Výroba pažnicových trubek jakostního stupně Q125 dle API 5CT Production of casings grade Q125 according to API 5CT Ing. Josef Bár, Ing. Jan Melecký, CSc. Mittal Steel Ostrava a.s., Vratimovská 689, 707 02 Ostrava-Kunčice, Česká republika Josef.Bar@mittalsteel.com ABSTRAKT Vývoj oceli pro výrobu trubek jakostního stupně Q125 dle API 5CT. Technologie výroby oceli, mimopecního zpracování a odlévání na zařízení plynulého lití. Válcování trubek na trati s automatikám. Tepelné zpracování a ověření finálních vlastností trubek. Zbytková pnutí po rovnání za studena. Výsledky nedestruktivní kontroly trubek. Realizace výroby v Mittal Steel Ostrava. ABSTRACT Development of steel for production of tubes grade Q125 according to API 5CT. Technology of steel production, secondary metallurgy and casting on equipment of continuous casting. Rolling of tubes on the plug mill. Heat treatment and validation of final properties of tubes. Stress relieving after cold straightening. Results of nondestructive control of tubes. Realization of production in Mittal Steel Ostrava. 1. ÚVOD Pažnicové trubky se používají k vypažení vrtů při těžbě ropy a zemního plynu nebo při průzkumech. Vrty dosahují často poměrně značných hloubek, které kladou vysoké nároky na trubky nejen z hlediska provozního namáhání, ale také co do působení chemických sloučenin jako produktu geochemického složení vyvrtaných hornin. Pažnicová kolona jako soustava závitově spojených trubek je ve vrtu kombinovaně namáhána za současného působení sirovodíku případně jiných chemických látek. Trubky jsou zejména zatěžovány vnějším přetlakem působením tektonických tlaků, tahem v důsledku hmotnosti kolony a vnitřním tlakem při působení vyvrtaných hornin. Provozní spolehlivost pažnic je velmi důležitá, protože jejich nedostatečná odolnost vytváří nebezpečné riziko havárie vrtného díla v hodnotě několika milionů korun. Rourovna společnosti Mittal Steel Ostrava patří mezi uznávané výrobce olejářských trubek a má udělen certifikát pro dodávky trubek s monogramem API (American Petroleum Institute). Vyrábí pažnicové trubky v průměrech 4 1/2 až 9 5/8 a v jakostních stupních s minimální mezí kluzu 276 až 758 MPa. Udržení si pozic na světovém trhu vyžaduje hledat cesty jak zvýšit užitné vlastnosti trubek a rozšířit vyráběný sortiment trubek a tímto se přiblížit renomovaným výrobcům trubek. Jedním z důležitých projektů, který měl rozšířit sortiment vyráběných olejářských trubek, byl vývoj, ověření a zavedení výroby pažnicových trubek stupně Q 125 podle předpisu API 5CT. Tento jakostní stupeň patří k pevnostně nejvyšším podle tohoto předpisu a jeho výrobu úspěšně zvládají většinou jen renomování výrobci bezešvých trubek. 2. VÝROBA A ODLÉVÁNÍ OCELI Při volbě oceli se vycházelo z celosvětového trendu v této oblasti, z publikovaných poznatků uznávaných výrobců olejářských trubek a také ze zkušeností aplikace nízkolegované Cr-Mo oceli v podmínkách Rourovny Mittal Steel Ostrava. Předmětná ocel byla navržena tak, aby 1
splňovala požadavky předpisu API (Amerického petrolejářského institutu) a současně byla vyrobitelná v podmínkách vlastní ocelárny. K výrobě předmětných trubek byla vyvinuta chrom-molybdenová ocel s chemickým složením, které odpovídá modifikované značce 34CrMo4 dle DIN. S ohledem na zvýšené nároky vyráběných trubek jsou zpřísněné požadavky na síru (do 0,010 hm. %) a fosfor (do 0,017 hm. %). Z tohoto důvodu byla věnována zvýšená pozornost struskovému řádu s cílem docílit co nejlepší termodynamické a kinetické podmínky pro odsíření a odfosfoření oceli jak při výrobě oceli, tak při mimopecním zpracování na pánvové peci. Obdobná péče byla věnována volbě kovonosné vsázky, tj. surovin s nízkými obsahy nežádoucích stopových prvků, zejména mědi a cínu. Tradičně byl důraz kladen na minimalizaci nákladů na dezoxidační a legující přísady, čemuž odpovídala optimalizace technologie legování za účelem minimalizace propalů jednotlivých prvků, resp. jejich maximální využití. Z hlediska zajišťování požadovaných analýz bylo toto docilováno s dostačující provozní jistotou. 