Characterization of metallic alloys for oil & gas applications

The Oil & Gas field is an industrial sector characterized by high-demanding applications, exposed to severe service conditions: the presence of high loads in corrosive environment is often worsen by low working temperature. It means that a material has to be characterized by multiple properties to be applied in this particular field: high tensile properties together with excellent corrosion resistance are desired. Moreover, low temperature toughness is required, for avoiding catastrophic failure due to brittle material behaviour induced by the low in-field temperature. Among all the commercial alloys, Duplex Stainless Steels (DSS) and Nickel super alloys play a major role in many engineering fields and especially in the Oil & Gas industry, being the best compromise between mechanical and corrosion resistance and characterized by low temperature toughness. The great potentialities of these alloys hide a great complexity: well-balanced chemical compositions, heat treatment parameters with narrow ranges, proper high temperature deformation processes are key elements for getting a component with all the desired properties. In this PhD work, both DSS and Nickel super alloys have been studied. DSS represent the major research field. Their properties have been investigated with a classical experimental research approach for reaching the main target of improving their low temperature toughness, given the actual trend of the Oil & Gas market of exploiting all the available natural resources, even the Poles ones. A high-Ni F55 steel of a forged bar has been considered for improving the material toughness. Studying the tensile and toughness properties, a complete material characterization has been performed: not only the effects of the chemical composition, of the heat treatment parameters and of the high temperature deformation process on the microstructure and on the tensile and toughness properties have been analysed, but also the main precipitation phenomena this material is very prone to. In particular, Chapter 2 studies the influence of Nickel on the A/F ratio and the mechanical properties in case of ideal quenching. Chapter 3 investigates the influence of the cooling rate on the impact toughness during quenching from the solution temperature. The high temperature precipitation phenomena, investigated by isothermal aging treatments in laboratory furnace and by dilatometry, are discussed in Chapter 4. The crack path, fracture surface and fracture toughness analyses are presented in Chapter 5. Furthermore, by elaborating the impact tests data, a linear dependence of the material impact toughness on both the A/F ratio and the cooling rate has been identified and some parameters for predicting the material impact behaviour prior to testing have been proposed. Finally, considering the relationships between bar diameter-cooling rate, cooling rate-austenite amount and austenite amount-solution temperature, it was possible to directly relate the bar diameter to the required solution temperature for satisfying the actual standards limits of 45J at -46°C as impact toughness, in a given bar position. Nickel super alloys represent the minor research field and have been studied starting from a specific application: metallic gaskets in 625 alloy, produced by forging process, the most common production process for this component, and by centrifugal casting process, the only casting technology admitted by the API standard to produce metallic gaskets. For assuring a proper sealing condition, a maximum hardness of 180 HB is required by the standard. In this research, besides testing the material hardness and its corrosion behaviour and investigating the homogeneity of the gasket, the tensile and compression behaviour of this alloy has been characterized, as well as the main detected secondary phases.

I componenti messi in esercizio nel settore dell’Oil & Gas lavorano, tipicamente, in condizioni severe: carichi elevati sollecitano il materiale in ambiente corrosivo, spesso a bassa temperatura. Non tutti i materiali sono perciò adatti ad essere messi in opera in queste condizioni, ma solo quelli che offrono contemporaneamente resistenza meccanica e a corrosione elevate e tenacità a bassa temperatura, per evitare cedimenti improvvisi dovuti a fragilità indotta nel materiale dalla bassa temperatura d’esercizio. Tra tutte le leghe commerciali gli acciai inossidabili bifasici, noti anche come acciai duplex, e le superleghe di Nichel sono quelli maggiormente usati in molte applicazioni ingegneristiche e specialmente nel campo dell’Oil & Gas. Queste leghe rappresentano il miglior compromesso tra resistenza meccanica e a corrosione e sono caratterizzate da buona tenacità anche a bassa temperatura. Le molteplici potenzialità di queste leghe celano però una grande complessità: composizioni chimiche opportunamente bilanciate, parametri di trattamento termico ristretti, opportuni processi di deformazione plastica a caldo sono elementi chiave per ottenere un componente con le proprietà desiderate. Questa ricerca di dottorato studia sia gli acciai inossidabili bifasici, sia le superleghe di Nichel. Gli acciai duplex rappresentano il principale campo di ricerca e le loro proprietà sono state studiate seguendo un approccio di ricerca classico, con il principale obiettivo di migliorare la tenacità a bassa temperatura di questa classe di acciai, considerata l’attuale tendenza del mercato di sfruttare tutte le risorse naturali disponibili, persino quelle ai Poli. La ricerca è stata effettuata su un acciaio duplex grado F55, ad alto Nichel, proveniente da una barra forgiata. Oltre a studiarne il comportamento meccanico, è stata effettuata una caratterizzazione più ampia del materiale: in aggiunta all’indagine sugli effetti della composizione chimica, dei parametri di trattamento termico e della deformazione plastica a caldo sulla microstruttura e sulle proprietà tensili e di tenacità, sono stati caratterizzati anche alcuni dei principali fenomeni di precipitazione cui il materiale è soggetto. Nel dettaglio, il Capitolo 2 studia l’influenza del Nichel sul rapporto A/F e sulle proprietà meccaniche in caso di raffreddamento ideale. Il Capitolo 3 indaga l’influenza della velocità di raffreddamento sulla tenacità durante lo spegnimento dalla temperatura di solubilizzazione. I fenomeni di precipitazione ad alta temperatura, investigati tramite invecchiamenti isotermi in forno da laboratorio e tramite dilatometria, sono discussi nel Capitolo 4. I risultati delle analisi del cammino di cricca, delle superfici di frattura e delle tenacità a frattura del grado F55 sono riportati nel Capitolo 5. Inoltre, elaborando i risultati delle prove di resilienza, è stata individuata una relazione lineare della risposta all’urto del materiale sia con il rapporto A/F sia con la velocità di raffreddamento e sono stati proposti dei parametri per predire il comportamento all’urto del materiale senza effettuare prove sperimentali. Infine, considerando le relazioni presenti tra diametri di barra-velocità di raffreddamento, velocità di raffreddamento-percentuale di austenite in microstruttura e percentuale di austenite in microstruttura-temperatura di solubilizzazione, è stata individuata la temperatura a cui solubilizzare una barra di un dato diametro per soddisfare gli attuali requisiti di normativa di 45J a -46°C come energia assorbita all’urto, in una determinata posizione della barra. Le superleghe di Nichel rappresentano il campo di ricerca minore e sono state studiate a partire da una specifica applicazione: guarnizioni metalliche in lega 625, prodotte tramite forgiatura, il processo produttivo più comune per questi componenti, e tramite processo di colata centrifuga, l’unico processo fusorio ammesso dalle normative API per produrre guarnizioni metalliche. Per assicurare un’adeguata condizione di serraggio, la massima durezza ammessa dagli standard per questi componenti è pari a 180HB. In questa ricerca, oltre a testare la durezza e la risposta a corrosione e ad indagare l’omogeneità del prodotto, è stato caratterizzato anche il comportamento a trazione e a compressione del materiale e le principali fasi secondarie individuate in microstruttura.