BEZEŠVÉ TRUBKY STUPNĚ X52 DLE API 5L PRO KYSELÁ PROSTŘEDÍ SEAMLESS PIPES GRADE X52 ACCORDING TO API 5L FOR SOUR SERVICE

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

BEZEŠVÉ TRUBKY STUPNĚ X52 DLE API 5L PRO KYSELÁ PROSTŘEDÍ SEAMLESS PIPES GRADE X52 ACCORDING TO API 5L FOR SOUR SERVICE Josef Bára, Jan Meleckýb, Václav Ráblc ArcelorMittal, a. s.,Vratimovská 689, 707 02 Ostrava - Kunčice, ČR, a [email protected] b [email protected] c [email protected]

ABSTRAKT Zákazníci požadují velmi často naftovodné trubky odolné v prostředí sirovodíku. Na základě těchto požadavků společnost ArcelorMittal Tubular Products Ostrava postupně zavádí výrobu tohoto sortimentu. Předmětem této přednášky je výroba naftovodných bezešvých trubek jakostního stupně X52 dle API 5L. Výroba oceli pro kyselá prostředí vyžaduje zavedení specifických opatření, například nízký obsah síry, vysokou čistotu a homogenitu oceli. K výrobě byla použita nízkouhlíková ocel mikrolegovaná vanadem a niobem. Obsah síry činil max. 0,008 hm. %. Kromě standardních vlastností bezešvých trubek je požadována jejich odolnost v prostředí sirovodíku. Tato se zkouší metodou HIC (Hydrogen induced cracking) podle normy NACE TM0284. Zkoušení je prováděno ve zkušebně společnosti ArcelorMittal Ostrava. Kritériem pro hodnocení byly požadavky dle ISO 15156 na výskyt trhlin při zkoušce HIC v podélném směru CLR≤15%, v příčném směru CTR≤5%, plošně CSR≤2%. Provozní ověření a hodnocení finálních vlastností bylo prováděno u širokého sortimentu trubek. Dosažené výsledky z hlediska odolnosti v sirovodíkovém prostředí byly vyhovující s velmi vysokou jistotou. Taky ostatní vlastnosti požadované předpisem API 5L byly splněny. Výroba bezešvých trubek pro kyselá prostředí bude následně realizována. ABSTRACT Customers very often require pipeline with resistance in H2S containing environments. On basis of these requirements company ArcelorMittal Tubular Products Ostrava step by step implements production of that assortment. Subject of that paper is production of seamless pipeline grade X52 according to API 5L. Steel making for sour service requires implementation of specific technological operation, for example low content of sulphur, high cleanness of steel, homogeneity of steel. Low carbon steel with additions of vanadium and niobium was used for the production. Content of sulphur was max. 0,008 weight %. Standard properties of seamless pipelines and resistance in environments hydrogen sulphide are required. Resistance to cracking was tested by method HIC (Hydrogen induced cracking) according to standard specifications NACE TM0284. Tests are provided in test-room company ArcelorMittal Ostrava. Criterion for classification were requirements according to ISO 15156 on occurrence cracks at tests HIC in longitudinal direction CLR≤15%, in transverse direction CTR≤5%, square CSR≤2%. Production verification and classification of final properties were provided on wide assortment of pipes. Results in light of resistance in environments hydrogen sulphide were suitable with guaranteed reliability. Other properties required by specification API 5L were satisfied as well. Production of seamless pipeline for sour service will be realized subsequently.

