штрипсовая сталь и изделие, выполненное из нее

Формула изобретения

1. Штрипсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, медь, серу, фосфор, алюминий, азот, один или несколько элементов из группы: титан, молибден, ниобий, ванадий, бор и кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит элементы в следующем соотношении элементов, мас.%:

углерод	0,02-0,12
кремний	0,05-0,60
марганец	1,1-2,2
никель	0,05-1,2
хром	0,005-0,50
медь	0,005-0,50
сера	не более 0,012
фосфор	не более 0,018
алюминий	0,01-0,08
азот	не более 0,010

один или несколько элементов из группы:

титан	0,001-0,04
молибден	0,001-0,6
ниобий	0,001-0,12
ванадий	0,001-0,12
бор	0,0001-0,004
кальций	0,0001-0,006
железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом при 480 _т<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0025· _т+0,1622 и сталь имеет С_э 0,43, Р_см 0,23, ₅ 19, или при 635 _т<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0019· _т+0,5417 и сталь имеет С_э 0,46, Р_см 0,25, ₅ 17, или при 705 _т<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0014· _т+0,8929 и сталь имеет С_э 0,57, Р_см 0,26, ₅ 14, или при _т 775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0034· _т-0,6531 и сталь имеет С_э 0,60, Р_см 0,27, ₅ 12, где [Mn], [Ni] - содержание марганца и никеля в стали, %, 0,0025, 0,0019, 0,0014, 0,0034 - эмпирические коэффициенты, %/МПа, 0,1622, 0,5417, 0,8929, 0,6531 - безразмерные эмпирические коэффициенты, С_э - углеродный эквивалент, %, Р _см - коэффициент трещиностойкости, %, ₅ - относительное удлинение, %, _т - предел текучести стали, МПа.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0001-0,005 мас.% РЗМ.

3. Изделие, выполненное из штрипсовой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по одному из пп.1 и 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, пластичность, свариваемость, коррозионную стойкость и хладостойкость.

Известна сталь для магистральных нефте- и газопроводов, содержащая, мас.%: углерод 0,04-0,12; марганец 0,7-1,7; кремний 0,2-0,9; ванадий 0,03-0,12; ниобий 0,02-0,08; алюминий 0,02-0,06; азот 0,004-0,010; кальций 0,001-0,02; хром не более 0,3; никель не более 0,3; медь не более 0,3; титан не более 0,03; сера не более 0,008; фосфор не более 0,015; молибден 0,001-0,15; железо - остальное [1].

Данная сталь обладает удовлетворительной пластичностью, но при этом она имеет недостаточные прочностные характеристики. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данной стали, соответствуют штрипсу категории прочности Х46-Х65. В то же время для изготовления изделий, предназначенных для транспортировки сред под повышенным давлением, наиболее часто используется штрипс, соответствующий категориям прочности Х70-Х100.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является сталь, принятая в качестве прототипа и содержащая, мас.%: углерод 0,02-0,05; кремний не более 0,6; марганец 1,5-2,5; фосфор не более 0,015; сера не более 0,003; никель 0,01-2,0; молибден 0,1-0,6; ниобий менее 0,010; титан не более 0,030; бор 0,0003-0,0030; алюминий не более 0,070; азот не более 0,006, и удовлетворяет выражению Ti-3,4N 0. Сталь также содержит один или несколько таких элементов, как, мас.%: ванадий 0,001-0,10; медь 0,01-1,0; хром 0,01-1,0; кальций 0,0001-0,01; железо и неизбежные примеси - остальное, а микроструктура стали состоит в основном из мартенсита и бейнита, причем средний диаметр исходных аустенитных зерен в микроструктуре стали не превышает 10 мкм [2].

К недостаткам данной стали можно отнести то, что она должна соответствовать высоким категориям прочности (как заявляется - не менее X100), что удорожает ее производство и сужает возможную область ее технологического использования, так как применение сталей категорий прочности более X100, при строительстве нефте- и газопроводов, в ряде случаев экономически нецелесообразно.

Технический результат изобретения - расширение потребительских свойств и технологического использования штрипсовой стали и изделий, выполненных из нее, обладающих достаточной прочностью, пластичностью, свариваемостью, коррозионной стойкостью и хладостойкостью при различных категориях прочности (в частности: Х70-Х100).

Технический результат достигается тем, что штрипсовая сталь содержит элементы в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,02-0,12; кремний 0,05-0,60; марганец 1,1-2,2; никель 0,05-1,2; хром 0,005-0,5; медь 0,005-0,5; сера не более 0,012; фосфор не более 0,018; алюминий 0,01-0,08; азот не более 0,010; один или несколько элементов из группы: титан 0,001-0,04; молибден 0,001-0,6; ниобий 0,001-0,12; ванадий 0,001-0,12; бор 0,0001-0,004; кальций 0,0001-0,006; железо и неизбежные примеси остальное, при этом при 480 _т<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0025* _т+0,1622 и сталь имеет С_э 0,43, Р_см 0,23, ₅ 19, или при 635 _т<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0019* _т+0,5417 и сталь имеет С_э 0,46, Р_см 0,25, ₅ 17, или при 705 _т<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0014* _т+0,8929 и сталь имеет С_э 0,57, Р_см 0,26, ₅ 14, или при _т 775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni] 0,0034* _т-0,6531 и сталь имеет С_э 0,60, Р_см 0,27, ₅ 12, где [Mn], [Ni] - содержание марганца и никеля в стали, %, 0,0025, 0,0019, 0,0014, 0,0034 - эмпирические коэффициенты, %/МПа, 0,1622, 0,5417, 0,8929, 0,6531 - безразмерные эмпирические коэффициенты, С_э - углеродный эквивалент, %, Р _см - коэффициент трещиностойкости, %, ₅ - относительное удлинение, %, _т - предел текучести стали, МПа. Сталь может дополнительно содержать 0,0001-0,005% РЗМ. Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из стали указанного состава.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,02% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,05% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,6% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Добавки марганца и никеля в заявляемых пределах способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержание марганца менее 1,1% и никеля менее 0,05% не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость. Содержание марганца более 2,2% и никеля более 1,2% снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

