Высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь для трубопроводов

 

Изобретение относится к металлургии, а именно, к производству легированных сталей для изготовления труб и арматуры, работающих в морской воде с твердыми частицами и нефтепродуктами, и изготовления оборудования для добычи полезных ископаемых и нефти со дна океана. Предложена высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь для трубопроводов, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,05-0,10; кремний 0,3-0,6; марганец 1,0-1,5; хром 14,0-16,0; никель 3,5-4,5; молибден 1,5-2,0; титан 0,15-0,35; алюминий 0,02-0,05; азот 0,01-0,05; железо остальное. При этом отношение никелевого эквивалента к хромовому эквиваленту находится в пределах Ni_экв/Cr_экв = [30(C+N)+Ni+1,5Mn] /(Cr+Mo+1,5Si+4Ti+3,5Al)=0,4-0,55. Содержание примесных элементов серы, фосфора и меди не превышает следующих значений, мас.%: сера ≤ 0,02; фосфор ≤ 0,02; медь ≤ 0,2. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости против щелевой и питтинговой коррозии, гидроабразивного износа при сохранении уровня стойкости против межкристаллитной коррозии, коррозионного растрескивания и вязкости разрушения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области производства легированных сталей, применяемых для изготовления трубопроводов (труб и арматуры), работающих в морской воде с твердыми частицами и нефтепродуктами в оборудовании для добычи полезных ископаемых и нефти со дна мирового океана.

В настоящее время наибольшее применение в качестве материала для трубопроводов транспортировки нефти при добыче на платформах в Северном море и в районах шельфа находят аустенитно-ферритные хромоникелевые стали с молибденом типа Х25Н5МЗ.

В качестве перспективных сталей рассматриваются стали с регулируемым фазовым превращением типа 17-4РН и 07Х16Н4Б.

Наиболее близкой по составу является высокопрочная коррозионно-стойкая сталь по патенту ФРГ DE 2616599 В2, опубликованному 21.10.1977, содержащая, мас.%: Углерод - 0,001-0,12 Кремний - 0,2-1,5 Марганец - 0,5-8,0 Хром - 12,0-30,0 Никель - 2,0-16,0 Молибден - 0,1-5,0 Титан - 0,01-1,2 Ниобий - 0,01-1,6 Медь - 0,01-3,5
Азот - 0,01-0,35
Железо - Отальное
Известная сталь в пределах своего химического состава имеет нестабильную структуру (может изменяться от аустенитного до мартенситного класса). В связи с этим известная сталь в диапазоне содержания легирующих элементов, близком к пределам легирующих элементов предлагаемой стали, может обладать пониженной стойкостью к межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию и гидроабразивному износу, а также пониженной вязкостью разрушения.

Задачей изобретения является создание высокопрочной коррозионно-стойкой свариваемой стали, обладающей высокой стойкостью против гидроабразивного износа, межкристаллитной коррозии, коррозионного растрескивания, а также обладающей высокой вязкостью разрушения.

Поставленная задача достигается следующим соотношением компонентов, мас. %:
Углерод - 0,05-0,10
Кремний - 0,3-0,6
Марганец - 1,0-1,5
Хром - 14,0-16,0
Никель - 3,5-4,5
Молибден - 1,5-2,0
Титан - 0,15-0,35
Алюминий - 0,05-0,2
Азот - 0,01-0,05
Железо - Остальное
При этом отношение никелевого эквивалента, определенного по формуле Ni_экв= 30(C+N)+Ni+1,5Мn, к хромовому эквиваленту, определенному по формуле Сr_экв= Сr+Мо+l, 5Si+4Ti+3,5А1, должно находиться в пределах Ni_экв/Сr_экв= 0,40-0,55, а содержание примесных элементов не должно превышать следующих значений маc.%: сера ≤ 0,02, фосфор ≤ 0,03, медь ≤ 0,2.