1

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 1. ÚVOD Společnost ArcelorMittal Tubular Products Ostrava je významným výrobcem bezešvých trubek pro stavebnictví, strojírenství, těžbu a dopravu plynných a kapalných médií a pro další průmyslová odvětví. Rostoucí nároky zákazníků, nejen z pohledu pevnostních požadavků, ale taky z pohledu důležitých specifických požadavků, nutí hledat výrobce cesty ke zlepšení výrobních procesů a následně ke zvýšení užitných vlastností výrobků. V posledním období se značně zvyšuje zájem o trubky pro liniová vedení se zvýšenou odolností v sirovodíkovém prostředí. Jedná se o použití trubek pro přepravu ropných surovin se zvýšeným obsahem sirovodíku. V tomto směru byly provedeny úpravy výrobních postupů při výrobě oceli a trubek s cílem vyhovět požadavkům předpisů na trubky pro kyselá prostředí. Cílem řešení projektu bylo zajištění požadavků finálních vlastností trubek pro jakostní stupeň X52 dle API 5L a následně zajištění i specifických požadavků normy ISO 15156 na odolnost materiálu v sirovodíkovém prostředí. Hodnocení odolnosti v sirovodíkovém prostředí bylo prováděno zkouškou HIC (Hydrogen induced cracking) podle normy NACE TM0284. Při ověřování a osvojování výroby bezešvých trubek byla zaměřena pozornost zejména na následující oblasti: - vhodné chemické složení oceli a úzká rozmezí obsahů jednotlivých prvků; - nízký obsah síry; - vysoká čistota oceli; - nízký obsah reziduálních prvků; - vysoká homogenita oceli; - jemnozrnná struktura; - nízká zbytková pnutí. Při volbě chemického složení oceli vhodné pro výrobu trubek pro kyselá prostředí se vycházelo s celosvětového trendu v této oblasti, z publikovaných poznatků uznávaných výrobců bezešvých trubek, a také ze zkušenosti aplikace mikrolegovaných ocelí v podmínkách společnosti. K výrobě byla použita nízkouhlíková ocel (max. 0,12 hm. % C), s obsahem manganu do 1,30 hm. %, mikrolegovaná niobem a vanadem. Důležitou podmínkou pro dosažení korozní odolnosti v prostředí sirovodíku byl nízký obsah síry s výrobním limitem max. 0,008 hm.%. 2. VÝROBA A ODLÉVÁNÍ OCELI Výroba oceli probíhala v tandemových pecích. S ohledem na přísné požadavky z hlediska síry (do 0,008 hm. %) a skutečnost, že se jedná o ocel, kde nejsou příliš vhodné termodynamické podmínky pro odsíření, bylo rozhodnuto používat do vsázky „čistší“ ocelový odpad, který zaručuje nižší hodnoty síry při natavení. U speciálně řízených taveb činil průměrný obsah síry při natavení 0,021 hm. %, zatímco průměrná hodnota síry u běžných taveb, určených pro zařízení plynulého odlévání č. 1, v roce 2007 činila 0,0267 hm. %. Vzhledem k uvedeným skutečnostem, tj. nízkým požadovaným obsahům síry ve vyrobené oceli, byla zvýšená pozornost věnována odsíření oceli již na tandemové peci. Zatímco u běžných taveb činila průměrná odpichová hodnota síry 0,0151 hm. %, byla u zkušebních taveb průměrná odpichová hodnota síry 0,011 hm. %. Průběhy v obsazích síry od natavení na tandemové peci, přes mimopecní zpracování až po vyrobenou ocel u speciálně řízených taveb a u běžných taveb jsou zřejmé z obr. 1. Kromě kvalitnější kovonosné vsázky byl rovněž kladen důraz na dobrý struskový řád již při výrobě taveb v tandemových pecích. Tomu také odpovídal nízká průměrná hodnota síry při odpichu, která činila 0,011 hm. %, zatímco u ostatních taveb, odlévaných na zařízení plynulého odlévání, byla odpichová hodnota síry 0,015 hm. %. Toto se samozřejmě příznivě projevilo nízkým obsahem síry ve vyrobené oceli – 0,006 hm. %, přičemž u všech řízených

2

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ taveb byla splněna maximálně přípustná hodnota – 0,008 hm. % S. Podobně byla věnována pozornost odsíření oceli i na pánvové peci, což se projevilo v tom, že stupeň odsíření oceli byl u řízených taveb v průměru 50 %, zatímco u běžných taveb tento činil v průměru 40 %. 0,030

0,025 řízené tavby obsah síry [hm.%]

běžné tavby 0,020

0,015

0,010

0,005

0,000 TP 1.zk.

TP posl.zk.