Добавление хрома и меди в количестве 0,005-0,5% каждого повышает прочность и коррозионную стойкость стали, в т.ч. в морской среде. Содержание хрома и меди менее 0,005% каждого не позволяет достичь требуемого эффекта. Увеличение содержания хрома и меди более 0,5% экономически нецелесообразно.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,012% и фосфора не более 0,018% их вредное воздействие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств стали. Увеличение его концентрации более 0,08% приводит к ухудшению вязкостных свойств стали.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств стали при отрицательных температурах.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,001% снижается прочность стали. Повышение содержания титана сверх 0,04% приводит к снижению вязкостных свойств металла (в частности, при температуре -60°С).

Молибден в количестве 0,001-0,6% обеспечивает повышение стойкости стали против водородного растрескивания, повышает вязкость при отрицательных температурах. При концентрации молибдена менее 0,001% сталь не выдерживает испытания на стойкость против водородного растрескивания, и в горячекатаном состоянии полосы склонны к охрупчиванию. Увеличение концентрации молибдена сверх 0,6% не приводит к дальнейшему улучшению ее механических свойств, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия и ниобия менее 0,001% каждого их влияние недостаточно велико: свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия и ниобия более 0,12% каждого вызывает дисперсионное твердение и приводит к охрупчиванию границ зерен, что ухудшает свойства стали.

Бор повышает прочность стали, улучшает ее прокаливаемость, а также измельчает микроструктуру. При содержании бора менее 0,0001% его влияние незначительно. Увеличение содержания бора более 0,004% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.

Кальций обеспечивает рафинирование границ зерен микроструктуры стали. Действуя как поверхностно-активное вещество, он очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При снижении содержания кальция менее 0,0001% его положительное влияние проявляется слабо. Увеличение содержания кальция сверх 0,006% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах стали.

Редкоземельные металлы (РЗМ) обладают эффективной раскислительной и десульфурирующей способностью, улучшают качество стали, повышают ее хладостойкость. При содержании РЗМ менее 0,0001% их влияние незначительно. Увеличение содержания РЗМ более 0,005% не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали.

Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств, соответствующих определенным категориям прочности (пределу текучести _т), необходимо, чтобы суммарное содержания марганца и никеля удовлетворяло заявляемым условиям.

Углеродный эквивалент (С_э), коэффициент трещиностойкости (Р _см) и относительное удлинение ( ₅) являются одними из основных регламентируемых (контролируемых) параметров стали, в частности штрипса. В зависимости от требуемой категории прочности (предела текучести _т), для обеспечения необходимых потребительских качеств стали (в частности свариваемости), указанные параметры должны соответствовать заявляемым. При этом углеродный эквивалент и коэффициент трещиностойкости определяются по формулам, соответственно: Сэ=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B, P_cm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B, где обозначениям элементов соответствует их процентное содержание в стали.

Изобретение поясняется результатами экспериментов. В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей. В таблице 2 представлены контролируемые параметры штрипса.

Как следует из таблиц 1 и 2, стали предложенного состава (составы 1-10) соответствуют стандарту Американского нефтяного института, а все контролируемые параметры удовлетворяют заявляемым условиям.

В составах сталей 11 и 12 суммарное содержание марганца и никеля оказалось меньше требуемого значения, что привело к снижению предела текучести.

Таким образом, предложенная штрипсовая сталь характеризуется расширенным диапазоном потребительских свойств, что позволяет ее использовать при производстве изделий для топливоэнергетического комплекса, в частности нефте- и газопроводных труб, различных категорий прочности.

Литература

1. Патент РФ № 2180016, МПК C22C 38/58, C22C 38/50, 2002.

2. Патент РФ № 2258762 (п.8), МПК C22C 38/14, C22C 38/58, C21D 8/02, C21D 8/10, 2005.

Таблица 2
Контролируемые параметры
Состав	Контролируемые параметры
Сэ, %	Pсм, %	5, %	[Mn]+[Ni] (фактическое)	т, МПа (фактическое)	т, МПа (требуемое)	[Mn]+[Ni] (требуемое)	[Mn]+[Ni] (расчетное по фактическому m)
1	0,34	0,15	21,3	1,69	578	570	1,59	1,61
2	0,38	0,18	21,8	1,73	602	595	1,65	1,67
3	0,40	0,17	19,9	1,84	676	670	1,82	1,83
4	0,43	0,18	18,7	1,91	690	690	1,85	1,85
5	0,50	0,21	18,2	2,17	754	735	1,92	1,95
6	0,50	0,21	17,9	2,28	771	750	1,94	1,97
7	0,52	0,22	13,8	2,34	859	830	2,17	2,27
8	0,53	0,22	14,9	2,46	883	865	2,29	2,35
9	0,33	0,13	21,2	1,81	627	615	1,70	1,73
10	0,56	0,26	15,1	1,90	717	715	1,89	1,90
11	0,40	0,18	20,2	1,74	619	640	1,76	1,71
12	0,45	0,20	18,9	1,85	690	710	1,89	1,85
13 (прототип)	0,54/0,55*	0,20/0,20*	-	2,45	890	-	-	-
* - Сэ и Рсм, рассчитанные по формулам, применяемым в данном изобретении:
Cэ=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B,
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.