырезанных из труб и муфтовой заготовки, на стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением и выделить основные факторы, ответственные за коррозионную стойкость труб в сероводородсодержащих средах.

4. Разработать рекомендации по серийному выпуску на ОАО «СинТЗ» труб нефтяного сортамента с повышенным уровнем механических свойств в сероводородостойком исполнении.

Научная новизна.

1. Для вновь разработанных сталей типа 26ХМФА с содержанием Мо от 0,17 до 0,53%, как и для стали 32ХМА, построены диаграммы распада переохлажденного аустенита, определены критические точки, критические скорости закалки, оценена склонность к росту аустенитного зерна при нагреве.

2. Выявлены характеристики микроструктуры и уровень микроискажений в исследованных сталях после высокотемпературного отпуска и влияния на них содержания молибдена.

3. Установлены корреляционные связи между механическими свойствами и параметрами структуры труб из исследованных сталей после термоулучшения.

4. Получена совокупность данных по влиянию однородности структуры и уровня микроискажений на стойкость труб к сульфидному растрескиванию под напряжением.

5. Представлены новые экспериментальные результаты по возрастанию плотности дислокаций и величины микроискажений в сталях в ходе коррозионного воздействия под напряжением и предложена их интерпретация.

Практическая значимость работы.

На основе результатов проведенных исследований разработана и внедрена в производство технология изготовления труб и муфт к ним повышенных групп прочности (Ь80 и С90) с толщиной стенки от 5,5 до 21 мм. По результатам испытаний в ООО «ВНИИГАЗ» трубы аттестованы на соответствие сероводородостойкому исполнению. На ОАО «СинТЗ» выпущена промышленная партия (300,6 т) насосно-компрессорных труб группы прочности С90 по API 5СТ, химический состав и технология изготовления которых соответствуют разработанным в диссертации рекомендациям. С учетом накопленного положительного опыта приняты заказы на изготовление труб в сероводородостойком исполнении, которые будут выполнены в ближайшее время. Акт о внедрении в производство результатов работы приведен в приложении.

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов Уральского государственного технического университетаУПИ и в ОАО «СинТЗ».

Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых специалистов на ОАО «СинТЗ» (Каменск-Уральский, 2003) — XVII уральской школе металловедов-термистов (Киров, 2004) — XIII Международной научно-практической конференции «Трубы-2005» (Челябинск, 2005) — II международной школе «Физическое материаловедение» — XVIII Уральской школе металловедов термистов «Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006 г.) — V конкурсной конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России (Королев, 2006), XVI Международной научно-практической конференции «Трубы-2007» (Челябинск, 2007).

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю профессору кафедры ТО и ФМ доктору технических наук Фарберу В. М. за становление автора, как специалиста, за помощь в постановке задач исследований и обсуждении их результатов, сотрудникам кафедры «Термической обработки и физики металлов» УГТУ-УПИ за содействие в работе. Также выражаю благодарность генеральному директору ОАО «РосНИТИ», доктору технических наук Пышминцеву И. Ю., директору филиала ОАО «РосНИТИ» в г.

Екатеринбурге, кандидату технических наук Веселову И. Н., доценту кафедры «Термической обработки и физики металлов», кандидату технических наук Хотинову В. А. за помощь в проведении ряда экспериментов. Считаю своим долгом выразить глубокую признательность коллективу центральной заводской лаборатории ОАО «СинТЗ», в особенности, начальнику Горожанину П. Ю., заместителю начальника по новым видам продукции Лефлеру М. Н., начальнику лаборатории металловедения и термической обработки, кандидату технических наук Жуковой С. Ю. за постоянную поддержку и помощь на всех этапах проведения данной работы.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Исследование трубных заготовок из вновь разработанных сталей типа 26ХМФА с содержанием Мо 0,17, 0,27 и 0,53%, а также стали 32ХМА с 0,50−0,65% молибдена показало, что они обладают необходимой для сероводородостойкого исполнения металлургической чистотой (пониженным содержанием цветных металлов As, Pb, Sn, серы (0,006%) и фосфора (0,010%), газов и неметаллических включений). Стали, являясь природномелкозернистыми, имеют устойчивость переохлажденного аустенита, достаточную для образования при закалке в специальной спрейерной установке 90% мартенсита в трубах с толщиной стенки не более 14 мм из стали 26ХМФА с 0,17% Мо и трубах с толщиной стенки до 21 мм включительно из аналогичной стали с 0,53% Мо.

2. Наилучшая конструктивная прочность (ав=700−800 МПа, ат= 600 700 МПа, KCV" 60=250−275 Дж/см2, б5~30%, вязкая составляющая в изломе более 87%) достигается при отпуске на 700 °C (параметре отпуска 19,6). Трубы из сталей типа 26ХМФА имеют конструктивную прочность, превышающую таковую для стали 32ХМА. При высокотемпературном отпуске сталей (ТотП=7000С, тотп =70 мин) на смену реечному строению приходит субзеренная структура почти на 100% в стали типа 26ХМФА, и лишь на ~ 50% в стали 32ХМА. Остаточные микронапряжения полностью снимаются во всех изученных сталях.

3. Широкая гамма механических свойств, которые имеют изученные стали в термоулучшенном состоянии, позволяет изготавливать из них трубы различных групп прочности по ГОСТ 633(632)-80, API 5СТ и нормативным документам на хладостойкие трубы. Для производства труб в сероводородостойком исполнении группы прочности Е (L80) с толщиной стенки 10,54 мм включительно рекомендована сталь 26ХМФА с 0,27% Мо.

Т отп=700°С, ТОтп=90 мин), для группы прочности Л (С90) и муфтовой заготовки групп прочности Е (L80) и Л (С90) с толщиной стенки 21,0 мм включительно — сталь 26ХМФА с 0,53%Мо (Т ОТП=700°С, тотп=90 мин для Л (С90), Т отп=710°С, хотп=180 мин).

4. Установлено, что образцы сталей типа 26ХМФА, вырезанные из труб и муфтовой заготовки, выдерживают испытания на стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением по методу A NACE ТМ 01 -77 (96) в случае, когда в них после высокотемпературного отпуска отсутствуют внутренние микронапряжения и формируется достаточно однородная субзеренная структура.

5. В соответствии с разработанными в диссертации рекомендациями по химическому составу и режимам термообработки на ОАО «СинТЗ» выпущена промышленная партия (300,6 т) насосно-компрессорных труб группы прочности С90 по API 5 СТ.