PP příjezd

PP odjezd

tavbová analýza

Obr. 1. Průměrné obsahy síry v průběhu výroby (TP-tandemová pec, PP-pánvová pec) Fig. 1. Average contents of sulphur during production (TP-tandem furnace, PP-ladle furnace) Zvýšené požadavky na kovonosnou vsázku a na odsíření se logicky projevily ve zvýšených nákladech. Tyto zvýšené náklady na výrobu oceli se bezesporu zúročí vyšší cenou specifického sortimentu vyráběných bezešvých trubek. 3. VÁLCOVÁNÍ TRUBEK Válcování trubek v rourovně byla realizována z kruhových kontislitků ∅ 160 a ∅ 210 mm na válcovací trati Stiefel 4-10”. Ohřev vsázkového materiálu na tvářecí teplotu byl prováděn v karuselové peci, následoval proces děrování, prodloužení dutého předvalku na elongátoru, válcování na stolici automatik, válcování na hladicí stolici a kalibrování. Rovnání trubek bylo prováděno za studena na rotační rovnačce. Sázení trubek do karuselové pece bylo prováděno standardním postupem pro příslušný rozměrový sortiment válcovaných trubek. Ohřev byl veden tak, aby teplota za děrovací stolici měřena provozním měřičem teplot byla udržována v rozmezí 1170 až 1190°C pro trubky s tloušťkou stěny do 12,5 mm, včetně. Pro tloušťku stěny nad 12,5 mm bylo doporučeno rozmezí teplot 1150 až 1170°C. Seřízení stolic při válcování bylo dodržováno dle platných předpisů pro příslušný rozměr válcovaných trubek. Ochlazování trubek po vyválcování bylo prováděno běžným postupem volně na vzduchu na chladníku. Trubky tohoto sortimentu jsou dodávány převážně ve stavu válcovaném nebo ve stavu normalizačně tvářeném. 4. METODIKA ZKOUŠENÍ ODOLNOSTI V SIROVODÍKOVÉM PROSTŘEDÍ Korozní zkoušky v prostředí sirovodíku HIC, prováděné v rámci laboratoře ArcelorMittal Ostrava a.s., včetně jejich vyhodnocování, jsou zajišťovány v plném souladu s metodikou normy NACE TM 0284-2003, a respektují maximální shodu simulovaného kyselého prostředí s reálným. U zkoušek HIC jsou vzorky exponovány v kyselém prostředí korozní komory nasyceném plynným sulfanem po dobu 96 hodin. Kyselé prostředí působí při pH od 2,7 do 4

3

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ při teplotě 25°C a normálním tlaku. Tato zkouška prokazuje vliv významných metalografických faktorů (čistoty oceli, segregací atd.) na vyvolání trhlin. Hodnocení přítomných trhlin se provádí metalograficky, přičemž výsledkem jsou indexy výskytu trhlin (délkový CLR, šířkový CTR a celkový CSR). Metodika hodnocení je zřejmá z vloženého schématu u tabulky 3, která je umístěna na konci článku. Tyto indexy ve své podstatě charakterizují ztrátu houževnatosti při vodíkovém zkřehnutí, přičemž dochází ke stupňovitému praskání. Typický příklad stupňovitého trhlin v kyselém prostředí sirovodíku je uveden leptáno nitalem (1%) x100 na obr. 2. Ideálním výsledkem Obr. 2. Příklad vodíkového praskání zkoušky je, pokud se na Fig. 2. Example of hydrogen induced cracking vzorcích po expozici v korozní komoře nevyskytnou žádné trhliny. 5. FINÁLNÍ VLASTNOSTI TRUBEK Odběr zkoušek pro hodnocení finálních vlastností trubek a samotné hodnocení bylo prováděno dle předpisu API 5L. Vzhledem k tomu, že se jednalo o ověřovací výrobu trubek pro kyselá prostředí byla poněkud zvýšená četnost odběru zkoušek HIC. Sledovány byly zejména tyto vlastnosti trubek: • výsledky tahových zkoušek; • výsledky zkoušek rázem; • výsledky zkoušek HIC (Hydrogen induced cracking). Níže jsou informativně shrnuty dosažené průměrné hodnoty vlastností vyrobených trubek od ∅ 140 do 273 mm, s tloušťkou stěny 5 až 20 mm, jakostního stupně X52 dle API 5L. Z hlediska mechanických vlastností byly sledovány: mez kluzu Rt0,5, pevnost Rm, tažnost A2“ a nárazová práce KV. Tabulka 1. Výsledky tahových zkoušek Table 1. Results of tensile tests Požadavek API 5L Průměrné hodnoty

Směr L L

Rt0,5 [MPa] 359 - 531 462

Rm [MPa] 455 - 758 576

Rt0,5/ Rm 0,802

A2“ [ % ] Počet min. 24,0 zkoušek 33,2 462

Tabulka 2. Výsledky zkoušek rázem Table 2. Results Charpy V – notch tests Počet zkoušek Požadavek API 5L Naměřené hodnoty 75

