Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University81910.18323/2782-4039-2023-1-33-44ArticlesСтатьиCharacteristic properties of the microstructure and microtexture of medium-carbon steel subjected to sulfide stress crackingОсобенности микроструктуры и микротекстуры среднеуглеродистой стали, подвергнутой сероводородному растрескиванию под напряжениемhttps://orcid.org/0000-0003-1185-5648MalininAndrey V.МалининАндрей Владимирович
Russian Federation

PhD (Engineering), Deputy Director

кандидат технических наук, заместитель генерального директора

MalininAV@bnipi.rosneft.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9948-1099SitdikovVil Vil D.СитдиковВиль Даянович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Head of the laboratory

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией

SitdikovVD@bnipi.rosneft.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6927-9781TkachevaValeria E.ТкачеваВалерия Эдуардовна
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, Chief Specialist

кандидат технических наук, доцент, главный специалист

TkachevaVE@bnipi.rosneft.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2822-9072MakatrovArtem K.МакатровАртем Константинович
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of the Department

кандидат технических наук, начальник управления

MakatrovAK@bnipi.rosneft.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9472-2968ValekzhaninIlya V.ВалекжанинИлья Владимирович
Russian Federation

PhD (Engineering), Head of the Department

кандидат технических наук, начальник отдела

ValekzhaninIV@bnipi.rosneft.ruMarkinAndrey N.МаркинАндрей Николаевич
Russian Federation

PhD (Engineering), assistant professor of Chair “Oil and Gas Engineering”

кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело»

Andreymarkin2022@yandex.ruLLC “RN-BashNIPIneft”, UfaООО «РН-БашНИПИнефть», УфаBranch of Industrial University of Tyumen in Nizhnevartovsk, NizhnevartovskФилиал Тюменского индустриального университета в г. Нижневартовске, Нижневартовск31032023133443103202331032023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/819

Increasing the resistance of steel products to sulfide stress cracking (SSC) is one of the topical issues of the oil and gas industry. Among various factors determining the SSC resistance of a material is the structure-phase state of the material itself and the crystallographic texture associated with it. This paper analyzes these features using the scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and microroentgen electron backscattered diffraction (EBSD) techniques. As the research material, a production string (PS) coupling made of medium-carbon steel was selected, which collapsed by the mechanism of hydrogen embrittlement and subsequent SSC. For the first time, by the SEM method, using the location and mutual orientation of cementite (Fe3C) particles, at high magnifications, the authors demonstrated the possibilities of identifying the components of upper bainite, lower bainite, and tempered martensite in steels. The presence of the detected structural components of steel was confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Using the EBSD method, the detailed studies of microtexture were conducted to identify the type and nature of the microcrack propagation. It is established that the processes of hydrogen embrittlement and subsequent SSC lead to the formation of {101} <0 0>, {100} <001>, {122} <2 0>, {013} <211>, {111} < 00>, {133} < 1>, {3 } <201> grain orientations. It is shown that the strengthening of orientations of {001} <110>, {100} <001>, {112} <111>, and {133} < 1> types worsens the SSC resistance of the material. Using the EBSD analysis method, the influence of coincident site lattice (CSL) grain boundaries on the nature of microcrack propagation is estimated. It is found that the Σ 3 CSL grain boundaries between the {122} <2 0> and {111} < 00>, {012} < 0>, {100} <001> plates of the upper bainite inhibit the microcrack development, and the Σ 13b, Σ 29a, and Σ 39a CSL grain boundaries, contribute to the accelerated propagation of microcracks. For comparative analysis, similar studies were carried out in an unbroken (original) coupling before operation.

Повышение стойкости стальных изделий к сероводородному растрескиванию под напряжением (СРН) является одной из актуальных тем нефтегазовой промышленности. Среди различных факторов, определяющих устойчивость материала к СРН, выделяется структурно-фазовое состояние самого материала и связанная с ним кристаллографическая текстура. В данной работе эти особенности материала проанализированы методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и микрорентгеновской дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ). В качестве материала исследований выбрана муфта эксплуатационной колонны (ЭК), которая разрушилась по механизму водородного охрупчивания и последующего СРН. Муфта ЭК изготовлена из среднеуглеродистой стали. Впервые методом РЭМ по расположению и взаимной ориентации частиц цементита (Fe3C) при больших увеличениях продемонстрированы возможности идентификации в сталях составляющих верхнего бейнита, нижнего бейнита и отпущенного мартенсита. Наличие обнаруженных структурных составляющих стали подтверждено методом ПЭМ. Методом ДОРЭ проведены детальные исследования микротекстуры для установления типа и характера распространения микротрещины. Установлено, что процессы водородного охрупчивания и последующее СРН приводят к формированию {101} <0 0>, {100} <001>, {122} <2 0>, {013} <211>, {111} < 00>, {133} < 1>, {3 } <201> ориентаций зерен. Показано, что усиление ориентировок {001} <110>, {100} <001>, {112} <111> и {133} < 1> типов ухудшают стойкость материала к СРН. Методом ДОРЭ-анализа оценено влияние специальных границ зерен на характер распространения микротрещины. Обнаружено, что специальные границы Σ 3 между {122} <2 0> и {111} < 00>, {012} < 0>, {100} <001> пластинами верхнего бейнита тормозят развитие микротрещины, а границы Σ 13b, Σ 29а и Σ 39а, наоборот, способствуют ускоренному распространению микротрещин. Для сравнительного анализа проведены аналогичные исследования в неразрушенной (исходной) муфте до эксплуатации.

