Название |
Особенности формирования
в расплаве карбидных фаз, богатых ниобием, и их влияние на стойкость высокопрочных
обсадных труб к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением |
Информация об авторе |
Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия
Л. В. Палаткина, доцент кафедры технологии материалов (ТМ), канд. техн. наук, эл. почта: lv.palatkina@yandex.ru М. В. Матасова, магистрант кафедры ТМ, эл. почта: matasova.mary2016@mail.ru М. В. Кириличев, заведующий лабораторией кафедры ТМ, эл. почта: tecmat@vstu.ru
АО «Волжский трубный завод», Волжский, Россия
М. Ю. Чубуков, начальник центральной заводской лаборатории, канд. техн. наук, эл. почта: chubukovmu@vtz.ru |
Реферат |
Показано, что очаг (очаги) разрушения металла коррозионностойких высокопрочных обсадных труб из стали типа 26ХГМФ при оценке стойкости к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН) по методу А стандарта NACE TM 0177 расположен на поверхности образца и представляет собой питтинг или коррозионную язву. Для стандартных образцов из стали типа 26ХГМФ установлена взаимосвязь между морфологическими особенностями макрорельефа изломов и развитием разрушения по механизму СКРН. Зафиксирована последовательная смена трех основных стадий разрушения: I — хрупкого коррозионного разрушения с рубцами исходящими из очага разрушения; II — коррозионного растрескивания с неравномерной бороздчатостью по типу усталостных линий, без признаков пластической деформации металла; III — вязкого разрушения за счет совместного действия пластической деформации (уменьшение поперечного сечения образца) и коррозионного растрескивания (накопление водорода в местах с высокой локализацией напряжений). В металле обсадных труб из стали типа 26ХГМФ микролегированной ниобием в количестве до 0,03 % (мас.), методом цветного травления в горячем пикрате натрия выявлены фазы типа МеС и Ме(С, N), богатые ниобием (Nb от 45,05 до 59,71 % (мас.)). Строчки протяженностью от 5,3 до 22,8 мкм состоят из частиц различной дисперсности (от 0,3 до 3,8 мкм) и формы (овальная, округлая, кубическая и блочная). На основе комплексного анализа двойной диаграммы состояния Fe – Nb, квазибинарного разреза эвтектического типа Fe – NbС тройной системы Fe – Nb – С, псевдобинарной диаграммы состояния стали 26ХГМФ, последовательной смены механизмов затвердевания и различной растворимости ниобия в δ-Fe и γ-Fe для условий равновесной кристаллизации обоснована возможность формирования в расплаве карбидных и карбонитридных фаз, богатых ниобием. Также уточнена классификация карбидной (карбонитридной) фазы, богатой Nb: первичный, микронного размера карбид ниобия (NbС)I образуется в расплаве до начала затвердевания стали; вторичный, эвтектический, микронного размера карбид ниобия (NbС)II образуется на завершающей стадии кристаллизации стали в результате эвтектической реакции; третичный, наноразмерный карбид ниобия (NbС)III выделяется из твердого раствора аустенита при термической обработке. Повышение стойкости к растрескиванию в среде сероводорода для микролегированной Nb стали типа 26ХГМФ возможно за счет исключения самой составляющей зарождения коррозионных трещин и исключения в объеме металла областей накопления водорода с повышенной вместимостью, т. е. при условии предотвращения образования богатых ниобием карбидных и карбонитридных фаз микронного размера. |
Библиографический список |
1. Elkhodbia M., Negi A., Mubarak G., Barsoum I. et al. Review on sulfide stress cracking in sour service for OCTG and recent advances in modeling of hydrogen-assisted fracture // Geoenergy Science and Engineering. 2023. Vol. 230, Iss. 10. 212174. DOI: 10.1016/j.geoen.2023.212174 2. Mohtadi-Bonab M. A. Effects of different parameters on initiation and propagation of stress corrosion cracks in pipeline steels: A review // Metals. 2019. Vol. 9. 590. DOI: 10.3390/met9050590 3. Wang Z., Wang P., Zeng D., Shi T. et al. A study on the influential factors of stress corrosion cracking in C110 casing pipe // Materials. 2022. Vol. 15, Iss. 3. 801. DOI: 10.3390/ma15030801 4. Ширяев А. Г., Четвериков С. Г., Чикалов С. Г., Пышминцев И. Ю., Крылов П. В. Технологии производства стальных бесшовных труб для добычи трудноизвлекаемых углеводородов // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 11. С. 866–875. DOI: 10.17073/0368-0797-2018-11-866-875 5. Усков Д. П. Повышение эксплуатационных свойств высокопрочных комплекснолегированных сталей для обсадных труб в хладостойком и коррозионностойком исполнениях: дис. … канд. техн. наук. — Челябинск, 2023. — 158 с. 6. Путилова Е. А., Задворкин С. М., Веселов И. Н., Пышминцев И. Ю. Исследование структуры и физико-механических свойств перспективной высокопрочной экономно-легированной стали для нефтегазопромысловых труб, эксплуатируемых в экстремальных условиях // Физика металлов и металловедение. 