Стальной материал и стальная труба для нефтяных скважин
Изобретение относится к области металлургии, а именно к стальному материалу, используемому для изготовления стальных труб для нефтяных скважин. Материал содержит, мас.%: C: 0,15-0,45, Si: 0,10-1,0, Mn: 0,10 - менее чем 0,90, P: 0,05 или менее, S: 0,01 или менее, Al: 0,01-0,1, N: 0,010 или менее, Cr: 0,1-2,5, Mo: 0,35-3,0, Co: 0,50-3,0, Cu: 0-0,5, Ni: 0-0,5, Ti: 0-0,03, Nb: 0-0,15, V: 0-0,5, B: 0-0,003, Ca: 0-0,004, Mg: 0-0,004, Zr: 0-0,004, редкоземельный металл: 0-0,004, остальное - Fe и примеси. Микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита, а состав удовлетворяет выражениям: C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α ≥ 0,50, (3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥1,0 и эффективный B=B-11(N-Ti/3,4)/14, где α составляет 0,250 при эффективном B, составляющем 0,0003% или более, и равен 0 при эффективном B, составляющем менее чем 0,0003%. Материал обладает превосходной стойкостью к SSC даже в среде с высоким давлением H2S. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к стальному материалу и стальной трубе для нефтяных скважин, и, более конкретно, относится к стальному материалу и стальной трубе для нефтяных скважин, которые подходят для использования в кислой среде.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Из-за повышения глубины нефтяных скважин и газовых скважин (ниже нефтяные скважины и газовые скважины обобщенно называются как "нефтяные скважины") существует требование повышать прочность стальных труб для нефтяных скважин. Точнее говоря, широко используются стальные трубы для нефтяных скважин класса 80 ksi (Kilopounds per Square Inch, кфунт/дюйм2 (предел текучести составляет от 80 до 95 ksi, то есть от 551 до 654 МПа) и класса 95 ksi (предел текучести составляет от 95 до 110 ksi, то есть от 654 до 758 МПа).
[0003] Многие глубокие скважины находятся в кислой среде, содержащей сульфид водорода, который вызывает коррозию. Стальным трубам для нефтяных скважин, которые используются в таких кислых средах, необходимо иметь не только высокую прочность, но также иметь стойкость к растрескиванию под действием напряжений в сульфидсодержащей среде (ниже называемую как "SSC resistance, sulphide stress cracking").
[0004] Стали с высокой прочностью и улучшенными характеристиками стойкости к водородному охрупчиванию (стойкость к SSC и стойкость к замедленному разрушению) предложены в публикации заявки на патент Японии №56-5949 (Патентная литература 1) и публикации заявки на патент Японии №57-35622 (Патентная литература 2). Стали, раскрытые в вышеупомянутых патентных литературах, содержат Co и, тем самым, улучшаются характеристики стойкости к водородному охрупчиванию и (стойкость к SSC и стойкость к замедленному разрушению).
[0005] Точнее говоря, высокопрочная сталь, раскрытая в Патентной литературе 1, получается закалкой и отпуском стали, имеющей химический состав, включающий C: 0,05-0,50%, Si: 0,10-0,28%, Mn: 0,10-2,0%, Co: 0,05-1,50% и Al: 0,01-0,10%, причем остальное - Fe и неизбежные примеси, и имеет предел текучести 60 кг/мм2 или более.
[0006] Высокопрочная сталь для нефтяных скважин, раскрытая в Патентной литературе 2 получается путем подвергания стали, имеющей химический состав, включающий C: 0,27-0,50%, Si: 0,08-0,30%, Mn: 0,90-1,30%, Cr: 0,5-0,9%, Ni: 0,03% или менее, V: 0,04-0,11%, Nb: 0,01-0,10%, Mo: 0,60-0,80%, Al: 0,1% или менее и Co: 3% или менее, причем остальное - Fe и неизбежные примеси, где примеси содержат P: 0,005% или менее и S: 0,003% или менее, воздействию закалки при 880-980°C, а затем отпуска при 650-700°C.
СПИСОК ССЫЛОК
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
[0007]
Патентная литература 1: публикация заявки на патент Японии №56-5949
Патентная литература 2: публикация заявки на патент Японии №57-35622
[0008] Между прочим, обычная оценка стойкости стального материала к SSC главным образом основывалась, например, на испытании на разрыв и испытании на изгиб, таких как метод испытания A или метод испытания B, определенных в Национальной ассоциации инженеров-специалистов по коррозии (NACE, National Association of Corrosion Engineers) в ТМ0177.
[0009] Однако, поскольку эти испытания используют ненадрезанный испытываемый образец, рассмотрение не дано для характеристик приостановления распространения SSC. Поэтому, даже в случае стального материала, который оценивают, как имеющий превосходную SSC в вышеупомянутых испытаниях, SSC возрастает в некоторых случаях из-за распространения скрытых трещин в стали.
[0010] Кроме того, в последние годы сопутствующее повышению глубины нефтяных скважин и тому подобного, давление газа H2S в кислых средах увеличилось приблизительно до 5-15 атм. Стальному материалу, используемому в таких средах с высоким давлением H2S, необходимо иметь более превосходную стойкость к SSC, чем до сего времени. Для получения превосходной SSC сопротивляемости предпочтительно подавлять не только наличие стойкости к SSC, но и подавлять распространение SSC. Поэтому, в последние годы превосходная стойкость к SSC, имеющая высокую величину вязкости разрушения KISSC, требуется в испытании методом двойной консольной балки DCB (Double Cantilever Beam) в соответствии с методом D, определенном в TM0177 NACE.
[0011] В Патентной литературе 1 и Патентной литературе 2 не оценена стойкость к SSC в среде с высоким давлением H2S, в которой парциальное давление H2S составляет от 5 до 15 атм, при этом возможно, что в некоторых случаях величина вязкости разрушения KISSC в среде с высоким давлением H2S является низкой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
[0012] Целью настоящего изобретения является создание стального материала, который имеет превосходную стойкость к SSC даже в среде с высоким давлением H2S.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
[0013] Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением имеет химический состав, состоящий в % мас. из C: 0,15-0,45%, Si: 0,10-1,0%, Mn: 0,10-less than 0,90%, P: 0,05% или менее, S: 0,01% или менее, Al: 0,01-0,1%, N: 0,01% или менее, Cr: 0,1-2,5%, Mo: 0,35-3,0%, Co: 0,50-3,0%, Cu: 0-0,5%, Ni: 0-0,5%, Ti: 0-0,03%, Nb: 0-0,15%, V: 0-0,5%, B: 0-0,003%, Ca: 0-0,004%, Mg: 0-0,004%, Zr: 0-0,004% и редкоземельного металла: 0-0,004%, причем остальное - Fe и неизбежные примеси, и удовлетворяющий выражениям (1) и (2), в котором микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита:
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α≥0,50 (1)
(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥1,0 (2)
Эффективный B=B-11(N-Ti/3,4)/14 (3)
где α в выражении (1) составляет 0,250, когда эффективный В (мас.%), определенный по выражению (3) составляет 0,0003% или более, и равно 0, когда эффективный бор составляет менее, чем 0,0003%. Содержанием (мас.%) соответствующего элемента замещается каждый символ элемента в выражении (1)-выражении (3).
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением имеет превосходную стойкость к SSC даже в среде с высоким давлением H2S.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0015]
[Фиг.1] Фиг.1 представляет собой изображение, иллюстрирующее связь между содержанием Co (мас.%) и величиной вязкости разрушения KISSC (единица - MПa√м).