3. VÁLCOVÁNÍ TRUBEK Válcování trubek v rourovně byla realizována z kruhových kontislitků 210 mm na válcovací trati Stiefel 4-10. Ohřev vsázkového materiálu na tvářecí teplotu byl prováděn v karuselové peci, následoval proces děrování, elongování dutého předvalku na elongátoru, válcování na stolici automatik, válcování na hladicí stolici a kalibrování. Rovnání trubek bylo prováděno za studena na rotační rovnačce. Pro zjištění vlastností při tváření dané oceli za tepla byly provedeny experimentální zkoušky na VŠB-TU Ostrava. Provedeny byly tahové zkoušky za tepla v rozsahu zkušebních teplot 550 C až 1475 C. Pro hodnocení tvařitelnosti oceli je poměrně vypovídající veličina kontrakce. Závislost kontrakce v závislosti na teplotě zkoušení pro předmětnou ocel je znázorněna na obr. 1. 100 80 Kontrakce [%] 60 40 20 0 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Teplota [ C] Obr. 1. Závislost kontrakce na teplotě zkoušení pro ověřovanou ocel Fig. 1. Dependence contraction on temperature testing for verification steel 2
Z obrázku vyplývá, že hodnota kontrakce v rozsahu tvářecích teplot poklesne jen těsně pod hranici 60 %, což svědčí o dobré svařitelnosti a nízké citlivosti oceli k tvorbě trhlin. Tyto skutečnosti byly potvrzeny i výsledky provozního válcování s velmi dobrým výtěžkem. 4. TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Tepelné zpracování bylo prováděno na zušlechťovně rourovny a zahrnovalo kalení a popouštění, případně žíhání na odstranění pnutí. Ohřev před kalením byl prováděn v průběžné článkové peci na teplotu 850 C s následným intenzivním ochlazením vnější vodní sprchou. Rychlost ohřevu byla stanovena dle předpisů pro příslušný rozměrový sortiment trubek. Minimální doba ohřevu pro uvedenou ocel z hlediska transformace na dostatečně homogenní austenit činí asi 10 min. Po provedeném kalení následovalo kontinuálně popouštění v krokové peci na teplotu 610 C. Za krokovou pecí byl kalibrován vnější průměr trubek na kalibrovacím stroji. Následovalo ochlazení trubek volně na vzduchu na chladníku. Pak bylo provedeno rovnání trubek za studena na rotační rovnačce. 4.1 Žíhání na odstranění pnutí Pro výrobu jakostního stupně Q125 je rovnání za tepla nebo žíhání na odstranění pnutí předepsáno API 5CT, případně je možno se zákazníkem dohodnout dodávky ve stavu po rovnání za studena. Při zavádění výroby pažnicových trubek stupně Q125 v Mittal Steel Ostrava bylo zapotřebí, vzhledem k chybějící rovnačce za tepla, vyvinout režim žíhání na odstranění pnutí. Za tímto účelem byl proveden poloprovozní experiment s žíháním na odstranění pnutí při různých teplotách a rozdílné době žíhání. Dosažené výsledky jsou znázorněny na obr. 2. Z obrázku je vidět, že s růstem teploty a prodloužením ohřevu dochází k intenzivnímu snížení zbytkového pnutí. Při žíhání nedošlo k ovlivnění mechanických vlastností vzorků z trubek (R e = 902 až 914 MPa, R m = 984 až 1008 MPa, A 2 = 26,8 až 27,8 %). Podle předpisu API 5CT je stanovena minimální teplota žíhání na odstranění pnutí 510 C a maximální nesmí přesáhnout teplotu popouštění. Výsledky provozního žíhání na odstranění pnutí potvrdily správnost zvoleného režimu zpracování, došlo ke snížení úrovně