medium-carbon steelbainite microstructuresulfide stress crackingcrystallographic textureсреднеуглеродистая стальбейнитная микроструктурасероводородное растрескивание под напряжениемкристаллографическая текстураAskari M., Aliofkhazraei M., Afroukhteh S. A Comprehensive Review on Internal Corrosion and Cracking of Oil and Gas Pipelines. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2019, vol. 71, article number 102971. DOI: 10.1016/j.jngse.2019.102971.Askari M., Aliofkhazraei M., Afroukhteh S. A Comprehensive Review on Internal Corrosion and Cracking of Oil and Gas Pipelines // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019. Vol. 71. Article number 102971. DOI: 10.1016/j.jngse.2019.102971.Wang Z.B., Pang L., Zheng Y.G. A review on under-deposit corrosion of pipelines in oil and gas fields: Testing methods, corrosion mechanisms and mitigation strategies. Corrosion Communications, 2022, vol. 7, pp. 70–81. DOI: 10.1016/j.corcom.2022.03.007.Wang Z.B., Pang L., Zheng Y.G. A review on under-deposit corrosion of pipelines in oil and gas fields: Testing methods, corrosion mechanisms and mitigation strategies // Corrosion Communications. 2022. Vol. 7. P. 70–81. DOI: 10.1016/j.corcom.2022.03.007.Vyboyshchik M.A., Ioffe A.V. Scientific basis of development and the methodology of creation of steels for the production of oilfield casing and tubular goods with the increased strength and corrosion resistance. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2019, no. 1, pp. 13–20. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-1-13-20.Выбойщик М.А., Иоффе А.В. Научные основы разработки и методология создания сталей для производства нефтепромысловых труб повышенной прочности и коррозионной стойкости // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2019. № 1. С. 13–20. DOI: 10.18323/2073-5073-2019-1-13-20.Tkacheva V.E., Markin A.N., Kshnyakin D.V., Maltsev D.I., Nosov V.V. Corrosion of downhole equipment in hydrogen sulfur-containing environments. Praktika protivokorrozionnoy zashchity, 2021, vol. 26, no. 2, pp. 7–26. DOI: 10.31615/j.corros.prot.2021.100.2-1.Ткачева В.Э., Маркин А.Н., Кшнякин Д.В., Мальцев Д.И., Носов В.В. Коррозия внутрискважинного оборудования в сероводородсодержащих средах // Практика противокоррозионной защиты. 2021. Т. 26. № 2. С. 7–26. DOI: 10.31615/j.corros.prot.2021.100.2-1.Sitdikov V.D., Nikolaev A.A., Ivanov G.V., Makatrov A.K., Malinin A.V. Microstructure and crystallographic structure of ferritic steel subjected to stress-corrosion cracking. Letters on Materials, 2022, vol. 12, no. 1, pp. 65–70. DOI: 10.22226/2410-3535-2022-1-65-70.Sitdikov V.D., Nikolaev A.A., Ivanov G.V., Makatrov A.K., Malinin A.V. Microstructure and crystallographic structure of ferritic steel subjected to stress-corrosion cracking // Letters on Materials. 2022. Vol. 12. № 1. P. 65–70. DOI: 10.22226/2410-3535-2022-1-65-70.Tale S., Ahmed R.M., Elgaddafi R.M., Teodoriu C. Sulfide Stress Cracking of C-110 Steel in a Sour Environment. Corrosion and Materials Degradation, 2021, vol. 2, no. 3, pp. 376–396. DOI: 10.3390/cmd2030020.Tale S., Ahmed R.M., Elgaddafi R.M., Teodoriu C. Sulfide Stress Cracking of C-110 Steel in a Sour Environment // Corrosion and Materials Degradation. 2021. Vol. 2. № 3. P. 376–396. DOI: 10.3390/cmd2030020.Cheng Y. Frank. Stress Corrosion Cracking of Pipelines. Great Britain, Wiley Publ., 2013. 288 р.Cheng Y. Frank. Stress Corrosion Cracking of Pipelines. Great Britain: Wiley, 2013. 288 р.Zhou Y. Pipeline and Energy Plant Piping: Design and Technology. Netherlands, Elsevier Science Publ., 2013. 392 р.Zhou Y. Pipeline and Energy Plant Piping: Design and Technology. Netherlands: Elsevier Science, 2013. 392 р.Sitdikov V.D., Nikolaev A.A., Makatrov A.K., Malinin A.V., Filyaeva I.M., Mironov I.V. An integrated approach to identifying causes and mechanisms of destruction of steel tubing couplings. Neftyanoe khozyaystvo, 2022, no. 6, pp. 48–51. EDN: HKAMHC.Ситдиков В.Д., Николаев А.А., Макатров А.К., Малинин А.В., Филяева И.М., Миронов И.В. Комплексный подход к выявлению причин и механизмов разрушения стальных насосно-компрессорных муфт // Нефтяное хозяйство. 