OVĚŘENÍ VÝROBY PAŽNICOVÝCH TRUBEK JAKOSTNÍCH STUPŇŮ L80 A N80 PRO KYSELÁ PROSTŘEDÍ VERIFICATION PRODUCTION OF CASINGS GRADES L80 AND N80 FOR SOUR SERVICE Josef Bár a Jan Melecký b ArcelorMittal, a. s.,vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, ČR, a Josef.bar@arcelormittal.com b Jan.melecky@arcelormittal.com Abstrakt V článku je prezentován projekt, který zahrnoval řešení problematiky vývoje a ověření výroby pažnicových trubek pro kyselá prostředí jakostních stupňů L80 a N80 dle API 5CT. Autoři referátu popisují hlavní etapy řešení projektu: návrh chemického složení oceli, výrobu oceli, odlévání do kontislitků a výrobu trubek. Vyválcované trubky byly kaleny a popouštěny tak, jak je požadováno předpisem. Konečné vlastnosti trubek (mez kluzu, pevnost, tažnost, vrubová houževnatost) byly ověřeny. Všechny hodnoty mechanických zkoušek splňovaly požadavky pro jakostní stupně L80 a N80. Dosažené výsledky z hlediska odolnosti v sirovodíkovém prostředí byly vyhovující s velmi vysokou jistotou. Předmětné trubky mohou být vyráběny a používány pro kyselá prostředí. Abstract This paper presents the project, which solved development and verification of production of casings for sour service grades L80 and N80 according to API 5CT. The authors describe basic period of solution: design chemical composition of steel, steel making, continuous casting and casings production. The pipes were quenched and tempered according to requirement of specification. Final properties of casings (yield strength, tensile strength, ductility, notch toughness) were attested. All mechanical values matched the requirements for grades L80 and N80. Results in light of resistance in environments hydrogen sulphide were suitable with guaranteed reliability. The casings may be produced and used for sour service. 1. ÚVOD Společnosti ArcelorMittal Tubular Products, která je dceřinou firmou ArcelorMittal Ostrava a. s., 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 H40 až Q125 s minimální mezí kluzu 276 až 1034 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. 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 1
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. Vzhledem k tomu, že zákazníci často požadují u pažnicových trubek nejen jejich odolnost vůči tlakovému namáhání, ale taky zvýšenou odolnost při současném působení kyselého prostředí. V tomto směru byl koncipován předmětný projekt, který řešil problematiku vývoje a osvojení výroby pažnicových trubek specifických jakostních stupňů L80S a N80S. Při řešení se vycházelo s celosvětového trendu v oblasti výroby a použití ocelí pro kyselá prostředí, z příslušných norem a z publikovaných poznatků uznávaných výrobců olejářských trubek, například [1] až [12] a také ze zkušeností s výrobou náročnějších značek ocelí v podmínkách společnosti ArcelorMittal Ostrava. Při ověřování a osvojování výroby bezešvých trubek byla zaměřena pozornost zejména na: - vhodné chemické složení oceli a úzká rozmezí obsahů jednotlivých prvků; - nízký obsah síry; - vysokou čistotu oceli; - vysokou homogenitu oceli; - uzavřené lití polotovaru; - dosažení jemnozrnné struktury; - tepelné zpracování trubek. K výrobě byla použita středně uhlíková ocel, s obsahem manganu do 0,85 hm. %, legovaná chrómem a molybdenem. Důležitou podmínkou pro dosažení korozní odolnosti v prostředí sirovodíku byl nízký obsah síry s limitem max. 0,010 hm.