Патент на изобретение №2307195

(54) ХЛАДОСТОЙКАЯ, МАЛОМАГНИТНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке хладостойких, маломагнитных сталей для бурового оборудования, в частности нефте- и газодобывающей промышленности. Сталь содержит, мас.%: углерод 1,0-1,2, марганец 24,0-26,0, хром 2,5-5,0, алюминий 4,0-6,0, бор 0,005-0,1, иттрий 0,005-0,05, церий 0,005-0,05, ванадий 0,08-0,12, ниобий 0,01-0,04, кальций 0,001-0,01, железо – остальное. Сталь имеет высокие механические свойства и низкую магнитную проницаемость, величина которой не изменяется в диапазоне рабочих температур бурового оборудования. 6 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке сталей для бурового оборудования, в частности нефте- и газодобывающей промышленности, эксплуатирующихся в условиях Сибири, Сахалина и Крайнего Севера, обладающих малой и не изменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемостью, высоким уровнем механических свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность оборудования в ходе его длительной эксплуатации.

Требование к маломагнитности для ряда элементов бурового оборудования связано с ужесточением норм по безопасности эксплуатации, надежности и работоспособности, повышением требований по экологической безопасности буровых установок, эксплуатируемых при бурении в газоносных слоях, то есть там, где наведенный при вращении бура электромагнитный заряд может привести, например, к возгоранию или взрыву попутного газа. Взрывобезопасность процесса бурения считается достаточной при понижении магнитной проницаемости материалов оборудования до величины, не превышающей 1,01 в магнитном поле Земли и во внешних магнитных полях, напряженностью выше поля насыщения.

Среди материалов с низкой магнитной проницаемостью особое место занимают стабильные аустенитные стали, созданные на базе сплавов системы железо-углерод-марганец, например, широко известные стали типа «Ферманал» (90Г29Ю9ВБМ). Магнитная структура этих материалов в области нормальных температур представляет собой неупорядоченный магнетик типа спинового стекла со статистически распределенными в нем кластерами, обладающими антиферромагнитным упорядочением. При понижении температуры в сплавах наблюдается постепенный переход от неупорядоченной структуры к структуре не полностью скомпенсированного антиферромагнетика. Температурный диапазон этого превращения зависит от концентрации в сплавах углерода и марганца.

Магнитная проницаемость стали 90Г29Ю9ВБМ в аустенитизированном состоянии находится в пределах 1,01-1,02 как в магнитном поле Земли, так и во внешних магнитных полях, напряженностью выше 30 кА/м. Однако основная область применения этой группы сталей лежит в области высоких температур, в частности из нее изготавливается бандаж и диски газотурбинных двигателей. Сталь перегружена элементами, обеспечивающими ей максимальную прочность и, в частности, жаропрочность – вольфрамом и молибденом, что значительно повышает стоимость материала, повышает ее магнитную проницаемость при образовании в структуре стали карбидных фаз. Это требует изыскания иной системы дополнительного легирования железо-углерод-марганцевых сплавов, которая обеспечивала достаточный уровень прочностных свойств и малую магнитную проницаемость материала в рабочем диапазоне бурового оборудования и при этом не ухудшала хладостойкости стали в условиях низких температур северных регионов страны.

Таким путем повышения прочностных свойств при одновременном обеспечении малой магнитной проницаемости железо-углерод-марганцевых сплавов является дополнительное легирование их хромом, что, в частности, было сделано в стали 110Г25Х4Ю4 (А.С. СССР №1344811 от 15 октября 1987 г., МКИ C22C 38/38). Однако несмотря на имеющиеся теоретические обоснования по выбору системы легирования сталей, их термической обработки и путей повышения надежности и долговечности оборудования из таких материалов, до настоящего времени не сложилось единой концепции по оптимизации выбора сталей для оборудования, эксплуатируемого в условиях северных регионов страны. Также отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по технологии выплавки, раскисления сталей для северных регионов страны и назначения режимов их термической обработки.

