Способ производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству экономнолегированной хладостойкой стали для сварных труб морских газопроводов с рабочим давлением до 19 МПа, эксплуатируемых при пониженных температурах. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой прочности в сочетании с высокой технологичностью, пластичностью и хладостойкостью в толщинах 24-40 мм. Технический результат достигается тем, что в способе производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров, включающем получение заготовки из стали, нагрев до температуры выше Ас₃, деформацию ее в контролируемом режиме с частными обжатиями при общем суммарном обжатии 50-60% и последующее контролируемое охлаждение, согласно изобретению заготовку получают из стали следующего состава, мас.%: углерод - 0,05-0,09; марганец 1,25-1,6; кремний 0,15-0,30; хром 0,01-0,1, никель 0,3-0,6; молибден 0,10-0,25; ванадий 0,03-0,10; алюминий 0,02-0,05; ниобий 0,01-0,06; медь 0,2-0,4; кальций 0,001-0,005; сера 0,0005-0,005; фосфор 0,005-0,015; железо остальное, предварительную деформацию заготовки ведут при температуре 950-850°С с суммарными обжатиями 50-60%, затем охлаждают ее до температуры 820-760°С со скоростью охлаждения 4-15°С/с на установке контролируемого охлаждения (УКО), дополнительно производят окончательную деформацию при температуре 770-740°С до требуемой толщины штрипса с суммарным обжатием 60-76%, дальнейшее охлаждение ведут ускоренно на УКО со скоростью 35-55°С/с до температуры 530-350°С, затем штрипс охлаждают в кессоне до 150±20°С и далее на воздухе. Применение новой стадии обеспечивает возможность изготовления труб ⊘ 1067-1420 мм с толщиной стенки 24-40 мм для морских газопроводов при рабочем давлении газа до 19 МПа, повышение их эксплуатационной надежности и увеличение сроков эксплуатации. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству штрипсовой стали для труб морских газопроводов диаметром 1067-1420 мм с рабочим давлением до 19 МПа, класса прочности К60.

В настоящее время возросла потребность в трубах большого диаметра для подводных трубопроводов в связи с освоением новых месторождений, расположенных в районах с тяжелыми климатическими условиями.

Обеспечение строительства трубопроводов трубами российского производства для подводных морских газопроводов высоких параметров, не уступающих по качеству зарубежным аналогам, является одним из важнейших перспективных направлений.

Широкое применение имеет близкая по технологии изготовления штрипсовая сталь 16Г2САФ по ТУ 14-1-1950-89 с использованием нормализации, нормализации и отпуска, закалки и отпуска, а также контролируемой прокатки. Данная сталь содержит массовую долю элементов следующего состава: углерод 0,15-0,20%; марганец 1,3-1,6%; кремний 0,3-0,5%; хром - не более 0,3%; ванадий 0,08-0,12%, азот 0,015-0,025%, сера - не более 0,02%, фосфор - не более 0,02%, железо - остальное. Сталь обладает следующими механическими свойствами: временное сопротивление ≥590, предел текучести ≥410 МПа, относительное удлинение ≥22% и KCU при -40°С - 59 Дж.

Однако штрипсовая сталь 16Г2САФ категории прочности К60 производится в толщинах 8,5-10,5 мм, что обеспечивает эксплуатацию при рабочем давлении в трубопроводах не более 7 МПа, и предназначена для производства труб для наземных магистральных трубопроводов.

Также недостатком этой штрипсовой стали является невозможность использования ее для подводных трубопроводов и необеспечение требований для труб большого диаметра, утвержденных ОАО "Газпром" по коэффициенту трещиностойкости:

Для обеспечения требований к трубам для подводных газопроводов, а именно категории прочности К60, толщины 24-40 мм для обеспечения рабочего давления в газопроводе 19 МПа и Pcm ниже 0,22%, необходим способ производства штрипсовой стали с использованием метода термомеханической обработки.

Наиболее близким по технологии изготовления является способ производства листового проката из стали следующего химического состава (мас.%) углерод - 0,05-0,15; марганец - 1,2-2,0; кремний - 0,2-0,6; ниобий - 0,01-0,10; титан - 0,005-0,03; алюминий - 0,01-0,10; хром - 0,03-0,50; никель - 0,03-0,50; медь - 0,03-0,50; азот - 0,005-0,020, железо - остальное, с использованием метода термомеханической обработки (патент РФ 2062795, кл. C 21 D 9/46, 8/02, 1995 - прототип), заключающийся в получении листовой заготовки, ее аустенизации, деформации с суммарной степенью обжатий 50-80% до толщины 14 мм, охлаждении от температуры конца деформации 760-900°С со скоростью 10-60°С/с до температуры 300-20°С, в повторном нагреве до температуры 590-740°С с выдержкой 0,2-3,0 мин/мм и окончательном охлаждении на воздухе.