%. Informativně jsou základní parametry použité ocelí uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1. Typ použité oceli Table 1. Type used steel Prvek Obsah C [ hm. % ] 0,33 Mn [ hm. % ] 0,85 Si [ hm. % ] 0,170 0,250 P [ hm. % ] 0,017 S [ hm. % ] 0,010 Al celk [ hm. % ] 0,015 0,030 Legováno Cr + Mo Ni [ hm. % ] 0,30 Cu [ hm. % ] 0,18 Sn [ hm. % ] 0,020 Cu + 8Sn [hm. %] 0,30 2. VÝROBA OCELI A ODLÉVÁNÍ Výroba ocelí probíhala v tandemových pecích, rafinace a mimopecní zpracování na pánvové peci. Ocel byla vyráběna jako uklidněná, s intenzívním dmýcháním argonu při zpracování na pánvové peci a s modifikací vměstků CaSi. Legování chrómem bylo prováděno z převážné části v průběhu odpichu a molybdenem výhradně při mimopecním zpracování na pánvové peci. Tavby byly odlévány do kulatiny průměru 160 mm a do průměru 210 mm při uzavřeném lití pomocí ponorných výlevek. S ohledem na zvýšené nároky na vlastnosti vyráběných trubek jsou zpřísněné požadavky na síru (do 0,010 hm. %) a fosfor (do 0,017 hm. %). Z tohoto důvodu byla věnována zvýšená pozornost rafinaci oceli struskou s cílem docílit co nejlepší termodynamické a kinetické podmínky pro odsíření a odfosfoření oceli jak při výrobě oceli v tandemové peci, tak při mimopecním zpracování na pánvové peci. Obdobná péče byla věnována volbě kovonosné vsázky, tj. byly použity suroviny s nízkými 2
obsahy nežádoucích stopových prvků, zejména mědi a cínu. U předmětných taveb byl ve zvýšené míře používán kvalitní ocelový odpad. 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 tohoto důvodu bylo legování prováděno ve větším podílu na pánvové peci. Z hlediska zajišťování požadovaných analýz bylo toto docilováno s dostačující provozní jistotou. 3. VÝROBA TRUBEK 3.1 Válcování trubek Válcování trubek v rourovně byla realizována z kruhových kontislitků 160 a 210 mm na válcovací trati Stiefel 4-10. Rozměrový sortiment reprezentoval pažnicové trubky vnějšího průměru od 4 ½ (114,3 mm) do 9 5/8 (244,5 mm). 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. Trubky jakostních stupňů L80 a N80 jsou dodávány ve stavu tepelně zpracovaném v souladu s předpisem API 5CT. Tepelné zpracování bylo prováděno na zušlechťovně rourovny a zahrnovalo kalení a popouštění. Ohřev před kalením byl prováděn v průběžné článkové peci na kalicí teplotu s následným intenzivním ochlazením vnější vodní sprchou. Rychlost ohřevu byla stanovena dle předpisů pro příslušný rozměrový sortiment trubek. Minimální doba ohřevu pro uvedenou ocel byla stanovena tak, aby se uskutečnila transformace na dostatečně homogenní austenit. Po provedeném kalení následovalo kontinuálně popouštění v krokové peci na stanovenou teplotu pro příslušný jakostní stupeň. Následovalo ochlazení trubek volně na vzduchu na chladníku. Na konci linky pro tepelné zpracování byl proveden odběr vzorků pro zkoušky konečných vlastností a trubky byly označovány dle požadavků norem. Následně byly trubky podrobeny kontrolním postupům požadovaným předpisem API 5CT vizuální kontrole, kontrole průměru a tloušťky stěny, kontrole vířivými proudy a kontrole ultrazvukem. Všechny dobré trubky byly podrobeny zkoušce vnitřním vodním tlakem na hodnotu tlaku dle API 5CT. Všechny zkoušené trubky vyhověly tomuto požadavku. Celková dosažená předváha pro tento náročný sortiment byla na velmi dobré úrovni, srovnatelná s hodnotami dosahovanými při výrobě pažnicových trubek nižších jakostních stupňů. 3.2 Mechanické vlastnosti 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; - prokalitelnost; - odolnost proti vnějšímu tlaku; - odolnost pod napětím v kyselém prostředí. V tabulkách 2 a 3 jsou informativně shrnuty průměrné hodnoty výsledků tahových zkoušek a zkoušek rázem dosažené při ověřovací výrobě předmětných jakostních stupňů. Z hlediska mechanických vlastností byly sledovány: mez kluzu R t0,5, pevnost 3