Исходя из необходимости обеспечения повышенной прочности сталей при условии сохранения высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению при отрицательных температурах, хладостойкости и малой, неизменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемости наиболее перспективной для разработки оптимального состава является группа стабильных аустенитных сталей, в состав которых были введены микролегирующие добавки нескольких элементов из группы ванадия, циркония, ниобия и титана. Проведен анализ влияния легирования стали этими элементами, показавший, что совместное введение в сталь ванадия и ниобия позволяет максимально измельчить зерно стали, тем самым повысить ее сопротивляемость хрупким разрушениям при отрицательных температурах. Также была проанализирована роль добавок РЗМ и ЩЗМ, введение которых позволяет получить наиболее благоприятное распределение неметаллических включений в структуре стали. Учитывая, что основными требованиями к сталям буровых установок, эксплуатируемым в регионах Сибири, Сахалина и Крайнего Севера, является повышенная прочность при сохранении максимально низкой температуры вязкохрупкого перехода и одновременном обеспечении минимальной величины магнитной проницаемости именно эти параметры были выбраны при оптимизации состава стали.

Известны стали, близкие по составу к заявляемой:

Высокоуглеродистая марганцевистая аустенитная сталь с хорошей обрабатываемостью. Като Тэцуо, Абэяма Сёдзо, Кимура Токурё [Дайдо токусюко к. к.]. Япон. заявка, кл. 10J172 (С22С 38/04), №54 – 35112, заявл. 23.08.77, №52 – 101458, опубл. 15.03.79.

Немагнитный элинвар. Хоменко О.А., Хилькевич И.Ф. [Уральск. НИИ черн. мет.]. Авт. св. СССР, кл. С22С 38/38, №605855, заявл. 24.02.77, №2455727, опубл. 24.04.78.

Высокопрочный аустенитный немагнитный сплав. High strength austenitic non – magnetic alloy. Hull Frederick C. [Westinghouse Electric Corp.]. Пат. США, кл. 148/38, (С22С 38/38 С22С 38/58), №4121953, заявл. 2.02.77., №765029, опубл. 24.10.78.

Аустенитная литейная сталь. Staliwo austenityczne. Maciejny Adolf, Hetmanczyk Marek, Niewielski Grzegorz и др.; Politechnicka Slaska im. W.Pstrowskiego. Пат. 138912, ПНР. Заявл. 12.07.82., №237435, опубл. 31.05.88. МКИ С22С 38/38.

Немагнитная сталь с высоким содержанием марганца, имеющая хорошее сопротивление коррозии и механическую обрабатываемость: Заявка 63128157 Япония, МКИ⁴

Аустенитная сталь. Степанов Г.А., Блинов В.М., Лазько В.Е. и др. Авт. св. 1325103, СССР. Заявл. 31.03.86., №406550/22-02, опубл. 23.07.87. МКИ С22С 38/58.

Марганцовистая немагнитная сталь для низкой температуры. Эбисутами Такаси, Норо Хирокадзу; К. к. Тосиба. Заявка 60-39148, Япония. Заявл. 12.08.83., №58-146538, опубл. 28.02.85. МКИ С22С 38/38, НО1F 1/00.

Немагнитная высокомарганцевая сталь с хорошими низкотемпературными свойствами. Сасаки Кодзи, Нохари Киехико; Кавасаки сэйтэцу к. к. Заявка 57-114644, Япония. Завл. 08.01.81, №56-1412, опубл. 16.07.82. МКИ С22С 38/58.

Низкотемпературная марганцевая сталь. Отани Ясуо, Окада Ясутака [Сумитомо киндзоку коге к. к.]. Япон. заявка, кл. С22С 38/38, №56-23259, заявл. 7.8.79., №54-99579, опубл. 5.3.81.

Немагнитная сталь с высокими механическими свойствами. Аихара Кэндзи, Такахаси Масаси. [Сумитомо киндзоку когё к. к.]. Япон. заявка, кл. 10J185 (С22С 38/04), №54-81118, заявл. 12.12.77, №52-149757, опубл. 28.06.79.

Из известных сталей наиболее близкой по составу к заявляемой и выбранной в качестве прототипа является сталь: Сталь: А.С. СССР №1344811, МКИ С22С 38/12 Ленинградского политехнического института им. М.И.Калинина и НПО по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова Ермакова Б.С., Колчина Г.Г., Романова В.В. заявл. 23.06.1986 г. №4079665/31-02, опубл. 15.10.1987 г. Бюл. №38, имеющая следующий состав, масс.%: углерод – 1-1.2; марганец – 24-26; хром 3-5, алюминий 5-8, бор 0,005-0,1, кальций 0.008-0.01, церий 0.005-0,05, медь 0,1-0,5, барий 0,001-0,01, железо – остальное.

Проведенные нами исследования показали, что сталь-прототип не обладает требуемым уровнем величины не изменяющейся в рабочем диапазоне температур магнитной проницаемости, достаточно высоким уровнем прочностных свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность бурового оборудования в ходе его длительной эксплуатации.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение магнитной проницаемости стали, величина которой не должна изменяется в диапазоне рабочих температур бурового оборудования, при одновременном повышении механических свойств материала.