[Фиг.2] Фиг.2 представляет собой изображение, иллюстрирующее связь между F2=(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr) и величиной вязкости разрушения KISSC (единица - MПa√м).
[Фиг.3A] Фиг.3A иллюстрирует вид сбоку и вид в разрезе испытываемого образца методом DCB, который используют в испытании методом DCB в примерах. Числа на фиг.3A указывают длину (единица - мм) каждой соответствующей части.
[Фиг.3B] Фиг.3B представляет собой вид в перспективе клина, который используется в испытании методом DCB в примерах. Номера на фиг.3B указывают длину (единица - мм) каждой соответствующей части.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0016] Авторы настоящего изобретения проводили испытания и исследования, касающиеся стойкости к SSC в среде с высоким давлением H2S 5-15 атм, и получили следующие выводы.
[0017]
(1) Co улучшает стойкость к SSC. Конкретно, в стальном материале, имеющем химический состав, включающий в мас.% C: 0,15-0,45%, Si: 0,10-1,0%, Mn: - 5-0,10-менее чем 0,90%, P: 0,05% или менее, S: 0,01% или менее, Al: 0,01-0,1%, N: 0,010% или менее, Cr: 0,1-2,5%, Mo: 0,35-3,0%, Cu: 0-0,5%, Ni: 0-0,5%, Ti: 0-0,03%, Nb: 0-0,15%, V: 0-0,5%, B: 0-0,003%, Ca: 0-0,004%, Mg: 0-0,004%, Zr: 0-0,004%, и редкоземельный металл: 0-0,004%, когда Co содержится в количестве от 0,50% до 3,0%, получается превосходная cтойкость к SSC.
[0018] Фиг.1 представляет собой изображение, иллюстрирующее связь между содержанием Co (мас.%) и величиной вязкости разрушения KISSC (единица - MПa√м) в среде с высоким давлением H2S, которая была получена исходя из испытаний методом DCB из примеров, которые описаны далее. Обращаясь к фиг.1, было найдено, что по мере того как содержание Co увеличивается от 0%, величина вязкости разрушения KISSC быстро повышается и становится 35 MПa√м или более, когда содержание Co составляет 0,50% или более. С другой стороны, хотя содержание Co составляет более чем 0,80%, величина вязкости разрушения KISSC снижается, когда содержание Co составляет более чем 1,0%, величина вязкости разрушения KISSC переходит почти непрерывно в величину, которая выше, чем 35 MПa√м, пока содержание Co достигает 3,0%. Когда содержание Co составляет более чем 3,0%, величина вязкости разрушения KISSC постепенно снижается, и становится менее чем 35 MПa√м.
[0019] Вкратце, в вышеописанном химическом составе, когда содержание Co составляет от 0,50 до 3,0%, получается высокая величина вязкости разрушения KISSC, и получается превосходная стойкость к SSC, которая может подавлять распространение SSC. Хотя причина этого не ясна, полагают, что причина заключается в следующем. Во время использования в кислой среде Co концентрируется в наружном слое стального материала. Проникновение водорода в сталь подавляется с помощью Co, который концентрируется в наружном слое. Полагают, что посредством этого улучшается стойкость к SSC.
[0020] (2) Как описано выше, если содержится определенное количество Co, то получается превосходная стойкость к SSC из-за концентрации Co в наружном слое. Однако не в пример другому легирующему элементу (C, Mn, Cr, V, Cu, Ni и тому подобному), Co ухудшает упрочняемость стали. Соответственно, если содержание Co является высоким по сравнению с содержанием C, Mn, Cr, V, Cu и Ni, то упрочняемость будет снижаться. В этом случае микроструктура будет гетерогенной структурой, состоящей не только из отпущенного мартенсита, но и бейнита или остаточного аустенита. Поэтому, стойкость к SSC будет снижаться из-за микроструктуры. В этом смысле, как результат изучения связи между Co и другими легирующими элементами относительно стойкости к SSC, авторы настоящего изобретения получили следующие выводы.
[0021] Если химический состав также удовлетворяет выражению (1) и выражению (2), то превосходная стойкость к SSC получается при сохранении упрочняемости:
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α≥0,50 (1)
(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥1,0 (2)
Эффективный B=B-11(N-Ti/3,4)/14 (3),
где α в выражении (1) составляет 0,250, когда эффективный В (мас.%), определенный по выражению (3) составляет 0,0003% или более, и равно 0, когда эффективный бор составляет менее, чем 0,0003%. Содержанием (мас.%) соответствующего элемента замещается каждый символ элемента в выражении (1)-выражении (3).
[0022]
[Рассмотрение выражения (1)]
F1 определен как равный C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α. F1 представляет собой показатель упрочняемости. C, Mn, Cr, Mo, V, Cu и заданное количество эффективного B (растворенного B) улучшают упрочняемость стали. С другой стороны, как упомянуто выше, Со понижает упрочняемость стали. Если F1 составляет 0,50 или более, даже если сталь содержит Со, то получается превосходная упрочняемость и объемное отношение отпущенного мартенсита в микроструктуре может возрастать.
[0023] В случае, когда микроструктура по существу состоит из отпущенного мартенсита, получается превосходная стойкость к SSC. С другой стороны, в случае, когда микроструктура представляет собой гетерогенную структуру, состоящую из отпущенного мартенсита и других фаз (бейнита, остаточного аустенита или тому подобного), стойкость к SSC ухудшается. В случае, когда F1 удовлетворяет выражению (1), объемное отношение отпущенного мартенсита в микроструктуре составляет 90% или более, и получается превосходная стойкость к SSC.
[0024]
[Рассмотрение выражения (2)]
Когда F1 удовлетворяет выражению (1), микроструктура будет по существу отпущенным мартенситом. Однако если химический состав включает избыточное количество легирующих элементов, то стойкость к SSC будет, напротив, ухудшаться, потому что легирующие элементы будут удерживать (аккумулировать) водород в стальном материале. Среди элементов, которые улучшают упрочняемость, в частности, Mn и Cr могут ухудшать стойкость к SSC, хотя Mn и Cr улучшают упрочняемость. С другой стороны, наряду с вышеописанным Co, C и Mo являются элементами, которые улучшают стойкость стали к SSC.
[0025] F2 определен как равный (3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr). F2 является показателем стойкости стали к SSC.
[0026] Фиг.2 представляет собой изображение, иллюстрирующее связь между F2 и величиной вязкости разрушения KISSC (единица - MПa√м). Фиг.2 была получена на основании испытаний методом DCB на стальных толстых листах, соответствующих классу С110 стандартов Американского нефтяного института API (American Petroleum Institute) в примерах, описываемых далее. Обращаясь к фиг.2, было найдено, что величина вязкости разрушения KISSC быстро повышается, когда F2 находится вблизи 1,0. Когда F2 составляет более чем 1,0, величина вязкости разрушения KISSC переходит в почти постоянную при значении, которое выше, чем 35 MПa√м. То есть, существует точка перегиба, в которой F2=1,0.
[0027] Исходя из вышесказанного, когда F2 составляет 1,0 или более, когда отношение содержания элементов, которые улучшают стойкость к SSC, к содержанию Mn и Cr является большим, получается превосходная стойкость к SSC.
