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

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.

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.