2022. № 6. С. 48–51. EDN: HKAMHC.Ren J.-Y., Li C.-S., Han Y., Li E., Gao C., Qiu C. Effect of initial martensite and tempered carbide on mechanical properties of 3Cr2MnNiMo mold steel. Materials Science and Engineering: A, 2021, vol. 812, article number 1410801. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141080.Ren J.-Y., Li C.-S., Han Y., Li E., Gao C., Qiu C. Effect of initial martensite and tempered carbide on mechanical properties of 3Cr2MnNiMo mold steel // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 812. Article number 1410801. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141080.Ohaeri E., Eduok U., Szpunar J. Hydrogen related degradation in pipeline steel: A review. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, vol. 43, no. 31, pp. 14584–14617. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.06.064.Ohaeri E., Eduok U., Szpunar J. Hydrogen related degradation in pipeline steel: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43. № 31. P. 14584–14617. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.06.064.Pourazizi R., Mohtadi-Bonab M.A., Szpunar J.A. Investigation of different failure modes in oil and natural gas pipeline steels. Engineering Failure Analysis, 2020, vol. 109, article number 104400. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104400.Pourazizi R., Mohtadi-Bonab M.A., Szpunar J.A. Investigation of different failure modes in oil and natural gas pipeline steels // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 109. Article number 104400. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104400.Arafin M.A., Szpunar J.A. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character and crystallographic texture studies. Corrosion Science, 2009, vol. 51, no. 1, pp. 119–128. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.10.006.Arafin M.A., Szpunar J.A. A new understanding of intergranular stress corrosion cracking resistance of pipeline steel through grain boundary character and crystallographic texture studies // Corrosion Science. 2009. Vol. 51. № 1. Р. 119–128. DOI: 10.1016/j.corsci.2008.10.006.Liu J., Sun J., Wei S., Lu S. The Effect of Nickel Contents on the Microstructure Evolution and Toughness of 800 MPa Grade Low Carbon Bainite Deposited Metal. Crystals, 2021, vol. 11, no. 6, article number 709. DOI: 10.3390/cryst11060709.Liu J., Sun J., Wei S., Lu S. The Effect of Nickel Contents on the Microstructure Evolution and Toughness of 800 MPa Grade Low Carbon Bainite Deposited Metal // Crystals. 2021. Vol. 11. № 6. Article number 709. DOI: 10.3390/cryst11060709.Zheng H., Fu L., Ji X., Ding Y., Wang W., Wen M., Shan A. Microstructural evolution and mechanical property of ultrafine-grained pearlitic steel by cold rolling: The influence of cementite morphology. Materials Science and Engineering: A, 2021, vol. 824, article number 141860. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141860.Zheng H., Fu L., Ji X., Ding Y., Wang W., Wen M., Shan A. Microstructural evolution and mechanical property of ultrafine-grained pearlitic steel by cold rolling: The influence of cementite morphology // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 824. Article number 141860. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141860.Müller M., Britz D., Ulrich L., Staudt T., Mücklich F. Classification of Bainitic Structures Using Textural Parameters and Machine Learning Techniques. Metals, 2020, vol. 10, no. 5, article number 630. DOI: 10.3390/met10050630.Müller M., Britz D., Ulrich L., Staudt T., Mücklich F. Classification of Bainitic Structures Using Textural Parameters and Machine Learning Techniques // Metals. 2020. Vol. 10. № 5. Article number 630. DOI: 10.3390/met10050630.Qian L., Li Z., Wang T., Li D., Zhang F., Meng J. Roles of pre-formed martensite in below-Ms bainite formation, microstructure, strain partitioning and impact absorption energies of low-carbon bainitic steel. Journal of Materials Science & Technology, 2022, vol. 96, pp. 69–84. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.05.002.Qian L., Li Z., Wang T., Li D., Zhang F., Meng J. Roles of pre-formed martensite in below-Ms bainite formation, microstructure, strain partitioning and impact absorption energies of low-carbon bainitic steel // Journal of Materials Science & Technology. 