[0028] Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением, который закончили, основываясь на вышеупомянутых выводах, имеет химический состав, состоящий в мас.% из C: 0,15-0,45%, Si: 0,10-1,0%, Mn: 0,10 - менее чем 0,90%, P: 0,05% или менее, S: 0,01% или менее, Al: 0,01-0,1%, N: 0,010% или менее, Cr: 0,1-2,5%, Mo: 0,35-3,0%, Co: 0,50-3,0%, Cu: 0-0,5%, Ni: 0-0,5%, Ti: 0-0,030%, Nb: 0-0,15%, V: 0-0,5%, B: 0-0,003%, Ca: 0-0,004%, Mg: 0-0,004%, Zr: 0-0,004% и редкоземельного металла: 0-0,004%, причем остальное - Fe и примеси, и удовлетворяющий выражениям (1) и (2), в котором микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита:
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α≥0,50 (1)
(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥1,0 (2)
Эффективный B=B-11(N-Ti/3,4)/14 (3)
где α в выражении (1) составляет 0,250, когда эффективный B (мас.%), определенный выражением (3), составляет 0,0003% или более, и равен 0, когда эффективный B составляет менее чем 0,0003%. Содержанием (мас.%) соответствующего элемента замещается каждый символ элемента в выражении (1) - выражении (3).
[0029] Описанный выше химический состав может содержать один или более типов элемента, выбранного из группы, состоящей из Cu: 0,02-0,5% и Ni: 0,02-0,5%.
[0030] Описанный выше химический состав может содержать один или более типов элемента, выбранного из группы, состоящей из Ti: 0,003-0,03%, Nb: 0,003-0,15% и V: 0,005-0,5%.
[0031] Описанный выше химический состав может включать B: 0,0003-0,003%.
[0032] Описанный выше химический состав может включать один или более типов элемента, выбранного из группы, состоящей из Ca: 0,0003-0,004%, Mg: 0,0003-0,004%, Zr: 0,0003-0,004% и редкоземельный металл: 0,0003-0,004%.
[0033] При наличии описанного выше химического состава стальная труба для нефтяных скважин в соответствии с настоящим изобретением показывает превосходную прочность и стойкость к SSC даже с толщиной стенки 15 мм или более.
[0034] Далее стальной материал по настоящему изобретению описан подробно. Символ "%" относительно элемента означает "мас.%", пока конкретно не установлено иным образом.
[0035]
[ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ]
Химический состав стального материала в соответствии с настоящим изобретением включает следующие элементы.
[0036]
C: 0,15-0,45%
Углерод (C) улучшает упрочняемость и повышает прочность стали. Кроме того, C содействует сфероидизации карбидов во время отпуска в течение производственного процесса, тем самым, улучшая стойкость к SSC. C также связывается с Mo или V с образованием карбидов, тем самым усиливая ослабление сопротивления отпуску. Если карбиды диспергированы, то прочность стали дополнительно повышается. Эти эффекты не будут обеспечиваться, если содержание C является слишком низким. С другой стороны, если содержание C является слишком высоким, вязкость стали будет снижаться и может произойти образование трещин при закалке. Поэтому, содержание C составляет от 0,15 до 0,45%. Предпочтительный нижний предел содержания C составляет 0,20%, а более предпочтительно составляет 0,25%. Предпочтительный верхний предел содержания C составляет 0,40%, а более предпочтительно составляет 0,35%.
[0037]
Si: 0,10-1,0%
Кремний (Si) раскисляет сталь. Если содержание Si является слишком низким, то этот эффект не достигается. С другой стороны, если содержание Si является слишком высоким, то остаточный аустенит получается избыточно и стойкость к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Si составляет от 0,10 до 1,0%. Предпочтительный нижний предел содержания Si составляет 0,15%, а более предпочтительно составляет 0,20%. Предпочтительный верхний предел содержания Si составляет 0,55%, а более предпочтительно составляет 0,40%.
[0038]
Mn: 0,10 - менее чем 0,90%
Марганец (Mn) раскисляет сталь. Mn также улучшает упрочняемость стали, а также повышает прочность стали. Если содержание Mn является слишком низким, то эти эффекты не достигаются. С другой стороны, если содержание Mn является слишком высоким, то Mn сегрегирует на границы зерен вместе с примесями, такими как фосфор (P) и сера (S). В таком случае стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Mn составляет от 0,1 до менее чем 0,90%. Предпочтительный нижний предел содержания Mn составляет 0,25%, а более предпочтительно составляет 0,28%. Предпочтительный верхний предел содержания Mn составляет 0,80%.
[0039]
P: 0,05% или менее
Фосфор (P) является примесью. P сегрегирует на границы зерен и ухудшает стойкость стали к SSC. Соответственно, содержание P составляет 0,05% или менее. Предпочтительное содержание P составляет 0,02% или менее. Предпочтительно, содержание P является насколько возможно низким.
[0040]
S: 0,01% или менее
Сера (S) является примесью. S сегрегирует на границы зерен и ухудшает стойкость стали к SSC. Соответственно, содержание S составляет 0,01% или менее. Предпочтительное содержание S составляет 0,005% или менее, а более предпочтительно 0,003% или менее. Предпочтительно, содержание S является насколько возможно низким.
[0041]
Al: 0,01-0,1%
Алюминий (Al) раскисляет сталь. Если содержание Al является слишком низким, этот эффект не достигается и стойкость стали к SSC ухудшается. С другой стороны, если содержание Al является слишком высоким, то возникают крупнозернистые оксидные включения и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Al составляет от 0,01 до 0,1%. Предпочтительный нижний предел содержания Al составляет 0,015%, а более предпочтительно составляет 0,020%. Предпочтительный верхний предел содержания Al составляет 0,06%, а более предпочтительно составляет 0,050%. В настоящем описании содержание "Al" означает "кислоторастворимого Al", то есть содержание "sol.Al".
[0042]
N: 0,010% или менее
Азот (N) содержится неизбежно. N образует крупнозернистые нитриды и ухудшает стойкость стали к SSC. Соответственно содержание N составляет 0,010% или менее. Предпочтительное содержание N составляет 0,005% или менее, а более предпочтительно составляет 0,004% или менее. Предпочтительно, содержание N является насколько возможно низким. Однако в случае, когда предусматривается определенное количество Ti с целью измельчения кристаллического зерна путем выделения мелких нитридов, предпочтительно включать N в количестве 0,002% или более.
[0043]
Cr: 0,1-2,5%
Хром (Cr) улучшает упрочняемость стали и повышает прочность стали. Если содержание Cr является слишком низким, то вышеупомянутые эффекты не получаются. С другой стороны, если содержание Cr является слишком высоким, то стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Cr составляет от 0,1 до 2,5%. Предпочтительный нижний предел содержания Cr составляет 0,25%, а более предпочтительно составляет 0,30%. Предпочтительный верхний предел содержания Cr составляет 1,5%, а более предпочтительно составляет 1,3%.
[0044]
Mo: 0,35-3,0%
Молибден (Mo) улучшает упрочняемость стали. Mo также измельчает карбиды, а также увеличивает ослабление сопротивления отпуску стали и улучшает стойкость к SSC в среде с высоким давлением H2S. Если содержание Mo является слишком низким, то этот эффект не получается. С другой стороны, если содержание Mo является слишком высоким, то вышеупомянутые эффекты достигают предельного значения. Соответственно, содержание Mo составляет от 0,35 до 3,0%. Предпочтительный нижний предел содержания Mo составляет 0,40%, более предпочтительно составляет 0,50%, и предпочтительней составляет более чем 0,70%. Предпочтительный верхний предел содержания Mo составляет 2,0%, а более предпочтительно составляет 1,75%.
