Сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к сталям, используемым при изготовлении труб для нефтегазопроводов повышенной коррозионной стойкости. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, алюминий, кальций, хром, медь, никель, фосфор и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,17-0,22, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,65, алюминий 0,02-0,05, кальций 0,0005-0,005, хром < 0,25, медь < 0,25, никель < 0,25, фосфор < 0,015, церий 0,002-0,005, железо остальное, при ограничении содержания серы не более 0,005. Повышается стойкость стали против локальной коррозии. 3 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталям, используемым для изготовления труб повышенной коррозионной стойкости, применяемых для нефтегазопроводов.

Известна сталь (см описание к патенту РФ №2100470, от 24.04.1996 г. МПК (6) С22С 38/12), содержащая углерод, кремний, марганец и железо, которая дополнительно содержит молибден, ванадий, алюминий, церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%

Углерод 0,06-0,10

Кремний 0,17-0,37

Марганец 1,0-1,6

Молибден 0,3-0,5

Ванадий 0,05-0,1

Алюминий 0,02-0,05

Кальций 0,0005-0,005

Церий 0,0005-0,005

Железо - остальное

К основным недостаткам этого состава стали следует отнести наличие дорогостоящих легирующих элементов - марганца, молибдена и ванадия, а также то, что в составе этой стали не предусмотрена регламентация по содержанию серы, что позволяет предложенным составом стали решать задачу повышения механических свойств и улучшение ее свариваемости, но не позволяет решать проблему точечной коррозии.

Наибольшее распространение для изготовления нефтегазопроводных труб получила углеродистая сталь марки 20А, которая и является наиболее близкой по технической сущности (см ТУ 14-162-20-97 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной хладостойкости и коррозийной стойкости для месторождений ОАО "Сургутнефтегаз", срок введения 10.12.1997 г., с.4, таблица 3, марка стали 20А). Сталь марки 20А имеет следующий состав, в мас.%

Углерод 0,17-0,22

Кремний 0,17-0,37

Марганец 0,50-0,65

Алюминий 0,03-0,05

Хром < 0,25

Медь < 0,25

Никель < 0,25

Сера < 0,015

Фосфор < 0,015

Железо - остальное

Недостатком известного состава стали является нерегламентированное содержание в ее составе модифицирующих элементов - кальция, церия, а это приводит к снижению защиты эксплуатируемых труб от локальной коррозии, характеризующейся нестабильным уровнем загрязнения неметаллическими включениями и механическими свойствами при эксплуатации изготавливаемых из нее труб на нефтяных месторождениях.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стойкости стали против локальной (точечной) коррозии за счет регламентированного содержания в ней модифицирующих элементов и характеризующейся требуемым уровнем загрязненности неметаллических включений и механических свойств при эксплуатации изготавливаемых из нее труб на нефтяных месторождениях.

Указанный результат достигается тем, что в известном составе стали, содержащей углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, медь, никель, серу и фосфор, она дополнительно содержит кальций и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%

Углерод 0,17-0,22

Кремний 0,17-0,37

Марганец 0,50-0,65

Алюминий 0,02-0,05

Кальций 0,0005-0,005

Хром < 0,25

Медь < 0,25

Никель 0,25

Сера < 0,005

Фосфор 0,015

Церий 0,002-0,005

Железо - остальное.

Приведенное сочетание элементов позволяет получать после термической обработки повышенную стойкость металла труб к локальной коррозии при сохранении требуемого уровня загрязненности неметаллическими включениями и механических свойств.

Углерод (0,17-0,22)% вводится в композицию данной стали для обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости.

Алюминий (0,02-0,05)% обуславливает необходимость получения мелкого заданного зерна и пластичности стали. Нижний предел алюминия 0,02% обусловлен необходимостью получения мелкого зерна, что обеспечивает заданный уровень пластичности и вязкости стали. Содержание алюминия более 0,05% неблагоприятно сказывается на технологии разливки стали.

Кальций (0,0005-0,005)% в указанных пределах, вводится в состав стали для повышения ее стойкости против общей коррозии. Нижний предел 0,0005%, обусловлен установленными специальными экспериментами, проявлением влияния кальция на пассивацию стали в окислительных средах, а также технологией разливки стали в присутствии алюминия в указанных пределах. Верхний предел (0,005%) ограничивается возможностью участия кальция в реакциях формирования коррозионно-активных включений при наличии в металле серы.

Введение в состав стали модифицирующего элемента - церия в количестве (0,002-0,005)%, позволяет снизить количество коррозионно-активных включений за счет его участия в формировании сульфидной фазы, устойчивой к коррозионным средам. При содержании церия менее 0,002% и указанным содержанием кальция формируются неметаллические включения, содержащие сульфид кальция, а это определяет их высокую коррозионную активность. При содержании церия более 0,005% и указанном содержании алюминия образуются оксиды церия, что неблагоприятно сказывается на технологии разливки стали и повышает общий уровень загрязненности неметаллическими включениями (см. табл.2).

Ограничение содержания хрома, меди, никеля пределом - не более 0,25% связано с их отрицательным влиянием на уровень механических свойств.

При содержании серы более 0,005% и указанном сочетании алюминия, кальция и церия, как показал термодинамический анализ и результаты опытных плавок, благоприятная форма неметаллических включений в виде оксисульфидов церия переходит в неблагоприятную форму оксисульфидов церия и кальция.

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения.