Směr T T

Teplota zkoušení 0°C 0°C

4

Velikost Absorb. energie KV [ J ] vzorku min. průměr 1 min. 27 min. 27 1 41 85

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Z výsledků zkoušek tahem a zkoušek vrubové houževnatosti vyplývá, že trubky vyhovují požadavkům předpisu API 5L s dostatečnou spolehlivostí. 5.1 Zkoušky HIC (Hydrogen induced cracking) Za účelem ověření specifických vlastností byly provedeny zkoušky odolnosti oceli ke vzniku trhlin indukovaných vodíkem. Zkoušky byly provedeny dle výše popsané metodiky v laboratořích ArcelorMittal Ostrava a. s. O tom, jak nebezpečný je tento druh koroze a jak závažné havárie potrubí může způsobit, je všeobecně známo. Z tohoto pohledu odolnost materiálu je velmi žádoucí a zákazníky vyžadována. Zkoušky byly provedeny u trubek vyrobených z oceli se zaručeným obsahem síry max. 0,010 hm. % (výrobní limit max. 0,008 hm. %) a z oceli intenzivně argonované při zpracování v pánvové peci. Výsledkem hodnocení po expozici v korozní komoře jsou indexy podélného (CLR), příčného (CTR) a plošného (CSR) relativního poměru náchylnosti k praskání. Metodika hodnocení je zřejmá z vloženého schématu u tabulky 3, která je umístěna na konci článku. Dovolené hodnoty těchto parametrů jsou předepsány normou ISO 15156-2 nebo někdy jsou požadovány ještě přísnější limity přímo zákazníky. Podle normy ISO 15156 jsou přijatelným kritériem vzorku hodnoty CLR max. 15%, CTR max. 5%, CSR max. 2 %. Výsledky zkoušek HIC jsou pro trubky (line pipe) stupně X52 shrnuty v tabulce 3. Všechny vzorky vyhověly požadavkům na hodnocení CLR (trhlin v podélném směru), CTR (trhlin v příčném směru) a CSR (plošně). Následně byla provedena pravděpodobnostní analýza metodou Weibullova rozdělení. Tato metoda vykazovala nejvyšší věrohodnost z 11 ověřovaných pravděpodobnostních metod. Koeficienty pravděpodobnosti pro hodnoty CLR, CTR a CSR vykazovaly velmi vysoké hodnoty. Například pro hodnoty CSR koeficient pravděpodobnosti činil 0,9993, což předpokládá 99,93% hodnot splňující požadavek CSR≤2%. V dostupných literárních údajích a normách nebyla zjištěna doporučovaná hodnota koeficientu pravděpodobnosti u zkoušek HIC. Z prováděného hodnocení zkoušek „high collapse“ je známo, že limitní koeficient pravděpodobnosti je používán na úrovní 0,995. Z tohoto pohledu je požadavek odolnosti trubek v sirovodíkovém prostředí, ověřovaný zkouškami HIC, splněn s vysokou mírou spolehlivostí. 6. ZÁVĚR Z výsledků zkoušek HIC u bezešvých trubek stupně X52 vyplývá, že použita ocel s dostatečnou jistotou splňuje požadavky na odolnost v sirovodíkovém prostředí podle ISO 15156-2 (CLR≤15%, CTR≤5%, CSR≤2%). Nezbytné je však dodržet podmínky výroby – zejména tavební obsah S max. 0,008 hm.% a intenzivní dmýchání argonem při zpracování v pánvové peci. Ke splnění náročnějších podmínek na odolnost oceli v sirovodíkovém prostředí by bezesporu přispělo zavedení vakuování oceli, s kterým se uvažuje v investičních záměrech společnosti.

5

METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Tabulka 3. Hodnocení trubek stupně X52 pro kyselá prostředí – zkoušky HIC Table 3. Rating of line pipes grade X52 for sour service – tests HIC Number of test specimens and sizes of test tubes Diameter " (mm) 5 1/2 (140) 152 159 6 5/8 (168) 7 (178) 7 5/8 (194) 8 5/8 (219) 9 5/8 (245) 10 3/4 (273)

4,5 - 5,9

6,0 - 7,9 3

8,0 - 9,9 3 3 6 3 3

6 18

6

Tube wall thickness [mm] 10,0 - 11,9 12,0 - 13,9 14,0 - 15,9 16,0 - 20,0 20,1 - 25,0 3 3 3 3 3 3 12 3 9 3

3 9

3

12 3

93,65

Test request on CLR - ISO 15156-2

≤15%

Number of test specimens

126

Average value of CLR

0,06 %

Probability for CLR ≤15%

0,9992

Test request on CTR -ISO 15156-2

≤ 5%

Number of test specimens

126

Average value of CTR

0,05 %

Probability for CTR ≤ 5%

0,9982

Test request on CSR - ISO 15156-2

≤ 2%

Number of test specimens

126

Average value of CSR

0,0042%

Probability for CSR ≤ 2%

0,9993

>15

(12,15]

(6,9]

(0,3]

(9,12]

5,56 0,79 0,00 0,00 0,00 0,00 (3,6]

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

Relative frequency [%]

Rating of results of tests HIC for line pipes grade X52 to NACE Standard TM0284 solution A

93,65

>5

(4,5]

(3,4]

(2,3]

0,00 0,00 0,79 0,00 0,00 (1,2]

5,56 (0,1]

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

Relative frequency [%]

CLR [%]

2,38

0,00

0,00

(1,2]

>2

97,62

(0,1]

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

Relative frequency [%]

CTR [%]

CSR [%]

6