[0045]
Co: 0,50-3,0%
Кобальт (Co) улучшает стойкость стали к SSC в среде с высоким давлением H2S. Хотя причина не определена, причина, как полагают, заключается в следующем. В кислой среде Co концентрируется на поверхности стали и подавляет проникновение водорода в сталь. В результате улучшается стойкость стали к SSC. Если содержание Co является слишком низким, то этот эффект не обеспечивается. С другой стороны, если содержание Co является слишком высоким, то упрочняемость стали снижается и понижается прочность стали. Соответственно, содержание Co составляет от 0,50 до 3,0%. Предпочтительный нижний предел содержания Со составляет более чем 0,50%, более предпочтительно составляет 0,7%, а более предпочтительно составляет 1,0%. Предпочтительный верхний предел содержания Co составляет 2,5%, а более предпочтительно составляет 2,0%.
[0046] Остальное из химического состава стального материала в соответствии с настоящим изобретением составляет Fe и примеси. Здесь термин "примеси" относится к элементам, которые во время промышленного производства стального материала примешивают в виде руды или скрапа, который используется в качестве сырья для стального материала, или из производственной среды или тому подобного, и которые допускаются в пределах интервала, который не влияет отрицательно на стальной материал по настоящему изобретению.
[0047]
[Необязательные элементы]
Химический состав вышеописанного стального материала может дополнительно включать один или более типов элемента, выбранного из Cu и Ni, в качестве замены для части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным элементом, и каждый из этих элементов повышает прочность стали.
[0048]
Cu: 0-0,5%
Медь (Cu) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы она содержалась в стали. В случае, когда Cu содержится, Cu улучшает упрочняемость стали и повышает прочность стали. Однако если содержание Cu является слишком высоким, то Cu будет удерживать водород, и стойкость к SSC будет ухудшаться. Соответственно, содержание Cu составляет от 0 до 0,5%. Предпочтительный нижний предел содержания Cu составляет 0,02%, а более предпочтительно составляет 0,05%. Предпочтительный верхний предел содержания Cu составляет 0,35%, а более предпочтительно составляет 0,25%.
[0049]
Ni: 0-0,5%
Никель (Ni) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Ni содержится, Ni улучшает упрочняемость стали и повышает прочность стали. Однако если содержание Ni является слишком высоким, то будет стимулироваться локальная коррозия, и стойкость к SSC будет ухудшаться. Соответственно, содержание Ni составляет от 0 до 0,5%. Предпочтительный нижний предел содержания Ni составляет 0,02%, а более предпочтительно составляет 0,05%. Предпочтительный верхний предел содержания Ni составляет 0,35%, а более предпочтительно составляет 0,25%.
[0050] Химический состав стального материала, который описан выше, может дополнительно включать один или более типов элемента, выбранного из группы, состоящей из Ti, Nb и V, в качестве замены для части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным элементом, и каждый элемент повышает прочность стали путем образования, по меньшей мере, любого из карбидов, нитридов и карбонитридов.
[0051]
Ti: 0-0,03%
Титан (Ti) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Ti содержится, Ti образует нитриды, а также измельчает кристаллические зерна с помощью эффекта пиннинга (закрепления). Посредством этого прочность стали возрастает. Однако если содержание Ti является слишком высоким, нитриды Ti укрупняются и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Ti составляет от 0 до 0,03%. Предпочтительный нижний предел содержания Ti составляет 0,003%, а более предпочтительно составляет 0,005%. Предпочтительный верхний предел содержания Ti составляет 0,015%, а более предпочтительно составляет 0,012%.
[0052]
Nb: 0-0,15%
Ниобий (Nb) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Nb содержится, Nb связывается с С и/или N с образованием карбидов, нитридов или карбонитридов (ниже называемых как "карбонитриды или тому подобное"). Эти карбонитриды или тому подобное измельчают кристаллические зерна и повышают прочность стали. Однако если содержание Nb является слишком высоким, то получаются крупнозернистые выделения и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Nb составляет от 0 до 0,15%. Предпочтительный нижний предел содержания Nb составляет 0,003%, а более предпочтительно составляет 0,007%. Предпочтительный верхний предел Nb составляет 0,050%, а более предпочтительно составляет 0,04%.
[0053]
V: 0-0,5%
Ванадий (V) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда V содержится, V образует карбонитриды или тому подобное, и измельчает кристаллические зерна для улучшения прочности стали. Однако если содержание V является слишком высоким, то вязкость стали уменьшается. Соответственно, содержание V составляет от 0 до 0,5%. Предпочтительный нижний предел содержания V составляет 0,005%, а более предпочтительно составляет 0,015%. Предпочтительный верхний предел содержания V составляет 0,15%, а более предпочтительно составляет 0,12%.
[0054] Химический состав стального материала, который описан выше, может включать B (бор) в качестве замены для части Fe.
[0055]
B: 0-0,003%
Бор (B) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда B содержится, B растворяется в стали и улучшает упрочняемость и повышает прочность стали. Однако если содержание B является слишком высоким, то будут получаться крупнозернистые нитриды, и стойкость стали к SSC будет ухудшаться. Соответственно, содержание B составляет от 0 до 0,003%. Предпочтительный нижний предел содержания B составляет 0,0003%, а более предпочтительно составляет 0,0007%. Предпочтительный верхний предел содержания B составляет 0,0015%, а более предпочтительно составляет 0,0012%.
[0056] Химический состав описанного выше стального материала может дополнительно включать один или более типов элемента, выбранного из группы, состоящей из Ca, Mg, Zr, а также редкоземельного металла, в качестве замены для части Fe. Каждый из этих элементов является необязательным элементом, и каждый из этих элементов улучшает форму сульфидов для улучшения стойкости стали к SSC.
[0057]
Ca: 0-0,004%
Кальций (Ca) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Ca содержится, Ca связывается с S в стали. Посредством этого сульфиды в стали измельчаются, и стойкость стали к SSC улучшается. Однако если содержание Ca является слишком высоким, то оксиды в стали укрупняются, и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Ca составляет от 0 до 0,004%. Предпочтительный нижний предел содержания Ca составляет 0,0003%, а более предпочтительно составляет 0,0006%. Предпочтительный верхний предел содержания Ca составляет 0,0025%, а более предпочтительно составляет 0,0020%.
[0058]
Mg: 0-0,004%
Магний (Mg) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Mg содержится, Mg измельчает сульфиды в стали и улучшает стойкость стали к SSC. Однако если содержание Mg является слишком высоким, то оксиды в стали укрупняются, и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание Mg составляет от 0 до 0,004%. Предпочтительный нижний предел содержания Mg составляет 0,0003%, а более предпочтительно составляет 0,0006%. Предпочтительный верхний предел содержания Mg составляет 0,0025% и более предпочтительно составляет 0,0020%.
[0059]
Zr: 0-0,004%
Цирконий (Zr) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда Zr содержится, Zr измельчает сульфиды в стали и улучшает стойкость стали к SSC. Однако если содержание Zr является слишком высоким, то оксиды укрупняются, и стойкость стали к SSC снижается. Соответственно, содержание Zr составляет от 0 до 0,004%. Предпочтительный нижний предел содержания Zr составляет 0,0003%, а более предпочтительно составляет 0,0006%. Предпочтительный верхний предел содержания Zr составляет 0,0025% и более предпочтительно составляет 0,0020%.