2021. Т. 122. № 9. С. 993–1000. DOI: 10.31857/S0015323021090114 7. Палаткина Л. В., Галаган В. В., Матасова М. В., Чубуков М. Ю. Влияние электромагнитного перемешивания на процессы кристаллизации сплава и макро- и микроструктуру непрерывнолитых заготовок для производства сероводородостойких труб // Черные металлы. 2023. № 10. C. 63–69. 8. NACE Standard TM0177-2016. Laboratory testing of metals for resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in H2S environments. Houston, TX: NACE, 2016. 9. ГОСТ 31446–2017. Трубы стальные обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. — Введ. 01.07.2018. 10. СТО ТМК 56601056-0008-2006. Заготовка трубная непрерывнолитая круглого сечения для изготовления бесшовных труб. Технические условия. Стандарт организации. — Челябинск : ОАО «РосНИТИ», 2018. — 29 с. 11. Иоффе А. В. Механизм разрушения трубных сталей в сероводородсодержащей среде: автореферат дис. … канд. техн. наук. — Тольятти, 2000. — 24 с. 12. Панченко Е. В. и др. Лаборатория металлографии: учебное пособие для вузов / ред. Б. Г. Лившица. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Металлургия, 1965. — 439 с. 13. Шашкова Л. В. Фрактально-синергетические аспекты микроповреждаемости, разрушения и оптимизации структуры стали в условиях водородной хрупкости и сероводородного коррозионного растрескивания. — Оренбург : Издательско-полиграфический комплекс «Университет», 2013. — 305 с. 14. Балтер М. А., Любченко А. П., Аксенова С. И. и др. Фрактография — средство диагностики разрушенных деталей / под общ. ред. М. А. Балтер. — Москва : Машиностроение, 1987. — 159 с. 15. Виноград М. И. Включения в стали и ее свойства. — М. : Металлургиздат, 1963. — 252 с. 16. Банных О. А. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: справочник / под ред. О. А. Банных, М. Е. Дрица. — Москва : Металлургия, 1986. — 439 с. 17. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Матросов Ю. И. и др. Ниобий содержащие низколегированные стали. — Москва : СП Интермет инжиниринг, 1999. — 90 с. 18. Zheng S., Davis C., Strangwood M. Elemental segregation and subsequent precipitation during solidification of continuous cast Nb – V – Ti highstrength low-alloy steels // Materials Characterization. 2014. Vol. 95. P. 94–104. DOI: 10.1016/j.matchar.2014.06.008 19. Zhang Y., Yang J. Formation of Nb(C,N) carbonitride in cast austenitic heat-resistant steel during directional solidification under different withdraw rates // Materials. 2018. Vol. 11. 2397. DOI: 10.3390/ma11122397 20. Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н. Основы металлографии чугуна. — М. : Металлургия, 1969. — 416 с. 21. Эллиотт Р. Управление эвтектическим затвердеванием. Перевод: Б. Б. Страумал. Научный редактор: Л. С. Швиндлерман. — Москва : Металлургия, 1987. — 352 с. 22. Jeglitsch Franz. Niobium in tool steels and cemented carbides // Proceedings of the International Symposium Niobium, 2001. Bridgeville : TMS, 2001. S. 1001–1040. 23. DeArdo A. J. Niobium in modern steels // International Materials Reviews. 2003. Vol. 48. P. 371–402. 24. Wu Lailei, Wang Yachun, Yan Zhigang, Zhang Jingwu et al. The phase stability and mechanical properties of Nb–C system: Using first-principles calculations and nano-indentation // Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 561. P. 220–227. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.200 25. Шишлонова А. Н., Адищев П. Г., Мальков М. В. Входной контроль феррониобия, предназначенного для микролегирования стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2021. Т. 19. № 1. С. 69–74. DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-1-69-74 26. Корчемкина Н. В. Физико-химические свойства сплавов железо-ниобий, железо-ниобий-кремний и железо-ниобий-алюминий: автореф. дис. … канд. хим. наук. — Екатеринбург, 2006. — 22 с.
27. Шаскольская М. П. Кристаллография: учеб. пособие для втузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1984. — 376 с. 28. Zeng T., Zhang Shuzhan, Shi Xianbo, Wang Wei et al. Effects of the primary NbC elimination on the SSCC resistance of a HSLA steel for oil country tubular goods // Materials. 2021. Vol. 14. 5301. DOI: 10.3390/ma14185301 29. Tian Y., Zhao MC., Zeng YP. et al. Elimination of primary NbC carbides in HSLA steels for oil industry tubular goods // JOM. 2022. Vol. 74. P. 2409–2419. DOI: 10.1007/s11837-022-05202-6 30. Song Eun Ju. Hydrogen desorption in steels. Thesis for doctor of philosophy. Сomputational metallurgy. Graduate Institute of Ferrous Technology Pohang University of Science and Technology, 2015. — 106 p. 31. Кондратьев С. Ю., Святышева Е. В., Анастасиади Г. П., Данилова М. А. Особенности формирования структуры карбида ниобия в литых жаропрочных сплавах на основе системы Fe – Cr – Ni // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 4 (254). С. 191–209. |