Техническим результатом изобретения является разработка способа производства штрипсовой стали в толщинах 24-40 мм при обеспечении улучшенной свариваемости Сэкв≤0,44% и требований для труб большого диаметра по коэффициенту трещинностойкости Pcm≤0,22%, а также требований, обеспечивающих технологичность изготовления труб, определяемая соотношением σ_0,2/σ_в≤0,90, при гарантируемом временном сопротивлении более 565 МПа, пределе текучести более 482 МПа и KV^-40 более 50 Дж.

Технический результат достигается тем, что в способе производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров, включающем получение заготовки из стали, нагрев до температуры выше Ас₃, деформацию ее в контролируемом режиме с частными обжатиями при общем суммарном обжатии 50-60% и последующее контролируемое охлаждение, согласно изобретению заготовку получают из стали следующего состава, мас.%:

Углерод	0,05-0,09
Марганец	1,25-1,6
Кремний	0,15-0,30
Хром	0,01-0,1
Никель	0,3-0,6
Молибден	0,10-0,25
Ванадий	0,03-0,10
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	0,01-0,06
Медь	0,2-0,4
Кальций	0,001-0,005
Сера	0,0005-0,005
Фосфор	0,005-0,015
Железо	Остальное,

предварительную деформацию заготовки ведут при температуре 950-850°С с суммарными обжатиями 50-60%, затем охлаждают ее до температуры 820-760°С со скоростью охлаждения 4-15°С/с на установке контролируемого охлаждения (УКО), дополнительно производят окончательную деформацию при температуре 770-740°С до требуемой толщины штрипса с суммарным обжатием 60-76%, дальнейшее охлаждение ведут ускоренно на УКО со скоростью 35-55°С/с до температуры 530-350°С, затем штрипс охлаждают в кессоне до 150±20°С и далее на воздухе.

Применение термомеханической обработки обеспечивает увеличение количества зародышей феррита и способствует формированию развитой субструктуры при завершении деформации при температуре, близкой к точке Ar₃, и равномерному выделению супермелкодисперсной карбидной фазы по всей площади ферритных зерен.

Деформация при температурах 850-950°С с суммарными обжатиями 50-60% необходима для проработки литой структуры заготовки и формирования предварительной структуры металла.

Охлаждение до температур 760-820°С со скоростью охлаждения 4-15°С/с производят с целью образования твердого поверхностного слоя металла, который позволяет при дальнейшей чистовой деформации получить мелкозернистую структуру по всему сечению проката.

Окончание деформации в режиме термомеханической обработки при температуре 740-770°С, близкой к Ar₃, приводит к росту количества зародышей феррита и равномерному выделению мелкодисперсной карбидной фазы.

Ускоренное охлаждение проката в интервале температур от 725-750°С до 350-530°С приводит к повышению дисперсности структурных составляющих.

Последующее замедленное охлаждение в кессоне способствует снятию термических напряжений.

Для получения высокого качества и стабильных свойств штрипсовой стали, получаемой данным способом, необходимо обеспечить высокое металлургическое качество заготовки, в том числе низкое содержание серы (0,0005-0,005%).

Содержание серы в заявленных пределах при модифицировании сульфидов кальцием позволяет получать более однородную структуру, минимизировать дефекты, тем самым повысить стойкость металла в среде кислого газа, и повышает низкотемпературную вязкость стали.

Низкое содержание углерода наряду с улучшением свариваемости, повышением низкотемпературной вязкости благоприятно и для снижения сегрегации в непрерывнолитом слябе.

При таком содержании углерода уменьшается сегрегация марганца, что позволяет избежать полосчатой феррито-перлитной структуры.

В стали с содержанием углерода менее 0,09% перитектическая реакция при кристаллизации не происходит, уменьшается интервал кристаллизации, расширяется интервал существования δ-феррита, что позволяет гомогенизировать твердый раствор, повышая однородность распределения элементов.

Добавка марганца, молибдена и никеля в заявляемых пределах обеспечивает твердорастворное упрочнение металла и способствует лучшей прокаливаемости при термомеханической обработке.

При микролегировании алюминием, ниобием и ванадием обеспечивается измельчение зерна за счет образования мелкодисперсных карбидов, затрудняющих рост зерна аустенита при нагреве, что и увеличивает предел текучести и хладостойкость штрипсовой стали.

Испытания штрипсовой стали, изготовленной предлагаемым способом показали, что выбранные режимы и химический состав обеспечивают получение наряду с требуемой прочностью высокую работу удара при -60°С (не менее 50 Дж) и требуемое соотношение σ_0,2/σ_в≤0,90.

Пример. Сталь выплавляли в конверторе с внепечной обработкой, рафинированием и разливкой в непрерывнолитые заготовки сечением 250х1720 мм

Химический состав приведен в таблице 1.