[0060]
Редкоземельный металл: 0-0,004%
Редкоземельный металл (РЗМ) является необязательным элементом, и нет необходимости, чтобы он содержался в стали. В случае, когда РЗМ содержится, РЗМ измельчают сульфиды в стали и улучшает стойкость стали к SSC. РЗМ также связывается с P в стали, и подавляет сегрегацию P на границы зерен. Следовательно, подавляется ухудшение стойкости стали к SSC, которое вызывается сегрегацией P. Однако если содержание РЗМ является слишком высоким, то оксиды укрупняются, и стойкость стали к SSC ухудшается. Соответственно, содержание РЗМ составляет от 0 до 0,004%. Предпочтительный нижний предел содержания РЗМ составляет 0,0003%, а более предпочтительно составляет 0,0006%. Предпочтительный верхний предел содержания РЗМ составляет 0,0025% и более предпочтительно 0,0020%.
[0061]
В настоящем описании термин "РЗМ" означает, что, по меньшей мере, один или более типов Sc, Y и лантаноидных элементов (от La с атомным номером 57 до Lu с атомным номером 71) содержатся в стали, при этом термин "содержание РЗМ" означает общее содержание этих элементов.
[0062]
[Рассмотрение выражения (1) и выражения (2)]
Описанный выше химический состав дополнительно удовлетворяет выражению (1) и выражению (2):
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α≥0,50 (1)
(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥1,0 (2)
Эффективный B=B-11(N-Ti/3,4)/14 (3)
где α в выражении (1) составляет 0,250, когда эффективный B (мас.%), определенный выражением (3), составляет 0,0003% или более, и равен 0, когда эффективный B составляет менее чем 0,0003%. Содержанием (мас.%) соответствующего элемента заменяется каждый символ элемента в выражении (1)-выражении (3).
[0063]
[Рассмотрение выражения (1)]
F1 определен как равный C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α. F1 представляет собой показатель упрочняемости. Если F1 составляет 0,50 или более, даже если сталь содержит Co, то получается превосходная упрочняемость и объемное отношение отпущенного мартенсита в микроструктуре становится 90% или более. В результате получается превосходная стойкость к SSC. Предпочтительный нижний предел для F1 составляет 0,70.
[0064] Величина α в F1 определяется в соответствии с количеством эффективного B (количеством растворенного B), которое определяется выражением (3). Конкретно, α составляет 0,250, когда эффективный B, определенный выражением (3), составляет 0,0003% или более, и равен 0, когда эффективный B составляет менее чем 0,0003%. Если величина эффективного B, определенная по выражению (3) является большей, чем содержание B, то величину эффективного B берут равной содержанию B.
[0065]
[Рассмотрение выражения (2)]
F2 определен как равный (3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr). F2 является показателем стойкости стали к SSC. Когда F2 составляет 1,0 или более, отношение содержания элементов, которые улучшают стойкость к SSC (C, Mo и Co) к содержанию Mn и Cr (элементов, которые хотя и способствуют упрочняемости, могут ухудшать стойкость к SSC, если содержатся в избыточном количестве), является большим. В результате получается превосходная стойкость к SSC в среде с высоким давлением H2S.
[0066]
[Микроструктура]
Микроструктура стального материала по настоящему изобретению в основном состоит из отпущенного мартенсита. Более конкретно, микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита. Остальным в микроструктуре является, например, бейнит или остаточный аустенит или тому подобное. Когда микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита, то стойкость к SSC улучшается. Предпочтительно, микроструктура представляет собой однофазную микроструктуру отпущенного мартенсита.
[0067] Объемное отношение отпущенного мартенсита, содержащегося в микроструктуре, имеет взаимосвязь с разницей между максимальной величиной и минимальной величиной твердости по Роквеллу (HRC) в стальном материале после закалки и отпуска.
[0068] Максимальная величина твердости по Роквеллу после закалки и отпуска определена как "HRCmax". Минимальная величина твердости по Роквеллу после закалки и отпуска определена как "HRCmin". Разница между HRCmax и HRCmin определена как "ΔHRC".
ΔHRC=HRCmax-HRCmin
Когда ΔHRC составляет менее чем 2,0, объемное отношение отпущенного мартенсита в микроструктуре стального материала считается как равное 90% или более.
[0069] Например, твердость по Роквеллу в поверхности стального материала составляет HRCmax и твердость по Роквеллу в центральной секции толщины стального материала (ниже называемой как "центральная секция стального материала") составляет HRCmin. Причиной является следующее. Скорость охлаждения во время закалки и охлаждения является быстрой в поверхности стального материала и является медленной в центральной секции стального материала. Соответственно, в стальном материале, как он есть в закаленном состоянии, в некоторых случаях большая разница возникает относительно объемного отношения мартенсита между поверхностью стального материала и центральной секции стального материала. Из-за того, что объемное отношение мартенсита в микроструктуре имеет взаимосвязь с твердостью по Роквеллу, в этом случае разница в твердости по Роквеллу между поверхностью стального материала и центральной секции стального материала в закаленном состоянии является большой. Когда стальной материал подвергают воздействию отпуска, хотя твердость уменьшается и в поверхности стального материала и в центральной секции стального материала, а разница между твердостью по Роквеллу в поверхности стального материала и центральной секции стального материала также становится меньше, остается разница в твердости по Роквеллу между поверхностью стального материала и центральной секции стального материала. Поэтому, твердость по Роквеллу в поверхности стального материала представляет собой HRCmax, и твердость по Роквеллу в центральной секции стального материала представляет собой HRCmin. Если ΔHRC составляет 2,0 или более, то твердость центральной секции стального материала является слишком низкой. Если ΔHRC составляет менее чем 2,0, то также получается достаточная твердость в центральной секции стального материала, а, в этом случае, объемное отношение отпущенного мартенсита в центральной секции стального материала считается равным 90% или более.
[0070] Для измерения ΔHRC используют следующий метод. Твердость по Роквеллу (HRC) определяют путем проведения испытания на твердость по Роквеллу (шкала С) в соответствии с JIS Z2245 (2011) в трех произвольно выбранных местах в положениях на глубине 2,0 мм от поверхности стального материала (наружной поверхности в случае стальной трубы) после закалки и отпуска, в положениях на глубине 2,0 от задней поверхности (внутренней поверхности в случае стальной трубы), а также в средних положениях в направлении толщины стального материала, соответственно. Максимальная величина полученной твердости берется как HRCmax и минимальная величина берется как HRCmin, а если ΔHRC составляет менее чем 2,0, то определено, что объемное отношение отпущенного мартенсита составляет 90% или более. Если ΔHRC составляет 2,0 или более, то определено, что объемное отношение отпущенного мартенсита в положении с HRCmin составляет менее чем 90%.
[0071]
[Форма материала]
Форма стального материала конкретно не ограничена. Стальной материал представляет собой, например, стальную трубу или стальной толстый лист. В случае, где стальной материал представляет собой стальную трубу для нефтяных скважин, предпочтительная толщина стенки составляет от 9 до 60 мм. Настоящее изобретение является, в частности, пригодным для использования в качестве стальной трубы с толстой стенкой для нефтяных скважин. Более конкретно, даже если стальной материал в соответствии с настоящим изобретением представляет собой стальную трубу с толстой стенкой в 15 мм или более для нефтяных скважин, или, более того, 20 мм или более, то стальной материал показывает превосходную прочность и стойкость к SSC.
[0072]
[Прочность стального материала]
Предпочтительный нижний предел текучести стального материала составляет 654 МПа. Верхний предел текучести стального материала составляет 860 МПа. В настоящем описании термин "предел текучести" означает нижний предел текучести (МПа).