zbytkového pnutí asi na 30 %. Zbytkové pnutí [MPa] Obr. 2. Vliv teploty a doby žíhání na zbytkové pnutí Fig. 2. Effect temperature and time annealing on residual stresses 300 250 200 150 100 50 žíhání 520 C žíhání 560 C 0 0 20 40 60 Doba žíhání [min.] 5. FINÁLNÍ VLASTNOSTI TRUBEK Odběr zkoušek pro hodnocení finálních vlastností trubek a samotné hodnocení bylo prováděno dle předpisu API 5CT. Vzhledem k tomu, že se jednalo o ověřovací výrobu byla poněkud zvýšená četnost odběru zkoušek. Sledovány byly zejména tyto vlastnosti trubek: Výsledky tahových zkoušek. Výsledky zkoušek rázem. Rozdíl tvrdosti po tepelném zpracování. 3
Prokalitelnost. Odolnost proti vnějšímu tlaku. Níže jsou informativně shrnuty průměrné hodnoty vlastností dosažených při výrobě trubek 9 5/8 x 13,84 mm jakostního stupně Q125 pro 3 konkrétní zakázky. Tabulka 1. Výsledky tahových zkoušek Table 1. Results of tensile tests Směr R t0,65 [MPa] R m [MPa] R t0,65 / R m A 2 [ % ] Počet Požadavek API 5CT L 862-1034 min. 931 - min. 14,0 zkoušek Průměrné hodnoty L 907 1015 0,894 26,2 112 Tabulka 2. Výsledky zkoušek rázem Table 2. Results Charpy V notch tests Počet Teplota Velikost Absorb. energie KV [ J ] Směr zkoušek zkoušení vzorku min. průměr Požadavek API 5CT T -10 C 1 min. 20 min. 30 Naměřené hodnoty 114 T -10 C 1 73 92 Tabulka 3. Rozdíl tvrdosti po kalení a popouštění Table 3. Hardness variation after quenched and tempered Počet Rozdíl tvrdosti HRC zkoušek max. průměr Požadavek API 5CT 4,0 max. 4,0 Naměřené hodnoty 114 3,4 1,2 Měření tvrdosti se provádí dle metodiky stanovené předpisem API 5CT. Z trubek dle požadované četnosti se odeberou vzorky (kroužky) a tvrdost se zkouší ve čtyřech kvadrantech vždy devíti vpichy. Kolísání tvrdosti je definováno jako rozdíl mezi kterýmikoli dvěmi hodnotami tvrdosti v rámci jednoho kvadrantu. Tabulka 4. Prokalitelnost Table 4. Hardenability Počet Místo Tvrdost HRC zkoušek vpichů min. průměr Požadavek API 5CT 37,2 min. 37,2 vně 50,1 52,3 Naměřené hodnoty 114 střed 49,3 51,3 vni 49,0 50,9 4
Tabulka 5. Zkoušky vnějším tlakem kolaps Table 5. Collapse tests Počet Tlak při kolapsu zkoušek [ MPa ] Požadavek API 5C2 58,2 Průměrné hodnoty 4 86,9 Zkouška vodním tlakem Všechny dobré trubky byly podrobeny zkoušce vnitřním vodním tlakem na lise Schloemann na hodnotu tlaku 63 MPa. Všechny zkoušené trubky vyhověly tomuto požadavku. Z uvedených výsledků v tabulkách 1 až 5 vyplývá, že trubky zhotovené z vyvinuté oceli splnily požadavky předpisu API 5CT na mechanické a některé specifické vlastnosti, a to s dostatečnou rezervou. 6. DOSAŽENÁ PŘEDVÁHA Trubky byly podrobeny kontrolním postupům požadovaným předpisem API 5CT vizuální kontrole, kontrole průměru a tloušťky stěny, kontrole vířivými proudy a kontrole ultrazvukem. Úroveň přijatelnosti byla s hloubkou vady maximálně 5 %. Celková dosažená předváha pro tento náročný sortiment byla na velmi dobré úrovni, srovnatelná s hodnotami dosahovanými při výrobě pažnicových trubek nižších jakostních stupňů. 7. ZÁVĚR Výsledky řešení výzkumného projektu byly předány tzv. na klíč. Již v průběhu řešení byla provedena validace výsledků a technologie předána do běžné výroby. Na základě žádosti závodu 15 (rourovny) byl Americkým petrolejářským institutem udělen společnosti Mittal Steel Ostrava certifikát pro používání monogramu API pro jakost Q125. O úspěšnosti řešení svědčí i dosažený zisk a rychlá návratnost finančních prostředků vynaložených na vývoj uvedených technologií, která činila necelé tři měsíce. Dosažené výsledky zároveň přispěly k rozšíření výrobního sortimentu společnosti a k dalšímu posunu směrem k náročnějším trubkovým výrobkům. 5