S135 сталь: свойства и ключевые применения в буровых трубах

Сталь S135, классифицируемая как среднеуглеродистая легированная сталь, в первую очередь используется в производстве буровых труб для нефтегазовой отрасли. Этот класс стали характеризуется высокой прочностью и жесткостью, что делает его подходящим для сложных применений в жестких условиях. Основные легирующие элементы в стали S135 включают углерод, марганец и хром, которые способствуют его механическим свойствам и общей производительности.

Обширный обзор

Сталь S135 специально разработана для использования в буровых трубах, где она должна выдерживать высокие уровни напряжения и усталости в процессе бурения. Среднее содержание углерода обеспечивает баланс между прочностью и пластичностью, позволяя стали выдерживать динамические нагрузки, возникающие в буровых приложениях. Добавление марганца улучшает закаливаемость и увеличивает стойкость к износу, в то время как хром способствует коррозионной стойкости и общей жесткости.

Преимущества стали S135:
- Высокая прочность: Сталь S135 демонстрирует отличную пределы прочности на растяжение и текучесть, что делает ее подходящей для глубокого бурения.
- Хорошая жесткость: Жесткость стали обеспечивает ее способность поглощать энергию и противостоять разрушению при ударных нагрузках.
- Коррозионная стойкость: Легирующие элементы обеспечивают определенную степень сопротивления коррозионным средам, что является критически важным в нефтегазовых приложениях.

Ограничения стали S135:
- Стоимость: По сравнению со сталями низшего класса, S135 может быть более дорогой из-за своих легирующих элементов и требований к обработке.
- Свариваемость: Хотя сталь S135 может быть сварена, требуется тщательное внимание к термообработкам до и после сварки, чтобы избежать трещин.

Исторически сталь S135 сыграла значительную роль в развитии технологий бурения, обеспечивая необходимую прочность и долговечность для современных буровых операций. Ее рыночная позиция хорошо установлена, особенно в регионах с обширными нефтегазовыми разведочными работами.

Альтернативные наименования, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	S13500	США	Ближайший эквивалент API 5DP
API	135	США	Стандарт для буровой трубы
ASTM	A53	США	Аналогичные свойства, но не специально для буровых труб
EN	10225	Европа	Незначительные различия в составе
JIS	G3444	Япония	Похожие приложения в строительстве

В таблице выше представлены различные стандарты и эквиваленты для стали S135. Хотя некоторые классы могут выглядеть схожими, тонкие различия в составе могут повлиять на производительность, особенно в условиях высокой нагрузки, таких как бурение. Например, хотя API 5DP является стандартом для буровых труб, S13500 специально адаптирована для улучшенных механических свойств.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ)	Диапазон (% )
Углерод (C)	0.28 - 0.34
Марганец (Mn)	0.60 - 0.90
Хром (Cr)	0.20 - 0.40
Фосфор (P)	≤ 0.025
Сера (S)	≤ 0.025

Основные легирующие элементы в стали S135 играют ключевую роль:
- Углерод: Увеличивает жесткость и прочность, но может снижать пластичность, если содержание слишком высокое.
- Марганец: Улучшает закаливаемость и стойкость к износу, что критично для приложений с буровыми трубами.
- Хром: Улучшает коррозионную стойкость и общую жесткость, что необходимо для долговечности в жестких условиях.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Стандартный справочник для метода испытаний
Прочность на растяжение	Закаленная и отожженная	620 - 700 МПа	90 - 102 ksi	ASTM E8
Предел текучести (0.2% смещение)	Закаленная и отожженная	450 - 550 МПа	65 - 80 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отожженная	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу)	Закаленная и отожженная	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	-	40 Дж при -20°C	29.5 фут-лб при -4°F	ASTM E23

Механические свойства стали S135 делают ее особенно подходящей для приложений, требующих высокой прочности и жесткости. Сочетание высокой прочности на растяжение и текучесть позволяет ей выдерживать значительные механические нагрузки, в то время как удлинение и ударная прочность обеспечивают ее способность поглощать энергию без разрушения.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	-	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	20°C	50 Вт/м·К	34.5 BTU·дюйм/ч·фут²·°F
Удельная теплоемкость	20°C	0.46 кДж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F

Ключевые физические свойства, такие как плотность и теплопроводность, значительны для приложений, связанных с теплопередачей и структурной целостностью. Плотность стали S135 указывает на ее прочность, в то время как ее теплопроводность предполагает умеренные способности к теплопередаче, что может быть критично в буровых операциях, где управление температурой имеет важное значение.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Оценка стойкости	Примечания
Хлориды	3-5	25°C/77°F	Умеренная	Риск образования коррозии
Серная кислота	10	20°C/68°F	Плохая	Не рекомендуется
Атмосферная	-	Различается	Хорошая	Умеренная стойкость

Сталь S135 демонстрирует умеренную стойкость к хлоридам, что критично в условиях морского бурения. Однако ее производительность в кислых условиях плохая, что требует тщательной оценки при использовании в таких условиях. По сравнению с другими классами, такими как API 5L X65, которые предлагают лучшую коррозионную стойкость, S135 может потребовать дополнительных защитных мер в сильно коррозионных средах.