2022. Vol. 96. P. 69–84. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.05.002.Pak J.H., Bhadeshia H.K.D.H., Karlsson L., Keehan E. Coalesced bainite by isothermal transformation of reheated weld metal. Science and Technology of Welding and Joining, 2008, vol. 13, no. 7, pp. 593–597. DOI: 10.1179/136217108X338926.Pak J.H., Bhadeshia H.K.D.H., Karlsson L., Keehan E. Coalesced bainite by isothermal transformation of reheated weld metal // Science and Technology of Welding and Joining. 2008. Vol. 13. № 7. P. 593–597. DOI: 10.1179/136217108X338926.Zajac S., Schwinn V., Tacke K.-H. Characterisation and Quantification of Complex Bainitic Microstructures in High and Ultra-High Strength Linepipe Steels. Materials Science Forum, 2005, vol. 500-501, pp. 387–394. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.500-501.387.Zajac S., Schwinn V., Tacke K.-H. Characterisation and Quantification of Complex Bainitic Microstructures in High and Ultra-High Strength Linepipe Steels // Materials Science Forum. 2005. Vol. 500-501. P. 387–394. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.500-501.387.Rampelberg C., Allain S.Y.P., Geandier G., Teixiera J., Lebel F., Sourmail T. Carbide-Free Bainite Transformations Above and Below Martensite Start Temperature Investigated by In-Situ High-Energy X-Ray Diffraction. JOM: The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2021, vol. 73, no. 11, pp. 3181–3194. DOI: 10.1007/s11837-021-04903-8.Rampelberg C., Allain S.Y.P., Geandier G., Teixiera J., Lebel F., Sourmail T. Carbide-Free Bainite Transformations Above and Below Martensite Start Temperature Investigated by In-Situ High-Energy X-Ray Diffraction // JOM: The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2021. Vol. 73. № 11. P. 3181–3194. DOI: 10.1007/s11837-021-04903-8.Sun Y., Wang Q., Gu S., He Z., Wang Q., Zhang F. Sulfide Stress Cracking Behavior of a Martensitic Steel Controlled by Tempering Temperature. Materials (Basel), 2018, vol. 11, no. 3, article number 412. DOI: 10.3390/ma11030412.Sun Y., Wang Q., Gu S., He Z., Wang Q., Zhang F. Sulfide Stress Cracking Behavior of a Martensitic Steel Controlled by Tempering Temperature // Materials (Basel). 2018. Vol. 11. № 3. Article number 412. DOI: 10.3390/ma11030412.Lobanov M.L., Borodina M.D., Danilov S.V., Pyshmintsev I.Y., Struin A.O. Texture inheritance on phase transition in low-carbon, low-alloy pipe steel after thermomechanical controlled processing. Steel in Translation, 2017, vol. 47, no. 11, pp. 710–716. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-11-910-918.Лобанов М.Л., Бородина М.Д., Данилов С.В., Пышминцев И.Ю., Струин А.О. Текстурная наследственность при фазовых превращениях в малоуглеродистой низколегированной трубной стали после контролируемой термомеханической обработки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 11. С. 910–918. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-11-910-918.Lobanov M.L., Rusakov G.M., Redikul’tsev A.A., Belikov S.V., Karabanalov M.S., Struina E.R., Gervas’ev A.M. Investigation of special misorientations in lath martensite of low-carbon steel using the method of orientation microscopy. The Physics of Metals and Metallography, 2016, vol. 117, no. 3, pp. 254–259. DOI: 10.7868/S0015323016030086.Лобанов М.Л., Русаков Г.М., Редикульцев А.А., Беликов С.В., Карабаналов М.С., Струина Е.Р., Гервасьев А.М. Исследование специальных разориентаций в реечном мартенсите низкоуглеродистой стали методом ориентационной микроскопии // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 3. С. 266–271. DOI: 10.7868/S0015323016030086.Song Т., Cooman B.C.D. Martensite Nucleation at Grain Boundaries Containing Intrinsic Grain Boundary Dislocations. ISIJ International, 2014, vol. 54, no. 10, pp. 2394–240. DOI: 10.2355/isijinternational.54.2394.Song Т., Cooman B.C.D. Martensite Nucleation at Grain Boundaries Containing Intrinsic Grain Boundary Dislocations // ISIJ International. 2014. Vol. 54. № 10. Р. 2394–240. DOI: 10.2355/isijinternational.54.2394.