При этом устанавливается оптимальное соотношение никелевого эквивалента к хромовому эквиваленту в пределах Ni_экв/Сr_экв=0,40-0,55, что обеспечивает стойкость стали против межкристаллитной коррозии и технологичность при сварке. Так как при соотношении Ni_экв/Сr_экв<0,40 снижается стойкость стали к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию, а при соотношении Ni_экв/Сr_экв>0,55 ухудшается стойкость стали против гидроабразивного износа.

Легирование титаном (в отсутствии ниобия) при производстве заготовок ограниченной массы экономически обосновано и в пределах 0,15-0,35% полностью выполняет функцию по обеспечению стойкости стали против межкристаллитной коррозии.

Наличие в заявляемой композиции добавок азота в указанном соотношении с углеродом и другими элементами улучшает ее структурную стабильность, способствует образованию при отпуске в достаточном количестве карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале температур технологических и сварочных нагревов, что способствует снижению структурной неоднородности и повышает сопротивление металла хрупкому разрушению в условиях статического и динамического нагружения. При этом обеспечение требуемого уровня прочностных и пластических свойств стали в состоянии после закалки и высокого отпуска достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей число активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации.

Важное значение для высокопрочных сталей мартенситного класса имеют форма и размер неметаллических включений. Наличие оставшегося алюминия обусловлено необходимостью регулирования формы и дисперсности образующихся избыточных фаз, в частности сфероидизацией оксидов и сульфидов. Кроме того, наличие алюминия снижает чувствительность металла к флокенообразованию и существенно улучшает технологичность заявляемой стали на стадии металлургического передела и сварки, повышая выход годного при получении полуфабрикатов и поковок.

Ограничение содержания примесей обеспечивает стойкость стали против межкристаллитной коррозии и технологичность при горячем переделе и сварке.

Выбор системы комплексного легирования заявляемой композиции предусматривает пониженную температуру начала образования аустенита при нагреве закаленной стали. В связи с этим оптимальной температурой отпуска заявляемой стали является температура 620^oС, а получаемые в результате такого отпуска повышенные механические свойства увеличивают стойкость ее против гидроабразивного износа.

В лабораторных электродуговых печах были выплавлены опытные плавки (табл. 1) с содержанием легирующих элементов на нижнем (плавка 1), среднем (плавка 2) и верхнем (плавка 3) пределах заявляемой композиции.

Результаты определения необходимых механических и служебных свойств стали и ее сварных соединений как материала для изготовления трубопроводов, работающих в морской воде, представлены в табл. 2 и 3.

Исследования свойств проводились на материале, термически обработанном по режимам: закалка 1080^oС, отпуск 620^oС.

Сварка производилась аргонодуговым способом с применением в качестве присадки прутков из заявляемой стали (сварные соединения подвергались высокому отпуску).

Испытания показали, что заявляемая сталь и ее сварные соединения обладают высокой стойкостью против гидроабразивного износа, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания, а также имеют высокую вязкость разрушения.

Заявляемая сталь представляет собой конкурентоспособный на мировом уровне материал для изготовления сварных трубопроводов добычи полезных ископаемых, нефти и газа со дна мирового океана.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования новой марки стали выразится в повышении эксплуатационной надежности и безопасности, а также общего ресурса работы создаваемых трубопроводов.

Литература
1. Гост 5632 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные", 1977, стр.6,7 (прототип).

2. Коррозионно-стойкие стали и сплавы для оборудования и трубопроводов АЭС. Киев: Наукова Дума, 1983, 144 стр.

3. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭГ-7-008-89.

Формула изобретения

1. Высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь для трубопроводов, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, титан, азот и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,05 - 0,10
Кремний - 0,3 - 0,6
Марганец - 1,0 - 1,5
Хром - 14,0 - 16,0
Никель - 3,5 - 4,5
Молибден - 1,5 - 2,0
Титан - 0,15 - 0,35
Алюминий - 0,02 - 0,05
Азот - 0,01 - 0,05
Железо - Остальное
при этом отношение никелевого эквивалента (Ni_экв) к хромовому эквиваленту (Сr_экв) находится в пределах

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что содержание примесных элементов серы фосфора и меди не превышает следующих значений, мас. %:
Сера - ≤0,02
Фосфор - ≤0,02
Медь - ≤0,2

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2