[0073]
[Способ производства]
Теперь будет описан способ получения стальной трубы для нефтяных скважин, как один пример способа получения описанного выше стального материала. Способ получения стальной трубы для нефтяных скважин включает в себя процесс подготовки исходного материала (процесс подготовки), процесс подвергания исходного материала воздействию горячей обработки для получения пустотной оболочки (процесс горячей обработки), а также процессы подвергания пустотной оболочки закалке и отпуску для получения стальной трубы для нефтяных скважин (процесс закалки и процесс отпуска). Далее подробно описан каждый из этих процессов.
[0074]
[Процесс подготовки]
Производят расплавленную сталь, имеющую описанный выше химический состав и удовлетворяющую выражению (1) и выражению (2). Исходный материал получают, используя расплавленную сталь. Конкретно, отливку (сляб, блюм или биллет) получают с помощью процесса непрерывного литья с использованием расплавленной стали. Слиток может быть также получен способом изготовления слитков с использованием расплавленной стали. При необходимости сляб, блюм или слиток могут быть подвергнуты процессу получения заготовки для получения биллета. Исходный материал (сляб, блюм или биллет) получают с помощью описанных выше процессов.
[0075]
[Процесс горячей обработки]
Подготовленный исходный материал подвергают воздействию горячей обработки для получения полой оболочки. Во-первых, биллет нагревают в нагревательной печи. Биллет, который вынимают из нагревательной печи, подвергают воздействию горячей обработки для получения пустотной оболочки (стальной бесшовной трубы). Например, процесс Маннесмана осуществляют как горячую обработку для получения полой оболочки. В этом случае круглый биллет прокатывают с прошивкой, используя прошивной пресс. Прошитый при прокатке круглый биллет дополнительно прокатывают в горячем состоянии в полую оболочку, используя стан для прокатки бесшовных труб, пресс для обжима, калибровочный трубопрокатный стан или тому подобное.
[0076] Полая оболочка может быть также получена из биллета с помощью другого способа горячей обработки. Например, в случае толстостенной стальной трубы короткой длины для нефтяных скважин, такой как муфта, полая оболочка может быть получена путем поковки. С помощью вышеупомянутых процессов получают полую оболочку, имеющую толщину стенки от 9 до 60 мм.
[0077] Полая оболочка, полученная путем горячей обработки, может быть охлаждена воздухом (в состоянии после прокатки). Стальная труба, полученная путем горячей обработки, может быть подвергнута воздействию или закалки сразу же после горячей прокатки без ее охлаждения до нормальной температуры, или сопутствующего нагрева (подогрева), являющегося результатом горячей прокатки перед тем, как ее подвергали воздействию закалки. Однако в случае проведения закалки сразу же или после сопутствующего нагрева предпочтительно останавливать охлаждение во время процесса закалки или проводить медленное охлаждение с целью подавления образования трещин при закалочном охлаждении.
[0078] В случае, когда закалку проводят сразу же после горячей прокатки или после сопутствующего подогрева, являющегося результатом горячей прокатки, с целью исключения остаточного напряжения предпочтительно проводить обработку для снятия напряжений (SR (stress reliefed, снимающую напряжение) обработку) во время, которое есть после закалки и перед термообработкой из следующего процесса. Далее подробно описан процесс закалки.
[0079]
[Процесс закалки]
Закалку проводят на полой оболочке после горячей обработки. Предпочтительная температура закалки составляет от 850 до 1000°C.
[0080] Предпочтительно, чтобы принудительное охлаждение начиналось со скоростью охлаждения 5°C/с или более, прежде чем температура в наиболее поздний момент охлаждения становится температурой Ar3 или менее. В таком случае легко дополнительно повышается предел текучести.
[0081] Закалка может проводиться множество раз. В случае проведения закалки множество раз, предпочтительно после закалки и до проведения закалки в следующей стадии SR (stress-relieved, снимающую напряжение) обработку проводят с целью удаления остаточного напряжения, которое получается при закалке. Появление задержанных трещин после закалки может быть предотвращено с помощью SR обработки. В случае проведения SR обработки предпочтительная температура обработки составляет 600°C или менее. В этом случае может быть подавлено образование крупных зерен аустенита.
[0082]
[Процесс отпуска]
Отпуск проводят после проведения описанной выше закалки. Предел текучести стального материала можно регулировать с помощью отпуска. Предпочтительный нижний предел температуры отпуска составляет 650°C. Предпочтительный верхний предел температуры отпуска составляет 730°C.
[0083] Способ получения стальной трубы был описан как один пример вышеупомянутого способа производства. Однако стальной материал по настоящему изобретению может быть стальным толстым листом или другой формы, а также способ получения стального толстого листа аналогичным образом также включает в себя процесс подготовки, процесс горячей обработки, процесс закалки и процесс отпуска.
ПРИМЕРЫ
[0084]
[Способ получения материала для испытаний]
Была произведена расплавленная сталь весом 180 кг, имеющая химические составы, приведенные в таблице 1.
[0085]
[0086]
Слитки получали, используя вышеописанную расплавленную сталь. Слитки прокатывали в горячем состоянии для получения стальных толстых листов. Толщины стальных толстых листов были, как показано в таблице 2.
[0087]
[Таблица 2]
Таблица 2
| Сталь | Толщина (мм) |
Температура закалки (°C) |
Температура отпуска (°C) |
YS (Предел текучести) (МПа) |
TS(Предел прочности) (МПа) |
ΔHRC | Определение микроструктуры | KISSC (MПа√м) | |||
| 1 | 2 | 3 | Среднее значение | ||||||||
| 1 | 15 | 880 | 700 | 690 | 758 | 1,2 | Годен | 53,0 | 49,1 | 48,5 | 50,2 |
| 2 | 15 | 900 | 700 | 724 | 787 | 1,0 | Годен | 48,3 | 47,4 | 47,9 | 47,9 |
| 3 | 15 | 910 | 705 | 800 | 870 | 1,1 | Годен | 37,3 | 36,8 | 37,2 | 37,1 |
| 4 | 16 | 940 | 710 | 807 | 868 | 1,2 | Годен | 39,2 | 38,3 | 37,5 | 38,3 |
| 5 | 60 | 920 | 715 | 793 | 881 | 1,7 | Годен | 36,1 | 36,5 | 37,0 | 36,5 |
| 6 | 55 | 930 | 705 | 827 | 909 | 1,5 | Годен | 35,0 | 35,6 | 35,4 | 35,3 |
| 7 | 25 | 900 | 700 | 830 | 892 | 1,3 | Годен | 36,5 | 37,2 | 35,8 | 36,5 |
| 8 | 35 | 925 | 715 | 841 | 914 | 1,5 | Годен | 36,2 | 36,4 | 35,4 | 36,0 |
| 9 | 15 | 920 | 700 | 845 | 925 | 1,1 | Годен | 37,5 | 38,2 | 38,3 | 38,0 |
| 10 | 25 | 900 | 700 | 697 | 766 | 2,8 | Не годен | 24,3 | 22,3 | 24,1 | 23,6 |
| 11 | 20 | 900 | 700 | 715 | 794 | 0,9 | Годен | 30,3 | 31,4 | 33,3 | 31,7 |
| 12 | 15 | 900 | 700 | 760 | 840 | 1,3 | Годен | 25,8 | 27,2 | 24,8 | 25,9 |
| 13 | 15 | 920 | 700 | 777 | 845 | 1,5 | Годен | 20,7 | 28,4 | 24,3 | 24,5 |
| 14 | 15 | 900 | 700 | 753 | 835 | 1,2 | Годен | 22,4 | 29,8 | 24,3 | 25,5 |
| 15 | 15 | 920 | 685 | 763 | 850 | 1,3 | Годен | 22,6 | 23,8 | 26,4 | 24,3 |
| 16 | 15 | 900 | 700 | 816 | 920 | 2,5 | Не годен | 36,8 | 33,0 | 26,0 | 31,9 |
| 17 | 15 | 900 | 710 | 852 | 988 | 3,0 | Не годен | 27,2 | 26,8 | 28,5 | 27,5 |
| 18 | 15 | 900 | 710 | 808 | 888 | 1,2 | Годен | 22,8 | 22,6 | 22,8 | 22,7 |
| 19 | 15 | 900 | 700 | 765 | 869 | 2,6 | Не годен | 23,5 | 26,5 | 21,5 | 23,8 |
| 20 | 15 | 900 | 700 | 820 | 910 | 1,1 | Годен | 27,5 | 26,5 | 29,3 | 27,8 |
| 21 | 20 | 900 | 700 | 783 | 900 | 2,6 | Не годен | 35,1 | 30,5 | 28,5 | 31,4 |
| 22 | 15 | 900 | 710 | 720 | 791 | 1,0 | Годен | 51,5 | 50,7 | 52,0 | 51,4 |
[0088] Закалку при температурах закалки, показанных в таблице 2, проводили на соответствующих стальных толстых листах после горячей прокатки. После закалки отпуск при температуре отпуска, показанной в таблице 2, проводили на соответствующих стальных толстых листах. В отпуске температуры отпуска регулировали таким образом, чтобы пределы текучести стальных толстых листов из сталей 1, 2, 10, 11 и 22 стали эквивалентными пределу текучести для класса Т95, как определено в стандартах API (предел текучести от 655 до 760 Мпа), при этом пределы текучести стальных толстых листов из других сталей становились эквивалентными пределу текучести для класса С110, как определено в стандартах API (предел прочности от 760 до 862 Мпа). Время выдержки при температуре отпуска составляло 60 мин для каждого стального толстого листа. Стальные толстые листы из стали 1-стали 22 получали с помощью вышеуказанных способов производства.
