сталь для газо- и нефтетрубопроводов

Формула изобретения

Сталь для газо- и нефтетрубопроводов, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси серы и фосфора, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот и группу щелочноземельных металлов из кальция, бария и магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,02-0,07

Марганец 1,45-1,80

Кремний 0,03-0,10

Ванадий 0,10-0,12

Алюминий 0,03-0,05

Сера 0,010

Фосфор 0,012

Азот 0,003-0,005

Кальций + барий + магний 0,07-0,10

Железо Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированным сталям для металлопродукции, и может быть использовано при производстве газо- и нефтетрубопроводов, работающих при весьма низких температурах в условиях воздействия коррозионных сред, вызывающих водородное растрескивание.

Известна сталь Х70, предназначенная для труб диаметром 1420 мм, содержащая, мас. %: углерод - 0,11, марганец - 1,61, кремний - 1,30, сера - 0,004, фосфор - 0,014, хром - 0,03, никель - 0,02, медь - 0,01, алюминий - 0,021, титан - 0,14 (В.И.Алимов, В.Н.Негляд, В.Г.Оноприенко и др. Локальные свойства листового проката большого диаметра. Металлургическая и горнорудная промышленность, 1998. - 3 - с. 20-21).

Известная сталь Х70 указанного состава обеспечивает следующие механические свойства: временное сопротивление разрыву _в = 590 H/мм², предел текучести _т = 580 H/мм², относительное удлинение ₅ = 24%, ударная вязкость KCV^-60=146 Дж/см².

Недостатками известной стали является плохая обрабатываемость резанием кромок листов перед их формовкой в трубы и склонность к водородному растрескиванию при эксплуатации в коррозионноактивных средах, особенно при весьма низких температурах порядка (-70)^oС. Кроме того, сталь является дорогостоящей и дефицитной.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является сталь для магистральных нефтепроводов и газопроводов, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,05-0,15, кремний - 0,30-0,90, марганец - 0,40-0,90, ванадий - 0,05-0,20, ниобий 0,01-0,08, алюминий - 0,01-0,08, сера - 0,001-0,020, фосфор - 0,005-0,02, титан - 0,001-0,04, железо - остальное (патент РФ 2179196, кл. С 22 С 38/14, опубл. 10.02.2002).

Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: наличие в стали углерода, марганца, кремния, ванадия, алюминия, железа и примесей серы и фосфора.

Известная сталь по ближайшему аналогу после соответствующей обработки характеризуется следующими свойствами: временное сопротивление разрыву _в = 510-630 H/мм², предел текучести _т=360 Н/мм², относительное удлинение ₅= 24%, ударная вязкость KCV^-60=59 Дж/см², скорость общей коррозии Q=0,5 мм/год, величина пороговой нагрузки P70%_т, коэффициент длины трещины CLR 3%, коэффициент ширины трещины СТР 6%.

Недостатками известной стали является недостаточная ударная вязкость при весьма низких температурах (-70)^oС, недостаточная коррозионная стойкость и склонность к водородному охрупчиванию, особенно в коррозионных средах, содержащих сероводород. Неоднородность тонкой кристаллической структуры в этой стали, выражающаяся в неоднородном распределении дислокаций, приводит при эксплуатации в таких средах к преждевременному водородному растрескиванию за счет водородного охрупчивания, что снижает коррозионную стойкость.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача такого усовершенствования состава стали для газо- и нефтетрубопроводов, преимущественно диаметром 500-800 мм, которая позволила бы повысить ударную вязкость при весьма низких температурах (-70)^oС при высоком уровне других механических свойств и коррозионную стойкость против водородного растрескивания в условиях воздействия коррозионных сред, содержащих сероводород за счет оптимального содержания компонентов в стали и ее структуры в готовых изделиях.

Поставленная задача решается тем, что сталь для газо- и нефтетрубопроводов, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси серы и фосфора, по изобретению дополнительно содержит азот и группу щелочноземельных металлов из кальция, бария и магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,02-0,07

Марганец - 1,45-1,80

Кремний - 0,03-0,10

Ванадий - 0,10-0,12

Алюминий - 0,03-0,05

Сера - 0,010

Фосфор - 0,012

Азот - 0,003-0,005

(кальций + барий + магний) - 0,07-0,10

Железо - Остальное

Предлагаемая сталь для газо- и нефтетрубопроводов, преимущественно диаметром 500-800 мм обладает ударной вязкостью при (-70)^oС KCV^-70=45 Дж/см² при высоком уровне других механических свойств, а именно: временное сопротивление разрыву _в= 640 Н/мм², предел текучести _т=560 Н/мм², относительное удлинение ₅=23%, скорость общей коррозии Q=0,35 мм/год, величина пороговой нагрузки, вызывающей водородное растрескивание за счет водородного охрупчивания P75%_т. Кроме того, сталь обладает хорошей свариваемостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием, что важно при обработке кромок трубных заготовок.

