Сталь низколегированная повышенной прочности
Владельцы патента RU 2277604:
Открытое акционерное общество "Уральская Сталь" (ОАО "Урал Сталь") (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к составам сталей для изготовления электросварных прямошовных труб большого диаметра с увеличенным ресурсом эксплуатации. Сталь низколегированная повышенной прочности содержит компоненты в следующем соотношении компонентов в мас.%: углерод 0,17-0,24; марганец 0,35-0,65; кремний 0,17-0,37; ниобий 0,05-0,08; хром 0,20-0,50; никель 0,20-0,50; железо - остальное, при выполнении соотношения: {[Марганец]+0,3×[Хром]+0,5×[Никель]+0,7[Медь]}/[Ниобий]=10÷20. Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей ударной вязкости в сочетании с повышением прочностных свойств металлопроката в горячем и термообработанном состоянии, в повышении конструктивной прочности и эксплуатационных характеристик электросварных прямошовных нефтегазопроводных труб. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей, применяемых для изготовления электросварных прямошовных газонефтепроводных труб большого диаметра, подвергающихся при эксплуатации высоким статическим и циклическим нагружениям, ударным нагрузкам в диапазоне температур от 50 до -50°С и коррозионному воздействию перекачиваемых продуктов.
Известен ряд низколегированных сталей повышенной прочности, предназначенных для изготовления такого рода металлопродукции.
Например, сталь (Патент РФ №2062793, МПК C 21 D 8/02, 1995) следующего состава, мас.%:
| Углерод | 0,05-0,30 |
| Марганец | 0,30-2,00 |
| Кремний | 0,15-1,00 |
| Титан | 0,005-0,050 |
| Хром | 0,03-1,00 |
| Азот | 0,003-0,025 |
| Медь | 0,02-0,50 |
| Никель | 0,03-1,00 |
| Алюминий | 0,005-0,060 |
| Сера | 0,005-0,050 |
| Фосфор | 0,005-0,050 |
| Железо | Остальное |
Сталь такого состава характеризуется относительно низкими показателями низкотемпературной вязкости и пониженной стойкостью к коррозионному воздействию перекачиваемых по трубопроводам продуктов.
Известна также сталь (Патент РФ №2156310, МПК C 21 D 8/02, 2000), содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,07-0,17 |
| Марганец | 0,50-1,50 |
| Кремний | 0,20-0,80 |
| Титан | 0,005-0,035 |
| Азот | 0,005-0,012 |
| Ванадий | 0,03-0,15 |
| Ниобий | 0,02-0,06 |
| Алюминий | 0,020-0,060 |
| Сера | 0,003-0,012 |
| Фосфор | 0,004-0,025 |
| Железо | Остальное |
Однако эта сталь также обладает недостаточно высокими показателями прочностных свойств, хладостойкости и стойкости против коррозионного воздействия перекачиваемых по трубопроводам продуктов.
Наиболее близкой к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является взятая за прототип сталь (Патент РФ №2124571, МПК C 21 D 8/02, 1998), мас.%:
| Углерод | 0,05-0,20 |
| Кремний | 0,15-0,50 |
| Марганец | 0,30-1,00 |
| Хром | 0,15-0,60 |
| Никель | 0,15-0,60 |
| Кобальт | 0,005-0,1 |
| Азот | 0,003-0,015 |
| Алюминий | 0,01-0,1 |
| Сера | 0,001-0,03 |
| Фосфор | 0,001-0,05 |
| Железо | Остальное |
Недостатком этой стали являются невысокие показатели по ударной вязкости в сочетании с недостаточно высокими показателями прочностных свойств, что влияет на эксплуатационные характеристики металлопродукции, в том числе на стойкость к коррозионному воздействию перекачиваемых по трубопроводам продуктов.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного изобретения - улучшение показателей ударной вязкости в сочетании с повышением прочностных свойств металлопроката в горячекатаном и термообработанном состоянии, повышение конструктивной прочности и эксплуатационных характеристик электросварных прямошовных нефтегазопроводных труб.
Технический результат достигается тем, что в состав заявляемой стали, содержащей углерод, кремний, марганец и железо, дополнительно введен хром, никель и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,24 |
| Марганец | 0,35-0,65 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Ниобий | 0,05-0,08 |
| Хром | 0,20-0,50 |
| Никель | 0,20-0,50 |
| Железо | Остальное |
при выполнении соотношения:
В качестве примесей в стали допускаются сера и фосфор в пределах 0,001-0,015% и 0,001-0,0020% соответственно, а также медь - до 0,30% и азот до 0,012%.
Выбранное соотношение компонентов определяется следующими факторами.
Углерод - основной химический элемент в стали, который определяет ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Нижний предел 0,17% ограничен необходимостью получения требуемого комплекса прочностных свойств основного металла труб. Верхний предел углерода 0,24% ограничен необходимостью обеспечения высоких вязких свойств.