[0089]
[Предел текучести (YS, Yield strength) и предел прочности (TS, Tensile strength)]
Были приготовлены образцы круглых стержней для испытания на растяжение, имеющие диаметр 6,35 мм и цилиндрическую длину 35 мм, из центральной части относительно толщины каждого стального толстого листа после вышеописанных закалки и отпуска. Осевое направление каждого из образцов на растяжение было параллельно направлению прокатки стальных толстых листов. Испытание на растяжение проводили в атмосфере при нормальной температуре (25°C), используя каждый образец круглых стержней для испытания, при этом получали предел текучести YS (МПа) и предел прочности на растяжение (TS) в соответствующих позициях. Следует отметить, что в настоящих примерах нижний предел текучести, полученный с помощью испытания на растяжение, был определен как предел текучести (YS) для каждого номера испытания.
[0090]
[Оценочные испытания]
[Испытание по определению микроструктуры]
Испытание на твердость по Роквеллу (HRC) в соответствии со стандартом JIS Z 2245 (2011) проводили на каждом стальном листе после вышеописанных закалки и отпуска. Конкретно, твердость по Роквеллу (HRC) определяли в трех произвольно выбранных местах в положениях на глубине 2,0 мм от поверхности стального материала, в положениях на глубине 2,0 мм от задней поверхности стального материала (внутренней поверхности в случае стальной трубы), а также в средних положениях в направлении толщины стального материала, соответственно. Когда разница ΔHRC между максимальной величиной и минимальной величиной твердости по Роквеллу в девяти точках составляла менее чем 2,0, объемное отношение отпущенного мартенсита даже в положении с HRCmin считалось как составляющее 90% или более, при этом было определено, что соответствующий стальной толстый лист прошел испытание. Когда разница ΔHRC составляла 2,0 или более, объемное отношение отпущенного мартенсита в положении с HRCmin считалось составляющим менее 90%, при этом было определено, что соответствующий стальной толстый лист не прошел испытание.
[0091]
[Испытание методом DCB]
Используя каждый стальной толстый лист, проводили испытание методом DCB в соответствии с методом D из NACE TM0177-96 и оценивали стойкость к SSC. Конкретно, три из образцов для испытания методом DCB, показанных на фиг.3А, извлекали из секции в центре в толщине стенки каждого стального толстого листа. Клин, показанный на фиг.3B, дополнительно был изготовлен из каждого стального толстого листа. Толщина t клина составляла 2,92 мм. Следует отметить, что числа на фиг. 3А и 3B указывают длину (единицей является "мм") каждой соответствующей части.
[0092] Клин загоняли между консолями образца для испытания методом DCB. После этого образец для испытания методом DCB, в который был загнан клин, помещали в автоклав. Жидкий раствор, полученный смешиванием подвергнутого дегазации 5% раствора натрия хлорида, уксусной кислоты и ацетата натрия, и корректируя рН до 3,5, заливали в автоклав таким образом, чтобы газовая часть оставалась в автоклаве. После этого, газообразный сульфид водорода с 10 атм загружали под давлением внутрь автоклава для перемешивания жидкой фазы, и газообразный сульфид водорода с высоким давлением насыщал жидкий раствор.
[0093] После герметизации автоклава, который подвергли вышеуказанным процессам, автоклав оставляли на 336 часов при 25°С при перемешивании жидкого раствора. После этого автоклав разгерметизировали и вынули образцы для испытания методом DCB.
[0094] Штырь вводили в отверстие, образованное в наконечнике консолей каждого образца для испытания методом DCB, который был отобран, и надрезанную часть открывали с помощью машины для испытания на растяжение, и измеряли сброшенное напряжение P клина. Кроме того, надрез в образце для испытания методом DCB высвобождали в жидком азоте, при этом измеряли длину распространения трещины во время погружения. Длину распространения трещины измеряли визуально, используя штангенциркуль. Величину вязкости разрушения KISSC (МПа√м) определяли, используя выражение (4), основанное на полученном сброшенном напряжении P клина и длине a распространения трещины.
[0095]
[Выражение 1]
[0096] В выражении 4, h представляет собой высоту (мм) каждой консоли образца для испытания методом DCB, B представляет собой толщину (мм) образца для испытания методом DCB, а Bn представляет собой толщину (мм) перемычки образца испытания DCB. Они определены методом D по стандарту NACE TM0177-96.
[0097] Величину вязкости разрушения KISSC (МПа√м) определяли для образцов испытания методом DCB для каждого номера испытания. Для каждого стального толстого листа среднее из величин вязкости разрушения для трех образцов для испытания методом DCB определяли как величину вязкости разрушения KISSC (МПа√м) соответствующего стального толстого листа. Полученные величины вязкости разрушения KISSC показаны в таблице 2. Для стальных толстых листов из сталей 1, 2, 10, 11 и 22 (эквивалентных классу T95 стандартов API), если определенная выше величина вязкости разрушения KISSC составляла 47 МПа√м, то стойкость к SSC определяли как хорошую. Для других сталей (эквивалентных классу С110 стандартов API), если определенная выше величина вязкости разрушения KISSC составляла 35 МПа√м или более, то стойкость к SSC определяли как хорошую. Следует заметить, что зазор между консолями, когда клин загоняли до погружения в ванну для испытаний, влияет на KISSC. Соответственно, фактическое измерение зазора между консолями проводили раньше использования микрометра, при этом также подтвердили, что зазор находился в пределах интервала по стандартам API.
[0098]
[Результаты испытаний]
Результаты испытаний показаны в таблице 2.