Выплавку опытной партии предлагаемой стали (химический состав представлен в таблице 1) осуществляли на Северском трубном заводе в 240-тонной мартеновской печи. В шихте использовали 30% чугунной части, 70% металлического лома, 1% карбюризатора. Перед выпуском плавки производили предварительное раскисление металла алюминием и силикомарганцем. Выпуск плавки проводился в два сталеразливочных ковша с основной футеровкой. В течение выпуска осуществлялись частичная десульфурация металла путем дачи 700 кг извести и 300 кг плавикового шпата, раскисление металла алюминием, а также марганцем и кремнием на нижний предел марочного содержания. После операции скачивания шлака, металл обрабатывался на установке печь-ковш, где добивались заданного химического состава путем формирования рафинировочного шлака

В качестве критерия стойкости металла против локальной коррозии использовали контроль загрязненности металла коррозионно-активными неметаллическими включениями (КАНВ) по методике, разработанной ЦНИИчерметом и НИФХИ (пат. РФ №2149400).

Химический состав предлагаемой стали в сравнении с известной, представлен в таблице 1.

Загрязненность обычными неметаллическими включениями (НВ) и КАНВ предлагаемой и известной стали (ст.20А) представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что заявляемая сталь имеет благоприятно низкий уровень загрязненности НВ обычного типа и КАНВ менее 2,0 шт/мм², а это обеспечивает повышенную стойкость металла труб к локальной коррозии. Результаты испытаний механических свойств предлагаемой и известной стали представлены в таблице 3 и находятся в требуемых пределах.

Таблица 1 Химический состав предлагаемой и известной стали
плавка	С	Mn	Si	Р	S	Cr	Cu	Ni	Al	Са	Се
предлагаемая сталь
4383-2	0,19	0,65	0,27	0,012	0,003	0,11	0,11	0,07	0,033	0,0024	0,0025
3393-2	0,20	0,57	0,24	0,010	0,004	0,10	0,15	0,09	0,027	0,0022	0,0038
2426-1	0,18	0,58	0,28	0,010	0,003	0,12	0,18	0,09	0,025	0,0012	0,0046
за пределами заявляемого
1442-1	018	0,56	0,30	0,012	0,007	0,11	0,14	0,08	0,029	0,0029	0,0041
4410-1	0,19	0,59	0,27	0,009	0,004	0,10	0,11	0,08	0,032	0,0019	0,0053
4410-2	0,20	0,60	0,23	0,010	0,003	0,11	0,11	0,07	0,036	0,0009	0,0053
известная сталь
	0,17-0,22	0,50-0,65	0,17-0,37	0,015	0,015	0,25	0,25	0,25	0,03-0,05	-	-

Таблица 2 Загрязненность обычными НВ и КАНВ предлагаемой и известной стали
№ плавки-ковша	№ трубы	Величина загрязненности КАНВ, шт./мм2	Величина загрязненности обычными НВ, балл
		I тип	II тип	ОТ	ОС	С
предлагаемая сталь
4383-2	19	0	0,7	1,0	1,0	0
	103	0	1,2	1,0	1,5	0
3393-2	21	1,2	0,8	1,0	1,0	0,5
	22	1,5	0,7	1,5	1,5	0
2426-1	137	0,6	0,2	1,0	1,5	0
	138	0	0,1	1,0	0,5	0
за пределами заявляемого
1442-1	164	3,4	2,0	2,0	2,5	0
	167	3,4	0,8	2,0	3,0	0
4410-1	87	0,2	0,2	1,5	3,5	0
	91	0,1	0,3	1,5	2,5	0
4410-2	125	0	0,2	1,0	2,5	0
	129	0	0,01	1,5	2,5	0
известная сталь
		>4,0	>2,5	не более 2,5	не более 2,5	Не более 2,5
Таблица 3 Механические свойства предлагаемой и известной стали
№ плавки- ковша	№ трубы	Мех. свойства	Ударная вязкость
σт, кгс/мм2	σв, кгс/мм	δ5, %	+20°	-40°	-50°	в/с
предлагаемая сталь
4383-2	19	41,0	55,0	29,0	30,6	24,9	29,6	91
	103	38,5	55,0	30,0	31,8	23,4	25,8	77
3393-2	21	40,5	55,0	28,0	26,3	21,2	20,4	65
	22	40,0	55,0	27,0	26,6	19,6	18,9	58
2426-1	137	42,1	57,0	28,0	24,2	24,7	24,3	100
	138	41,0	55,0	27,0	24,1	24,4	23,9	100
за пределами заявляемого
1442-1	164	41,5	55,0	31,0	24,5	24,0	22,7	100
	167	40,5	55,0	31,0	23,1	24,0	22,9	100
4410-1	87	40,0	55,0	29,0	23,9	22,9	16,7	56
	91	39,5	55,0	29,0	24,2	23,3	19,4	61
4410-2	125	42,5	56,0	27,0	24,8	24,4	24,7	100
	129	44,5	58,0	27,0	24,1	24,1	24,5	100
известная сталь
		34,5-48,0	51,2-64,0	не менее 25,0	не менее 18,0	не менее 15,0	не менее 8,0	не менее 50

Сталь для труб нефтегазопроводов повышенной коррозионной стойкости, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, кальций, хром, медь, никель, фосфор и церий, отличающаяся тем, что она содержит следующее соотношение указанных компонентов, мас.%:

Углерод	0,17-0,22
Кремний	0,17-0,37
Марганец	0,50-0,65
Алюминий	0,02-0,05
Кальций	0,0005-0,005
Хром	< 0,25
Медь	< 0,25
Никель	< 0,25
Фосфор	< 0,015
Церий	0,002-0,005
Железо	остальное

при ограничении содержания серы не более 0,005.