Марганец - в пределах 0,35-0,65% обеспечивает требуемое сочетание прочностных и вязких свойств за счет усиления влияния ниобия на устойчивость переохлажденного аустенита.
Ниобий - нижний предел содержания ниобия 0,05% является пределом, ниже которого ниобий не оказывает ощутимого положительного влияния на измельчение зерна и хладостойкость стали данного химического состава; при содержании ниобия более 0,08% наблюдается образование излишней карбонитридной фазы этого элемента, приводящее к понижению пластичности стали и показателей ударной вязкости.
Хром - в пределах 0,20-0,50% в сочетании с никелем в пределах 0,20-0,50% обеспечивает получение большего количества перлитной составляющей в структуре металла, что приводит к повышению прочностных свойств и низкотемпературной вязкости, а также за счет образования комплексных оксидных соединений понижает склонность стали к корродированию в коррозионноактивной среде, образованной попутными продуктами добычи нефти и сырого газа.
Экспериментально было установлено, что наиболее влияющим параметром на получение оптимального комплекса свойств - прочностных, пластических, вязких и коррозионных - является соотношение:
При величине данного соотношения менее 10 металл листового проката обладает хорошей вязкостью, но недостаточной прочностью и невысокой стойкостью против коррозионного воздействия перекачиваемых продуктов.
При величине данного соотношения более 20 наблюдалось заметное повышение прочностных свойств стали (за счет усиления твердорастворного упрочнения благодаря таким элементам как марганец, хром и никель), а также происходит улучшение стойкости против коррозионного воздействия (за счет хрома, никеля и меди). Тем не менее, при этом резко ухудшались вязкие свойства металла и хладостойкость, особенно при отрицательных температурах, а также пластичность.
Оптимальное сочетание прочностных (σт=340-440 Н/мм2, σв=510-630 Н/мм2), пластических (δ5 не менее 25%), вязких (KCV при минус 20°С не менее 60 Дж/см2) характеристик, а также низкой скорости коррозии в коррозионно-активных средах (0,2-0,4 мм/год) наблюдается при обеспечении вышеуказанного соотношения в пределах от 10 до 20.
Сталь предлагаемого состава обеспечивает необходимое сочетание прочностных свойств, пластичности, вязкости (хладостойкости) и коррозионной стойкости металла листового проката для сварных труб (табл.1-2).
Анализ технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявляемом решении, и признать его изобретением, так как оно является новым, соответствует критерию изобретательского уровня и промышленно применимо.
Пример. Сталь выплавляют в электропечи. После выпуска металла из печи производят его обработку в ковше и разливают на слитки в изложницы. При этом легирование стали хромом и никелем осуществляют за счет использования при выплавке хромоникелевых шихтовых материалов с дополнительным вводом феррохрома и ферроникеля при ковшевой обработке. При внепечной обработке металла в ковше также проводят окончательное раскисление металла, его рафинирование, гомогенизирующую продувку нейтральным газом и модифицирующую обработку силикокальцием. В результате выплавки и внепечной обработки получают сталь следующего состава, мас.%: С - 0,21%, Mn - 0,62%, Si - 0,34%, Nb - 0,05%, S - 0,004%, P - 0,007%, Cr - 0,36%, Ni - 0,31%, железо - остальное. Сталь дополнительно содержит Cu - 0,12% и Al - 0,031%.
Разливку стали в изложницы осуществляют при температуре 1540-1545°С. Слитки выдерживают в изложницах не менее 3 часов, раздевают и подвергают аустенизации при температуре 1200-1300°С в течение 4 часов. После аустенизации производят нагрев слитков до температуры 1250-1280°С, прокатку их на слябинге и охлаждение слябов. Затем в реверсивном режиме производят предварительную деформацию за 9 проходов и окончательную деформацию за 8 проходов с температурой окончания деформации 750-950°С до получения листового проката.
После окончания процесса деформации осуществляют окончательное охлаждение листового проката до температуры окружающей среды. После охлаждения листового проката до температуры окружающей среды осуществляют нагрев до температуры 930°С с последующей выдержкой 1,5 мин/мм и окончательное охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды.
Испытания механических свойств листового проката показали, что предлагаемая сталь характеризуется более высокими прочностными и вязкими характеристиками, повышенной стойкостью к общей коррозии в подтоварных водах, присутствующих в перекачиваемой по внутрипромысловым трубопроводам нефти, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик и надежности газонефтепроводов в условиях одновременного воздействия статических и циклических нагрузок в условиях широкого температурного диапазона эксплуатации и наличия коррозионно-активной среды.
Сталь низколегированная повышенной прочности, содержащая углерод, кремний, марганец и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хром, никель и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,24 |
| Марганец | 0,35-0,65 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Ниобий | 0,05-0,08 |
| Хром | 0,20-0,50 |
| Никель | 0,20-0,50 |
| Железо | Остальное |
при выполнении соотношения