Содержание углерода в заявляемой стали низкое и составляет 0,02-0,07 мас. %. Это обеспечивает высокую пластичность и свариваемость стали, в том числе при весьма низких температурах. Получить менее 0,02 мас.% углерода при выплавке затруднительно и в этом нет необходимости, так как и при заявляемом содержании углерода не блокируются подвижные дислокации, обеспечивающие высокую пластичность и вязкость. Это не гарантируется при содержании углерода более 0,07 мас.% и поэтому более высокое содержание углерода в данной стали нецелесообразно.

Марганец содержится в пределах 1,45-1,80 мас.%. В таких количествах он растворяется в феррите, входит в цементит и карбиды в качестве легирующего элемента и тем самым обеспечивает высокую прочность стали. При содержании меньше 1,45 мас.% марганца упрочняющий эффект от него недостаточен. Содержание марганца 1,80 мас.% является предельным, выше которого из-за склонности к ликвации могут образовываться сильно обогащенные марганцем микрообъемы, что приводит в последующем к получению неравновесных структур, особенно при послесварочном охлаждении и, как следствие, к образованию трещин, а также снижению ударной вязкости при весьма низких температурах.

Кремний в заявляемой стали содержится в границах 0,03-0,10 мас.%. Достаточная раскисленность стали при таком низком содержании кремния достигается повышенным содержанием алюминия и марганца и технологическими приемами обработки жидкой стали, при этом нецелесообразно уменьшение содержания кремния ниже 0,03 мас.%. При содержании более 0,10 мас.% кремния заметно возрастает количество силикатных включений, а это снижает ударную вязкость особенно при весьма низких температурах, способствует охрупчиванию стали и увеличению количества коррозионных микрогальванических элементов.

Содержание ванадия в заявляемой стали составляет 0,10-0,12 мас.%, что обеспечивает мелкое зерно в стали, образование упрочняющих карбонитридов и дополнительное раскисление. При содержании менее 0,10 мас.% ванадия эти эффекты недостаточны и свойства стали понижаются. Превышение ванадия сверх 0,12 мас.% нецелесообразно из-за некоторого ухудшения технологичности передела стали.

Алюминий в количестве 0,03-0,05 мас.% введен в заявляемую сталь как раскисляющий и модифицирующий элемент; он также образует с азотом нитриды, упрочняющие сталь. При содержании алюминия менее 0,03 мас.% недостаточен эффект раскисления в комплексе с другими элементами, при содержании более 0,05 мас. % алюминия может быть много глиноземных включений, снижающих пластичность и ударную вязкость стали при низких температурах.

В заявляемой стали содержание серы ограничено верхним пределом 0,010 мас. %, а фосфора - 0,012 мас.%. При большем содержании серы увеличивается количество сульфидов, снижается пластичность стали, ухудшается коррозионная стойкость, увеличивается склонность к водородному охрупчиванию. При содержании более 0,012 мас.% фосфора сталь становится более склонной к хрупкому разрушению при весьма низких температурах.

Азот в стали ограничивается в пределах 0,003-0,005 мас.%. При содержании азота менее 0,003 мас. % не обеспечивается достаточного количества карбонитридов, выполняющих роль упрочняющих фаз. При содержании азота более 0,005 мас. % может проявляться эффект старения, приводящий к снижению пластичности стали.

Группа щелочноземельных металлов из кальция, бария и магния вводится в суммарном количестве 0,07-0,10 мас.%. Эти элементы усиливают действие друг друга и при этом обеспечивается достаточное раскисление стали и глобуляризация сульфидов. При суммарном содержании этих элементов менее 0,07 мас.% эффект не достигается и вытянутые сульфиды играют роль концентраторов напряжения, при содержании суммы элементов большем 0,10 мас.% сталь загрязняется избыточным количеством неметаллических включений, что снижает ударную вязкость, в особенности, при низких температурах.

Вариант осуществления заявляемого изобретения, не исключающий другие варианты в объеме формулы изобретения.

Опытные стали выплавляли в полупромышленной индукционной тигельной печи с емкостью тигля 30 кг. При составлении шихты использовали лом низкоуглеродистых сталей с малым и контролируемым количеством примесей. Для сравнения в этих же условиях выплавляли сталь с химическим составом по ближайшему аналогу. Химический состав полученных сталей приведен в таблице 1.

Полученные слитки массой 25-28 кг ковали на заготовки сечением 35160 мм, а затем их прокатывали на полосы толщиной 18 мм. Из полос изготавливали образцы для термической обработки, механических, коррозионных испытаний и оценки свариваемости. Механические испытания проводили по действующим стандартам. Коррозионные испытания проводили в водопроводной воде, которую предварительно насыщали сероводородом до 15-15 мг/л и pH 7,45. Оценивали скорость общей коррозии и величину пороговой нагрузки, при которой начинало проявляться водородное охрупчивание. Свариваемость при низких температурах оценивали визуальным осмотром по качеству шва и околошовной зоны.

Сравнительные свойства опытных и известной стали приведены в таблице 2, из которой видно, что по механическим свойствам и коррозионной стойкости заявляемая сталь существенно превосходит известную при высоких значениях ударной вязкости при весьма низких температурах. Заявляемая сталь хорошо сваривалась в условиях низких температур.