R m, tažnost A 2 a nárazová práce KV. V průběhu ověřovací výroby bylo odebráno poměrně velké množství zkoušek, u jednotlivých jakostních stupňů více něž 50. Tabulka 2. Výsledky tahových zkoušek Table 2. Results of tensile tests Stupeň Směr R t0,65 [MPa] R m [MPa] R t0,65 / R m A 2 [ % ] Požadavek API 5CT L80 L 552-655 min. 655 - min. 20,0 Průměrné hodnoty L80 L 606 708 0,856 31,2 Požadavek API 5CT N80 L 552 700 1) min. 689-19,0 Průměrné hodnoty N80 L 626 723 0,866 29,8 Pozn.: 1) rozsah pro standardní stupeň je 552 758 MPa Tabulka 3. Výsledky zkoušek rázem (trubky 7 x 10,36 mm) Table 3. Results Charpy V notch tests (pipes 7 x 10,36 mm) Stupeň Směr Teplota Velikost Absorb. energie KV [ J ] zkoušení vzorku průměr Požadavek API 5CT L80 L -10 C 1 min. 22 Naměřené hodnoty L80 L -10 C 1 129 Požadavek API 5CT N80 L -10 C 1 min. 22 Naměřené hodnoty N80 L -10 C 1 121 Většina tahových zkoušek vyhověla pevnostním požadavkům předpisu API 5CT bez nutnosti opakovacích zkoušek. Rovněž provedené zkoušky vrubové houževnatosti potvrdily vyhovující výsledky nárazové práce KV s dostatečnou rezervou zajišťující splnění požadavku předpisu. Po provedeném kalení byly u vybraných ověřovacích sérií odebírány kroužky pro měření tvrdosti dle požadavku předpisu API 5CT ke stanovení prokalitelnosti. U všech odebraných vzorků (12 ks) byla zjištěna vyhovující prokalitelnost s dostatečnou rezervou zaručující po průřezu strukturu s minimálně 50 % podílu martenzitu. Součástí ověřování byly i zkoušky na odolnost pažnicových trubek proti vnějšímu tlaku, tzv. kolapsové zkoušky. Zkoušky byly prováděny na vlastním zkušebním zařízení. U všech zkoušek bylo dosaženo tlaku při kolapsu minimálně o 20% vyššího než je předepsáno předpisem API 5C2. 3.3 Metodika zkoušení odolnosti trubek v sirovodíkovém prostředí Ověřování odolnosti trubek v kyselém prostředí pod napětím bylo prováděno korozními zkouškami SSC (Sulfide Stress Cracking). Korozní zkoušky SSC pažnicových trubek byly prováděny v souladu s normou NACE Standard TM0177-2005, v korozním roztoku (NaCl a CH 3 COOH v destilované vodě o kyselosti ph 2,7 na počátku a max. ph 4 na konci testu) za normální teploty roztoku 24 ± 3 C (75 ± 5 F), za atmosferického tlaku a za současného působení napětí k vyvolání vodíkových trhlin. U zkoušky SSC jsou vzorky (kruhové tahové zkoušky o průměru 3,81 mm) exponovány po dobu 720 hodin v korozním prostředí. Zkoušený materiál by měl odolávat bez porušení za daných podmínek minimálnímu zatížení rovnajícímu se 80 procentům jeho meze kluzu. Korozní zkoušky pod napětím (SSC) byly prováděny na zařízení, které je instalováno v laboratořích společnosti ArcelorMittal Ostrava a. s. Zařízení obsahuje devět zkušebních strojů pro uvedené zkoušení s konstantním zatížením. U zkoušky s 4
konstantním zatížením se zkušební tyč, umístěná v korozním prostředí zatěžuje zvoleným, konstantním tahovým zatížením a měří se doba do lomu zkoušky. 3.4 Výsledky zkoušek SSC (Sulfide Stress Cracking) Zkoušení trubek na odolnost v kyselém prostředí bylo prováděno po konečném tepelném zpracování podle metodiky popsané v předchozí kapitole. Fotografie unikátního zařízení pro provádění zkoušek odolnosti trubek v prostředí sirovodíku pod napětím je uvedena na obr. 1. U jednotlivých rozměrů byly při každém zatížení ověřovány většinou 3 vzorky. Celkem bylo zkoušeno 63 ks vzorků pro jakostní stupeň L80 a 33 ks vzorků pro stupeň N80. Vzorky reprezentovaly sortiment trubek průměru 4 ½ až 9 5/8 s tloušťkou stěny 6,35 mm až 11,51 mm. Všechny vzorky zkoušené při zatížení 0,80 skutečné meze kluzu vydržely po dobu 720 h bez porušení (až na jeden případ u stupně N80). U tohoto nevyhovujícího vzorku bylo podezření, že byl před zkoušením vystaven delší dobu nepřípustnému působení okolního (částečně kyselého) prostředí. Požadavek ISO 15156 na minimální odolnost při zatížení 0,80 Obr. 1. Zařízení na provádění zkoušek SSC meze kluzu po dobu 720 h byl s dostatečnou spolehlivostí splněn. Z Fig. 1. Equipment for testing SSC dosažených výsledků lze vyvodit dostatečnou garanci do hodnoty zatížení 0,80 meze kluzu R e pro zkušební zakázky ve stupních L80 a N80. Doplňujícím technickým opatření je zejména dosažení výrobního obsahu síry v oceli max. 0,010 hm. % a omezení horního limitu meze kluzu u stupně N80 (R emax = 700MPa). Pro názornost jsou výsledky zkoušení pažnicových trubek L80 graficky zhodnoceny na obr. 2. Na svislé ose grafu je vynesen poměr zatěžujícího napětí ke skutečné mezi kluzu a na vodorovné ose doba do porušení zkoušky. Limitem dle normy ISO 15156-2 je doba 720 hodin při zatížení napětím rovným 80 % meze kluzu. Z obrázku je vidět, že v tečkovaném poli, které představuje nevyhovující oblast, se nevyskytuje žádná prasklá zkouška. Většina zkoušek nebyla porušena při tahovém zatížení v korozním prostředí po dobu 720 hodin. Některé byly přetrženy po kratší době (např. po 520 hodinách), ale při vyšším zatížení přesahujícím napětí 801 % meze kluzu. Vzhledem k tomu, že svislá čára znázorňující dobu 720 h je přehuštěna body, je v doplňující tabulce uvedeno kolik zkoušek a při jakém zatížení v poměru k mezi kluzu nebylo porušeno. 5
Applied stress / Actual yield strength [ - ] 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Limit of grade L80 according to API 5CT Limit according to ISO 15156-2 0,94 1x 0,93 2x 0,92 6x 0,91 1x 0,90 5x 0,89 2x 0,88 4x 0,87 5x 0,86 3x 0,85 8x 0,82 9x 0,81 3x 0,80 5x 0,79 3x 1,0 10,0 100,0 1000,0 Time to failure [hours] Obr. 2. Výsledky zkoušek SSC pažnicových trubek stupně L80 dle API 5CT Fig. 2. Results of tests SSC for casings grade L80 according to API 5CT 4. ZÁVĚR Úspěšným vyřešením projektu se ve spolupráci s provozními pracovníky v celém výrobním cyklu od ocelárny po rourovnu podařilo rozšířit výrobní program bezešvých trubek. Výrobní program byl rozšířen o pažnicové trubky specifických jakostních stupňů L80 a N80 se zvýšenou odolností v kyselém prostředí. Nezbytné je však dodržet podmínky výroby, zejména zajištění vysoké čistoty oceli s nízkým obsahem síry max. 0,010 hm.% a intenzivní dmýchání argonu při zpracování na pánvové peci k zajištění dostatečné homogenity oceli. Použitím navrženého chemické složení oceli bylo docíleno splnění požadované odolností trubek v kyselém korozním prostředí pod napětím. Zkoušky byly provedeny na vlastním zkušebním zařízení, které splňuje požadavky norem a bylo schváleno několika audity renomovaných zákazníků. Realizace zakázek předmětného sortimentu umožní společnosti zvýšení zisku v důsledku vyšší užitné hodnoty trubek a tímto i jejich vyšší ceny. Jak důležité je rozšíření výrobního sortimentu se ukazuje zejména v dnešní krizové době, protože zavádění nových výrobků představuje jednu z cest k naplnění volných výrobních kapacit hutních provozů. Tato práce vznikla díky finanční podpoře MPO v rámci programového projektu ev.č. FT-TA5/143 Optimalizace technologických parametrů a chemického složení legovaných ocelí s vysokými užitnými charakteristikami. 6
LITERATURA [1] API 5CT specifikace pro pažnice a čerpací trubky, 8. vydání, platí od 1. 1. 2006. [2] NACE MR0175/ISO 15156, 2003. Petroleum and natural gas industry Material for use in H 2 S containing environments in oil and gas. [3] NACE Standard TM 0177-2005. Laboratory testing of metals for resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in H2S environments. [4] V&M Steel grades for Sour Service. Prospekt www.vamservices.com [5] Gray, J. M.: Steel for Sour Gas Service. EWI Microalloying, Houston TX, May 31, 2006, Tube & Pipe KMP, Rotterdam. [6] Prospekt firmy Mannesmann Röhrenwerke: Special High Collapse Grades for Casing. [7] Prospekt skupiny Tenaris: Steel Grades. [8] Prospekt skupiny Grant Prideco: Seamless Oil Country casing. [9] Prospekt JFE Steel Corporation: Oil Country Tubular Goods [10] Prospekt firmy Sumitomo Metals: SM séries. [11] Sojka, J. aj.: Vliv mikrostruktury na sulfidické praskání pod napětím za tepla válcovaných trubek. Acta Metallurgica Slovana, 11, 2005, s. 323-330. [12] Bár, J., Melecký, J.: Rozšíření sortimentu olejářských trub vyráběných z Cr-Mo ocelí. Výzkumná zpráva, Ostrava, srpen 2004, 29 s. 7