При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.

Понижение содержания углерода ниже 1% приводит к повышении температуры магнитного упорядочения в структуре стали и, как следствие, появлению ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости стали; увеличение же содержания углерода свыше 1,2% ухудшает свариваемость, затрудняет обрабатываемость стали.

Марганец способствует стабилизации аустенитной структуры в стали, повышает прочность и хладостойкость твердого раствора. Концентрация марганца менее 24% не удовлетворяет требованиям по прочности стали, приводит к возникновению в стали структуры типа -мартенсита, а повышение свыше 26% увеличивает склонность к образованию горячих трещин при сварке, повышению величины магнитной проницаемости.

Хром, как элемент, не имеющий собственного магнитного момента в подобных структурах, способствует снижению магнитной проницаемости стали, резко повышает ее прочностные характеристики. Его содержание ниже 2,5% не оказывает необходимого упрочняющего эффекта, превышение концентрации над 5% приводит к охрупчиванию стали.

Алюминий, обладающий малой плотностью, понижает плотность стали, повышает ее удельную прочность, упрочняет твердый раствор. Концентрация алюминия ниже 4% не обеспечивает требуемого уровня прочностных свойств, превышение его содержания на 6% приводит к росту магнитной проницаемости стали.

Ванадий и ниобий в указанных концентрациях приводят к резкому измельчению зерна стали, повышению ее прочностных свойств, увеличивают трещиностойкость, снижают вероятность развития зерногроничных сегрегаций примесных атомов, предупреждают рост зерна при технологических нагревах и термической обработке. Содержание ниобия менее 0,08% и ванадия менее 0,8% не позволяет добиться требуемых результатов, а увеличение содержания выше 0,04% и 0,12% соответственно приводит к охрупчиванию металла.

Медь улучшает свариваемость стали, препятствует возникновению горячих кристаллизационных трещин в процессе сварки. Содержание менее 0,1% не обеспечивает требуемого эффекта, превышение 0,5% экономически нецелесообразно и может привести к выпадению интерметаллидных охрупчивающих фаз.

Иттрий в концентрации 0,005-0,05% оказывает раскисляющее воздействие на сталь. Меньшее содержание иттрия не обеспечивает требуемого эффекта, в то время как увеличение содержания выше указанных концентраций нецелесообразно вследствие трудности легирования.

Введение в состав стали бора, ЩЗМ и РЗМ связано с их высокой раскислительной, рафинирующей и модифицирующей способностью. Снижение содержания газов, серы, глобуляризация неметаллических включений обеспечивают высокий уровень трещиностойкости, предохраняя сталь от хрупкого разрушения. Сфероидизация неметалических включений сопровождается очищением межзеренных границ и равномерным распределением включений в металле.

Заявляемая сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Для испытаний механических свойств заявляемой стали и стали-прототипа были изготовлены образцы на статическое растяжение по ГОСТ 1497. Испытания на ударную вязкость проводили на образцах типа 11 по ГОСТ 9454. Измерения магнитной восприимчивости производили методом Фарадея и методом замера паразитных наведенных токов. Магнитная проницаемость исследовалась в магнитном поле Земли H_Z=62,09 А/м; H=11,94 А/м и во внешних магнитных полях, напряженностью от 9 до 900 кА/м. Температурный интервал исследования составил от минус 100 до плюс 100°С. При этом погрешность в определении магнитной восприимчивости не превышала ±2·10^-3%.

Испытания во внешних магнитных полях были проведены на установке MGD312FG фирмы «Setaram». Образцы при исследовании на установке MGD312FG представляли собой куб со стороной от 2 до 2,5 мм.

Испытания в магнитном поле Земли были проведены на установке Magnetoscopf-1.067. Образцы для этих испытаний представляли собой прутки квадратного сечения 10×10×150 мм.

Основные погрешности при измерении магнитной проницаемости сталей могут возникать при загрязнении поверхности исследуемых образцов как магнитными, так и немагнитными частицами. Поэтому образцы хранили в специальных герметично закрытых боксах, а для снятия наклепанного поверхностного слоя и очистки от случайных частиц поверхности образца перед испытаниями подвергали электролитической полировке. Электрополировка выполнялась в фарфоровом стакане с кольцевым катодом из нержавеющей стали. В качестве электролита использовали один из двух составов. Первый: 100 мл ортофосфорной кислоты (плотностью 1,8 г/см³), 150 г – хромистого ангидрида и до 1000 мл дистиллированной воды. Второй: ледяная уксусная кислота – 25 мл, азотная кислота плотностью 1,42 г/см³ – 75 мл, дистиллированная вода – 100 мл. После электрополировки образец промывали 76%-ным раствором этилового спирта.