Заготовки подвергали нагреву выше температуры Ас₃, что соответствовало 1130°С, далее подвергали предварительной деформации при температуре 950 и 850°С с суммарным обжатием 56 и 60%, затем охлаждали до температуры 820 и 760°С со скоростью 4 и 15°С/с, окончательную деформацию на штрипсовый прокат толщиной 24, 31 и 40 мм проводили при температуре 770 и 740°С с суммарным обжатием 60 и 76% с последующим ускоренным охлаждением в УКО до температур 530 и 350°С и передавали прокат в кессон для охлаждения до 150±20°С. Дальнейшее охлаждение производили на воздухе.

Механические свойства проката штрипсовой стали определяли на поперечных образцах: разрывных тип Ш №4 по ГОСТ 1497, ударных тип 11 по ГОСТ 9454. Результаты представлены в таблице 2.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения выразится в возможности изготовления отечественных магистральных труб для морского газопровода диаметром 1067-1420 мм, в увеличении их надежности и долговечности за счет повышения работы удара и трещинностойкости стали штрипса, а также снижении трудоемкости изготовления сварных труб за счет повышения технологичности стали.

Таблица 1
Химический состав стали
Сталь	Условный номер плавок	Массовая доля элементов,%	Pcm	Сэкв
С	Si	Mn	Р	S	Cr	Ni	Cu	Al	V	Nb	Мо	Ti	Са	N	Fe
	1	0,07	0,30	1,6	0,010	0,005	0,01	0,30	0,30	0,05	0,065	0,035	0,10	-	0,001	-	ОСТАЛЬНОЕ	0,20	0,41
Предлагаемая	2	0,05	0,15	1,43	0,015	0,0025	0,10	0,60	0,20	0,02	0,030	0,010	0,25	-	0,005	-		0,17	0,42
	3	0,09	0,23	1,25	0,005	0,0005	0,06	0,45	0,40	0,035	0,10	0,060	0,17	-	0,003	-		0,21	0,42
Известная	4	0,11	0,30	1,60	-	-	0,20	0,50	0,40	0,004	-	0,06	-	0,005	-	0,005	-	-

Таблица 2
Параметры способа и механические свойства проката
Сталь	Усл № пла вки	Тол щи на про ката	Параметры способа	Механические свойства
			Предварительная прокатка	Охлаждение УКО	Окончательная прокатка	Охлаждение УКО	Темпе ратура охлаж дения в кессоне, °С	Временное сопротивление σв, МПа	Условный предел текучести σ0,2, МПа	σ0,2/σв	Относительное удлинение δ3	Работа удара KV-20, Дж	Работа удара KV-60, Дж
Темпер атура, °С	Обжатия, %, не менее	Темпе ратура, °С	Скорость, °С/с	Темпе ратура, °С	Обжатия, %	Температура, °С	Скорость, °С/с
Предлагаемая	1	40	950	50	760	4	770	76	530	35	150	590	487	0,82	25	288	273
	40	850	60	820	15	740	60	350	55	150	610	502	0,82	27	269	268
	2	31	950	50	820	4	770	60	530	55	150	580	490	0,84	27	299	285
	31	850	60	760	15	740	76	350	35	150	610	498	0,82	26	291	287
	3	24	950	50	820	4	770	76	530	35	150	570	476	0,84	28	299	253
24	850	60	760	15	740	60	350	55	150	615	500	0,81	27	277	264
Известная	4	14	950	50	-	-	760	60	300	30	-	596	455	-	33	78	85
Примечание. 1. Значения механических свойств приведены по результатам испытаний трех образцов на точку. 2. Механические свойства определены после термомеханической обработки.

Способ производства штрипсовой стали для труб подводных морских газопроводов высоких параметров, включающий получение заготовки из стали, нагрев выше температуры Ас₃, деформацию ее в контролируемом режиме с частными обжатиями при суммарном обжатии 50-60%, контролируемое охлаждение, отличающийся тем, что заготовку получают из стали следующего состава, мас.%:

Углерод	0,05-0,09
Кремний	0,15-0,30
Марганец	1,25-1,6
Хром	0,01-0,1
Никель	0,3-0,6
Молибден	0,10-0,25
Медь	0,2-0,4
Кальций	0,001-0,005
Алюминий	0,02-0,05
Ниобий	0,01-0,06
Ванадий	0,03-0,10
Сера	0,0005-0,005
Фосфор	0,005-0,015
Железо	Остальное

предварительную деформацию ведут при температуре 950-850°С с суммарным обжатием 50-60%, затем охлаждают до температуры 820-760°С со скоростью 4-15°С/с, окончательную деформацию производят при температуре 770-740°С до требуемой толщины штрипса с суммарным обжатием 60-76%, дальнейшее охлаждение ведут ускоренно со скоростью 35-55°С/с до температуры 530-350°С, затем штрипс охлаждают в кессоне до температуры (150±20)°С и далее на воздухе.