Стойкость к нагреву

Свойство/Граница	Температура (°C)	Температура (°F)	Заметки
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	400°C	752°F	Подходит для умеренного нагрева
Максимальная температура периодической эксплуатации	500°C	932°F	Только кратковременное воздействие
Температура образования окалины	600°C	1112°F	Риск окисления при высоких температурах

Сталь S135 сохраняет свои механические свойства до умеренных температур, что делает ее подходящей для приложений, где тепло является фактором. Однако при температурах выше 400°C риск окисления и образования окалины увеличивается, что может подорвать целостность материала.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый сварной металл (классификация AWS)	Типичный газ/флюс для защиты	Примечания
SMAW	E7018	Аргон + CO2	Рекомендуется подогрев
GMAW	ER70S-6	Аргон	Необходима термообработка после сварки

Сталь S135 может быть сварена с использованием различных методов, но требует тщательного внимания к термообработкам до и после сварки, чтобы предотвратить трещины. Рекомендуется использовать низкогидрогенные сварные металлы для поддержания целостности шва.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь S135	AISI 1212	Замечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60%	100%	Сталь S135 труднее обрабатывать
Типичная скорость резания	30 м/мин	50 м/мин	Используйте карбидные инструменты для лучших результатов

Обрабатываемость стали S135 умеренная, требующая соответствующих инструментов и скоростей резания для достижения оптимальных результатов. Более высокое содержание углерода может привести к увеличению износа инструмента, что требует использования высококачественных режущих инструментов.

Формуемость

Сталь S135 демонстрирует умеренную формуемость, подходящую для холодной и горячей формовки. Однако из-за среднего содержания углерода она может испытывать упрочнение в процессе холодной формовки, что может ограничить степень деформации без разрушения. Рекомендуется соблюдать радиусы изгиба, чтобы обеспечить, что материал не превышает свои пределы во время операций формовки.

Термическая обработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 часа	Воздух	Улучшение пластичности и снижение жесткости
Закалка	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 минут	Масло	Увеличение жесткости и прочности
Отпуск	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 час	Воздух	Снижение хрупкости и улучшение жесткости

Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру и свойства стали S135. Закалка увеличивает жесткость, в то время как отпуск способствует снятию напряжений и повышает жесткость, что делает ее подходящей для приложений с высокой нагрузкой.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (коротко)
Нефть и газ	Буровые трубы	Высокая прочность на растяжение, жесткость	Требуется для глубокого бурения
Горная промышленность	Обсадные трубы	Коррозионная стойкость, прочность	Долговечность в жестких условиях
Строительство	Структурные компоненты	Высокая прочность, свариваемость	Необходимо для структурной целостности

Сталь S135 в первую очередь используется в нефтегазовой промышленности для буровых труб, где ее высокая прочность и жесткость критичны. Кроме того, она находит применение в горной промышленности и строительстве, где долговечность и стойкость к жестким условиям являются важнейшими.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие insights

Функция/Свойство	Сталь S135	API 5L X65	AISI 4140	Краткое замечание о преимуществах/недостатках или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность	Умеренная прочность	Высокая прочность	S135 предлагает лучшую жесткость
Ключевой аспект коррозия	Умеренная стойкость	Хорошая стойкость	Умеренная стойкость	API 5L X65 лучше подходит для коррозионных условий
Свариваемость	Умеренная	Хорошая	Хорошая	S135 требует тщательной обработки
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	S135 труднее обрабатывать
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Низкая	Стоимость варьируется в зависимости от применения
Типичная доступность	Распространенная	Распространенная	Распространенная	Широко доступна в промышленности

При выборе стали S135 для конкретных применений важными являются такие факторы, как стоимость, доступность и механические свойства. Хотя S135 предлагает отличную прочность и жесткость, ее свариваемость и обрабатываемость могут представлять собой трудности. В сравнении, такие классы, как API 5L X65, обеспечивают лучшую коррозионную стойкость, что делает их подходящими для различных условий.

В заключение, сталь S135 является важным материалом в нефтегазовой промышленности, предлагающим уникальное сочетание прочности, жесткости и умеренной коррозионной стойкости. Ее свойства делают ее подходящей для сложных применений, однако необходима тщательная оценка ее ограничений и свойств обработки для достижения оптимальной производительности.