Определение величины зернограничных сегрегаций были проведены методом – ОЭС (Оже-электронной спектроскопии). Чувствительность метода составляет 10^-1-10^-2%, точность анализа 5-10% с разрешением по глубине в пределах 3-30 Å. Исследования проводили на ESCA/AES спектрометре PHJ-548.

Сталь-прототип и плавки заявляемой стали с разными составами на верхнем и нижнем уровне содержания легирующих элементов были выплавлены в открытой высокочастотной индукционной печи емкостью 100 кг с основной футеровкой под флюсом состава 92% CaF₂, 3,5% CaO, 2% SiO₂, 1,8% Al₂О₃ и ряд микродобавок.

Были изготовлены образцы заявляемой стали четырех составов (табл.1)

Температура расплава плавок заявляемой стали и стали-прототипа перед выпуском находилась в пределах 1500-1550°С. Определение состава опытных плавок проводили обычным химическим методом и анализом материала на квантометре фирмы «Philips». Проверку полученных результатов производили методом вакуум-плавления в ОАО «Ижорские заводы».

Каждая из опытных плавок была разлита на четыре слитка массой по 25 кг каждая. Перед обработкой давлением слитки подвергали обдирке, а их прибыльные и донные части удалялись. Ковку осуществляли на молоте с усилием в 1 тонну.

Температурный интервал ковки составлял 1200-1170°С. Нагрев производили со скоростью не более 50 К в час до температуры 1250-1280 К. При этой температуре давалась двухчасовая выдержка. Далее без ограничения скорости температуру поднимали до 1470±10 К и выдерживали слитки при этой температуре в течение 2 ч. Нагрев контролировали хромельалюмелевой термопарой. Подача под боек молота не превышала 80-100 мм за один раз. При понижении температуры заготовки до 1180±10 К ее помещали в печь с температурой 1470 К и выдерживали в ней 1 час.

Перед термической обработкой поковки разрезали на заготовки под образцы для необходимых видов испытания. При изготовлении образцов использовались заготовки 14×14×500 мм. Полученные заготовки образцов подвергали термической обработке.

Таблица 2. Механические свойства опытных плавок заявляемой стали и стали-прототипа
Механические свойства	0,2, МПа	В, МПа	, %	, %	KCV, МДж/м2
Прототип
1
2
3
4
* в числителе – свойства сталей при 20°С, в знаменателе при минус 65°С.

Нагрев заготовок производили в лабораторных печах типа «СНОЛ». Результаты испытаний механических свойств заявляемой стали и стали-прототипа приведены в табл.2.

Повышение механических свойств заявляемой стали по отношению к свойствам стали-прототипа следует связывать с измельчением зерна стали за счет оптимального микролегирования ванадием и ниобием и перевода неметаллических включений в более благоприятную – сферическую форму, их измельчения за счет ее модифицирования ЩЗМ и РЗМ (табл.3).

Также улучшение этих характеристик следует связывать с уменьшением суммарной концентрации примесных элементов в границах зерен стали (зернограничных сегрегации), а также значительным снижением содержания в границах самой опасной с точки зрения хладостойкости стали примеси – фосфора (табл.4)

Исследования магнитной проницаемости в магнитном поле Земли и во внешних магнитных полях приведены в табл.5 и табл.6.

Опытная сталь имеет высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости. Обнаружено измельчение зерна стали и снижение уровня зернограничных сегрегации примесных элементов, в первую очередь фосфора, в границах зерен стали. Исследования ударной вязкости при пониженных температурах показали гарантированное превышение температуры вязкохрупкого перехода материала над температурой эксплуатации оборудования. Магнитная проницаемость заявляемой стали не превышает требуемой величины 0,01 и практически не изменяется во всем рабочем диапазоне температур.

Таким образом, заявляемая сталь может быть использована для изготовления узлов и деталей бурового оборудования, работающего в условиях низких температур климатического холода самых холодных регионов страны – Сибири, Крайнего Севера и Сахалина.

Формула изобретения

Хладостойкая, маломагнитная сталь для узлов и деталей бурового оборудования, содержащая углерод, марганец, хром, алюминий, бор, церий, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, ниобий и иттрий, мас.%: