DE3311606C2

DE3311606C2 -

Info

Publication number: DE3311606C2
Application number: DE3311606A
Authority: DE
Inventors: Jan Hofors Se Tiberg
Original assignee: SKF Steel Engineering AB
Current assignee: SKF Steel Engineering AB
Priority date: 1982-04-30
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1988-03-24
Also published as: CA1220651A; DE3311606A1; SG26887G; JPS58193350A; US4570708A; IT8320716A0; NL8301270A; SE452028B; SE8202728L; IT1161153B; FR2526122A1; GB2120275B; GB2120275A; NO831262L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl gemäß der Definition im Werkstoff-Handbuch "Stahl und Eisen", 4. Auflage, N 2-1 als Ölfeldrohr, Rohre aus solchen Stählen, die wie üblich durch Warmwalzen oder Warmziehen hergestellt werden, können als Ölfeldrohre in saurer Umgebung nicht eingesetzt werden, sie würden durch vorzeitige Korrosion zerstört. Das gilt insbes., wenn die saure Umgebung in gasförmiger Phase einen H₂S-Partialdruck von etwa 300 Pa und mehr oder in flüssiger Phase einen H₂S-Gehalt mit entsprechendem Gleichgewichtsdruck aufweist. Wenn der H₂S-Partialdruck in gasförmiger Phase etwa 300 Pa erreicht oder übersteigt, tritt ein Korrosionsphänomen auf, welches in der Praxis als Sulfid-Spannungsrißbildung (sulfide stress cracking, SSC) bekannt ist. Diese Rißbildung setzt die Festigkeit des Stahls weit unter seine normale Bruch- und Streckgrenze herab. - Ölfeldrohre bezeichnet alle in Bohrungen eines Ölfeldes eingesetzten Rohre, insbes. sogenannte Tubings und Casings, aber auch Bohrrohre.

Schätzungsweise 20% aller heutzutage ausgebeuteten Ölbohrungen sind im Sinne der obigen Ausführungen sauer. Diese Zahl nimmt noch zu. Neben H₂S in gasförmiger oder flüssiger Phase können auch andere korrosive Substanzen vorhanden sein. Andererseits wird Erdöl heute aus Tiefen von bis zu 10 000 m und manchmal sogar noch größeren Tiefen gefördert. Der Gasdruck in tiefen Bohrlöchern ist extrem hoch, die Anforderungen an die eingesetzten Stähle sind beträchtlich. Die Ölgesellschaften verfügen daher über Spezifikationen für die als Ölfeldrohre in einer im Sinne der obigen Ausführungen sauren Umgebung zu verwendenden Rohre. Diese Spezifikationen schreiben hochlegierte oder zähgehärtete niedriglegierte Stähle vor. Insbesondere dürfen die Rohre nicht durch Kaltverformung hergestellt sein. Kaltrichten wird zwar ausnahmsweise zugelasen, jedoch nur dann, wenn im Anschluß daran unter genau spezifizierten Bedingungen ein Rekristallisationsglühen durchgeführt wird. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf die Literaturstelle NACE Standard Mr-01-75 (1980 Revision) "Material Requirement - Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic for Oil Field Equipment", herausgegeben von der National Association of Corrosion Engineers. Diese Norm ihrerseis bezieht sich hauptsächlich auf die API-Standards 5A und 5AX. Aus diesen Standards geht eindeutig hervor, daß ein unlegierter sowie niedriglegierter, kaltbearbeiteter Stahl für Ölfeldrohre in saurer Umgebung nicht eingesetzt werden darf. An unlegierten und niedriglegierten Stählen sind eine Reihe von Grundlagenuntersuchungen zur Spannungsrißkorrosion in wäßrigen H₂S-Lösungen durchgeführt worden (Werkstoffe und Korrosion 30 (1979), Seiten 612 bis 619; Werkstoffe und Korrosion 31 (1980), Seiten 15 bis 20). Eine die untersuchten Werkstoffe umfassende theoretische Beschreibung der Spannungsrißkorrosion ist nicht gelungen. Es wurde festgestellt, daß bei unlegierten und niedriglegierten Stählen (gemäß der Definition in "Stahl und Eisen", 4. Auflage, N2-1) eine allgemeingültige Korrelation zwischen der Streckgrenze und der Standzeit des Werkstoffes nicht besteht, und daß es sowohl auf die Legierungszusammensetzung sowie auf das Gefüge des Werkstoffes in beachtlichem Maße ankommt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie vorzugeben ist, um Rohre aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl im Ölfeld in saurer Umgebung als Ölfeldrohre einzusetzen.

Die Erfindung lehrt, daß unter bestimmten Voraussetzungen Rohre aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl als Ölfeldrohre in saurer Umgebung einsetzbar sind. Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit

C0,05 bis 0,40, Si0,10 bis 0,50, Mn0,6 bis 2,0,

Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,50, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent -

als Ölfeldrohr in saurer Umgebung, die in gasförmiger Phase einen H₂S-Partialdruck von etwa 300 Pa und mehr und in flüssiger Phase einen H₂S-Gehalt mit entsprechendem Gleichgewichtsdruck aufweist und außerdem CO₂ und andere saure Substanzen aufweisen kann,

mit der Maßgabe, daß das Rohr kaltverformt verwendet wird. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß kaltverformt verwendete Rohre aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl einen besseren Widerstand gegen Sulfid-Spannungsrißbildung aufweisen als er bei Rohren aus hochlegierten oder niedriglegierten zähgehärteten Stählen erreicht wird. Die Theorie für diese Erscheinung konnte bisher nicht vollkommen geklärt werden, doch trägt vermutlich dazu bei, daß die Kaltverformung eine erhöhte Versetzungsdichte ergibt, wodurch die Festigkeit des Stahls erhöht wird. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf bekannte Untersuchungen zur H₂-induzierten Spannungsrißkorrosion an kaltverformten Reineisenproben in Elektrolytlösungen mit H₂SO₄, As₂O₃ und HgCL₂ unter Wasserstoffeinwirkung durch kathodische Polarisation (Werkstoffe und Korrosion 30 (1979), Seiten 612 bis 619). Diesen auf Reineisenproben beschränkten Untersuchungen zur Folge ist die kritische Zugspannung für die Spannungsrißkorrosion mit der Werkstoffverfestigung durch Kaltverformung korrelierbar und nimmt mit wachsender Festigkeit zu. Die Untersuchungen haben zur Weiterentwicklung von Ölfeldrohren aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl jedoch nicht beigetragen.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit

C0,05 bis 0,40, Si0,10 bis 0,50, Mn0,6 bis 2,0,

mit der Maßgabe, daß das Rohr im Wege der Kaltverformung hergestellt und anschließend bei einer Temperatur von 400 bis 675°C geglüht ist. Die Widerstandsfähigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Rohre gegen Sulfid-Spannungsrißbildung übertrifft die Widerstandsfähigkeit von Rohren, die aus hochlegierten oder niedriglegierten zähgehärteten Werkstoffen bestehen. Zu diesem überraschenden Werkstoffverhalten trägt vermutlich bei, daß die Kaltverformung eine erhöhte Versetzungsdichte ergibt. Während des Glühens bei mäßiger Temperatur, vorzugsweise zwischen 500 und 650°C, werden innere Spannungen im Material abgebaut, welche sonst zur Sulfid-Spannungsrißbildung beitragen könnten, ohne daß die Versetzungsdichte zu stark reduziert wird. Die gebräuchliche Bezeichnung für eine solche Glühbehandlung ist Spannungsarmglühen (vgl. Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, (1982), Band 22, Seite 27). Unter Spannungsarmglühen versteht man eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb des unteren Umwandlungspunktes, meist unter 650°C, auf die ein langsames Abkühlen zum Ausgleich innerer Spannungen folgt. Eine wesentliche Änderung der Eigenschaften ist damit nicht zu erreichen. Entfestigung und Änderung der Zähigkeit tritt erst bei höheren Temperaturen auf (Rekristallisationsglühen).

Vorzugsweise werden Rohre erfindungsgemäß verwendet, die aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl der folgenden Zusammensetzung bestehen:

C0,10 bis 0,25 Si0,10 bis 0,50, M0,80 bis 1,80,

Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,40, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche 5 bis 8.

Abgesehen von dem sehr guten Widerstand gegen Sulfid-Spannungsrißbildung in saurer Umgebung zeichnen sich die erfindungsgemäß verwendeten Rohre im Vergleich zu den im Rahmen der bekannten Maßnahmen eingesetzten Rohre aus hochlegiertem Stahl oder niedriglegiertem zähgehärtetem Stahl durch weitere Vorteile aus. So erlaubt die Kaltbearbeitung die Einhaltung engerer Toleranzen und gewährleistet eine bessere Bearbeitungsfähigkeit als sie bei gehärteten Rohren möglich ist. Darüber hinaus ergeben sich wesentlich geringere Herstellkosten.

Im folgenden wird ein Vergleichsversuch beschrieben. Bei diesem Versuch werden Rohre aus niedriglegiertem Stahl als Teststücke unter simulierten Ölfeldbedingungen getestet, und zwar im ersten Fall kaltbearbeitet und geglüht (1,5 h bei 515°C) und im zweiten Fall gehärtet und geglüht (2 h bei 570°C).

Tabelle 1 zeigt die chemische Analyse des Stahls, Tabelle 2 die mechanischen Eigenschaften von Teilstücken aus diesem kaltgewalzten oder gehärteten, geglühten Stahl.

Tabelle 1

C0,18% Si0,37% Mn1,46% P0,014% S0,020% Cr0,07% Ni0,06% Mo0,02% V0,10%

Tabelle 2

(Mechanische Eigenschaften)

Nachstehende Testumgebungen wurden verwendet:

1) 5% NaCl, gesättigte H₂S = Baumwoll-Lösung
2) 5% NaCl, gesättigte H₂S + 0,5 HAs = NACE-Lösung.

Als Prüfverfahren wurde die 3-Punkt-Biegeprobe angewendet und die Prüfzeit betrug 100 h.

Die Resultate des Versuches sind in einem Schaubild angegeben. Die Säulen entsprechen den Teststücken und die Oberkante einer jeden Säule gibt die angelegte Belastung an. Das Symbol * zeigt den Bruch der Prüfstange bei der betreffenden Belastung an. - Das Schaubild zeigt, daß kaltgewalzte Rohre gegenüber H₂S-Spannungskorrosion beachtlich widerstandsfähiger sind als die gehärteten Rohre.

Claims

1. Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit C0,05 bis 0,40, Si0,10 bis 0,50, Mn0,6 bis 2,0,Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,50, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent -

mit der Maßgabe, daß das Rohr kaltverformt verwendet wird.

2. Verwendung eins Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit C0,05 bis 0,40, Si0,10 bis 0,50, Mn0,6 bis 2,0,Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,50, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent -

mit der Maßgabe, daß das Rohr im Wege der Kaltverformung hergestellt und anschließend bei einer Temperatur von 400 bis 675°C geglüht ist.

3. Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit C0,10 bis 0,25, Si0,10 bis 0,50, Mn0,80 bis 1,80,Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,40, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent -

mit der Maßgabe, daß das Rohr kaltverformt verwendet wird.

4. Verwendung eines Rohres aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl mit C0,10 bis 0,25, Si0,10 bis 0,50, Mn0,80 bis 1,80,Rest eines oder mehrere von bei solchen Legierungen üblichen weiteren Legierungselementen aus der Gruppe Cr0,40, Ni1,0, Cu0,50, V0,20, Nb0,10, Ca0,005 sowie Eisen und übliche Verunreinigungen - alle Zahlenangaben in Gewichtsprozent -

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der weiteren Maßgabe, daß das Rohr durch Kaltwalzen hergestellt ist und eine Kaltverformung von zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 30%, aufweist.

6. Verwendung nach Anspruch 5 mit der weiteren Maßgabe, daß die untere Streckgrenze auf mindestens 550 MPa, vorzugsweise zumindest 650 MPa, eingestellt ist.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der weiteren Maßgabe, daß das Rohr durch Kaltziehen hergestellt und eine Kaltverformung von zumindest 10% aufweist sowie auf eine untere Streckgrenze von zumindest 550 MPa eingestellt ist.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit der weiteren Maßgabe, daß der unlegierte oder niedriglegierte Stahl einen Schwefelgehalt von maximal 0,005 Gew.-% aufweist.