[0099] Химические составы стальных толстых листов, изготовленных из сталей 1-9 и 22, были пригодны и удовлетворяли выражению (1) и выражению (2). Кроме того, из-за того, что ΔHRC составляло менее чем 2,0, стальные толстые листы проходили определение микроструктуры, и мартенсит составлял 90% или более по объемному отношению в микроструктуре. В результате, величины KISSC сталей 1, 2, и 22 составляли 47 МПа√м или более, а величины KISSC сталей 3-9 составляли 35 МПа√м или более, показывая превосходную стойкость к SSC. Следует заметить, что пределы текучести сталей 1 и 2 составляли 654 Мпа или более, и пределы текучести сталей 3-9 составляли 760 МПа или более.
[0100] С другой стороны, в стальном толстом листе, изготовленном из стали 10, F1 составлял менее чем нижний предел из выражения (1). Поэтому, из-за того, что ухудшилась упрочняемость и ΔHRC составляла 2,0 или более, стальной толстый лист оказался неудовлетворительным по определению микроструктуры, при этом объемное отношение отпущенного мартенсита в микроструктуре составляло менее чем 90%. Следовательно, величина KISSC составляло менее чем 47 МПа√м и стойкость к SSC была низкой. Считают, что величина вязкости разрушения KISSC была низкой, потому что микроструктура была гетерогенной структурой, содержащей большое количество бейнита вместе с отпущенным мартенситом.
[0101] В стальном толстом листе из стали 11, F2 был меньше, чем нижний предел из выражения (2). В результате величина KISSC составляло менее чем 47 МПа√м, и стойкость к SSC была низкой. Считают, что отношение содержания элементов, которые улучшают стойкость к SSC (C, Mo и Co), к содержанию Mn и Cr, было слишком низким, и следовательно, стойкость к SSC была низкой.
[0102] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 12, содержание Mo было низким. В результате, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0103] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 13, содержание Co было низким. В результате, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0104] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 14, содержание Mn было высоким. В результате, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0105] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 15, содержание Cr было высоким. В результате, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0106] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 16, содержание Co было слишком высоким, при этом F1 был менее чем нижний предел из выражения (1). Поэтому, из-за того, что упрочняемость ухудшилась, и ΔHRC составляла 2,0 или более, стальной толстый лист дал неудовлетворительный результат определения микроструктуры, при этом объемное отношение мартенсита в микроструктуре было менее чем 90%. Следовательно, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0107] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 17, содержание С и содержание Co были слишком высокими, при этом F1 был менее, чем нижний предел из выражения (1). Поэтому, из-за того, что упрочняемость ухудшилась и ΔHRC составляло 2,0 или более, стальной лист дал неудовлетворительный результат определения микроструктуры, при этом объемное отношение мартенсита в микроструктуре было менее чем 90%. Следовательно, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0108] Стальной толстый лист, изготовленный из стали 18, не содержал Co, при этом F2 был менее чем нижний предел из выражения (2). Следовательно, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0109] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 19, F1 был менее чем нижний предел из выражения (1). Поэтому, из-за того, что упрочняемость ухудшилась и ΔHRC составляла 2,0 или более, стальной лист дал неудовлетворительный результат определения микроструктуры, при этом объемное отношение мартенсита в микроструктуре было менее чем 90%. Следовательно, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой. Считают, что величина вязкости разрушения KISSC была низкой, потому что микроструктура была гетерогенной структурой, содержащей большое количество бейнита вместе с отпущенным мартенситом.
[0110] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 20, F2 был менее чем нижний предел из выражения (2). В результате, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой. Считают, что отношение содержания элементов, которые улучшают стойкость к SSC (C, Mo и Co), к содержанию Mn и Cr было слишком низким, при этом, следовательно, стойкость к SSC была низкой.
[0111] В стальном толстом листе, изготовленном из стали 21, содержание С было слишком высоким. Поэтому, из-за того, что упрочняемость снизилась, и ΔHRC составляла 2,0 или более, стальной лист дал неудовлетворительный результат определения микроструктуры, при этом объемное отношение мартенсита в микроструктуре было менее чем 90%. Следовательно, величина KISSC составляла менее чем 35 МПа√м и стойкость к SSC была низкой.
[0112] Вариант осуществления настоящего изобретения был описан выше. Однако описанный выше вариант осуществления настоящего изобретения является просто примером для воплощения настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом осуществления, при этом описанный выше вариант осуществления может быть соответственно модифицирован и воплощен в пределах диапазона, который не отклоняется от технического объема настоящего изобретения.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0113] Стальной материал в соответствии с настоящим изобретением имеет широкое применение в стальных материалах, использующихся в кислой среде, и предпочтительно используется в качестве стального материала для нефтяных скважин, который используется в среде нефтяных скважин, и более предпочтительно используется в качестве стальных труб для нефтяных скважин, таких как обсадные трубы, система трубопроводов, трубы для магистральных трубопроводов.
1. Стальной материал, имеющий химический состав, состоящий из, мас.%:
C: 0,15-0,45,
Si: 0,10-1,0,
Mn: 0,10 - менее чем 0,90,
P: 0,05 или менее,
S: 0,01 или менее,
Al: 0,01-0,1,
N: 0,010 или менее,
Cr: 0,1-2,5,
Mo: 0,35-3,0,
Co: 0,50-3,0,
Cu: 0-0,5,
Ni: 0-0,5,
Ti: 0-0,03,
Nb: 0-0,15,
V: 0-0,5,
B: 0-0,003,
Ca: 0-0,004,
Mg: 0-0,004,
Zr: 0-0,004 и
редкоземельного металла: 0-0,004,
остальное - Fe и примеси и удовлетворяющий выражениям (1) и (2),
в котором микроструктура содержит в объемном отношении 90% или более отпущенного мартенсита:
C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15-Co/6+α ≥ 0,50 (1),
(3C+Mo+3Co)/(3Mn+Cr)≥ 1,0 (2),
Эффективный B = B-11(N-Ti/3,4)/14 (3),
где α в выражении (1) составляет 0,250, когда эффективный B (мас.%), определенный выражением (3), составляет 0,0003% или более и равен 0, когда эффективный B составляет менее чем 0,0003%,
где содержанием (мас.%) соответствующего элемента замещается каждый символ элемента в выражениях (1)-(3).
2. Стальной материал по п.1, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Cu: 0,02-0,5% и
Ni: 0,02-0,5%.
3. Стальной материал по п.1, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ti: 0,003-0,03%,
Nb: 0,003-0,15% и
V: 0,005-0,5%.
4. Стальной материал по п.2, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ti: 0,003-0,03%,
Nb: 0,003-0,15% и
V: 0,005-0,5%.
5. Стальной материал по п.1, в котором химический состав включает:
B: 0,0003-0,003%.
6. Стальной материал по п.2, в котором химический состав включает:
B: 0,0003-0,003%.
7. Стальной материал по п.3, в котором химический состав включает:
B: 0,0003-0,003%.
8. Стальной материал по п.4, в котором химический состав включает:
B: 0,0003-0,003%.
9. Стальной материал по п.1, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
10. Стальной материал по п.2, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
11. Стальной материал по п.3, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
12. Стальной материал по п.4, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
13. Стальной материал по п.5, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
14. Стальной материал по п.6, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
15. Стальной материал по п.7, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
16. Стальной материал по п.8, в котором химический состав включает один или более элементов из группы, состоящей из:
Ca: 0,0003-0,004%,
Mg: 0,0003-0,004%,
Zr: 0,0003-0,004% и
редкоземельного металла: 0,0003-0,004%.
17. Стальная труба, имеющая химический состав по любому из пп.1-16 и толщину стенки 15 мм или более.
