Труба нефтяного сортамента повышенной прочности

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению труб нефтяного сортамента из сталей, микролегированных сильными карбидо- и нитридообразующими элементами. Для повышения прочности трубу получают из стали, содержащей, мас.%: 0,31-0,34 углерода, 0,30-0,45 кремния, 0,75-0,95 марганца, 0,045-0,100 ниобия, 0,001-0,080 ванадия, 0,002-0,004 бора, 0,005-0,006 алюминия, 0,010-0,045 титана, 1,10-1,50 хрома, 0,001-0,045 серы, 0,001-0,045 фосфора, не более 0,012 азота, не более 0,50 никеля, не более 0,20 меди, остальное железо, при соблюдении соотношения: [хром]+[ванадий]+[ниобий]=1,15-1,70, горячекатаной при температуре конца горячей деформации 780-850°С и термически обработанной с температурой аустенизации при закалке, равной 880-900°С, и отпуском при температуре 600-720°С. 2 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству высокопрочных бесшовных труб нефтяного сортамента из сталей, микролегированных сильными карбидо- и нитридообразующими элементами.

Известны насосно-компрессорные трубы группы прочности «К» по ГОСТ 633-80, изготовленные способом термической обработки из углеродистых сталей (марок 20, «Д») и низколегированных сталей (типа 37Г2С), при изготовлении и термообработке которых трубу охлаждают водой на выходе из последней клети стана, при этом охлаждение наружной поверхности начинают с 800-840°С в течение 3-5 с со средней скоростью 30-40°С/с за 6-10 циклов. Длительность интенсивного охлаждения в цикле составляет 0,2-0,3 с, с паузами между циклами 0,15-0,2 с [Патент РФ №2112052, МКл⁶ C21D 9/08, опубл. 27.05.1998]. /1/

Недостатком указанной выше трубы и используемых методов термообработки является то, что для упрочнения труб из микролегированной ниобием и/или ванадием стали при заявленных режимах нагрева и охлаждения труб одновременно с сильным упрочнением происходит резкое снижение пластических и вязких свойств стали.

Наиболее близкой к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является труба, изготовленная из стали, выплавленной в сталеплавильной печи, микролегированной в печи и в ковше во время выпуска плавки ниобием и молибденом, обработанной в ковше, прокатанной на заготовку и трубу и термически обработанной [Патент РФ №2251587, МПК⁷ С22С 38/14, 38/60, опубл. 10.05.2005, пример]. /2/

Труба, изготовленная из микролегированной ниобием и молибденом стали, обладает механическими свойствами не выше группы прочности Е (не более 56,2 кг/см²) в трубах ограниченного сортамента диаметром до 73,5 мм и с толщиной стенки не более 7 мм.

Недостатком этой стали является то, что при ускоренном охлаждении труб образуется значительное количество верхнего бейнита, резко снижаются пластические характеристики стали и требуется проведение дополнительного высокого отпуска. Это значительно повышает стоимость труб, однако не позволяет решить проблему изготовления толстостенных труб и труб более высоких групп прочности.

Задачей настоящего изобретения является разработка труб нефтяного сортамента повышенной прочности из микролегированной стали, не содержащей дорогостоящий молибден.

Технический результат - труба из легированной Nb, V и В стали с толщиной стенки 7-27 мм и диаметром более 73,5 мм с требуемым уровнем свойств, соответствующим группе прочности Е, Л, М, Р.

Технический результат достигается тем, что труба нефтяного сортамента повышенной прочности, изготовленная из стали, горячекатаная и термически обработанная, согласно изобретению, получена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%: 0,31-0,34 углерод; 0,30-0,45 кремний; 0,75-0,95 марганец; 0,045-0,100 ниобий; 0,001-0,080 ванадий; 0,002-0,004 бор; 0,005-0,006 алюминий; 0,010-0,045 титан; 1,10-1,50 хром; 0,001-0,045 сера; 0,001-0,045 фосфор; не более 0,012 азот; не более 0,50 никель; не более 0,20 медь; остальное железо; при содержании суммы [хром]+[ванадий]+[ниобий], равной 1,15-1,70%, причем прокатанной при температуре конца горячей деформации 780-850°С и термически обработанной с температурой аустенизации при закалке, равной 880-900°С, и отпуском при температуре 600-720°С.

Выбранное соотношение содержания отдельных химических элементов в стали определяется следующими факторами.

Нижний предел содержания углерода 0,31% ограничен необходимостью получения требуемого уровня прочности после термической обработки, а повышение содержания углерода более 0,34% может привести при закалке к появлению закалочных трещин.

Марганец в пределах 0,75-0,95% обеспечивает требуемое сочетание прочности и пластичности стали за счёт усиления эффективности влияния ниобия, ванадия и бора на устойчивость аустенита.

Содержание ниобия 0,045% является пределом, ниже которого в сталях с рекомендуемым диапазоном содержания углерода он не оказывает ощутимого положительного влияния на измельчение зерна аустенита. При содержании ниобия более 0,10% наблюдается образование избыточных карбонитридов, приводящих к понижению пластичности и ударной вязкости стали.

Содержание ванадия 0,001% является пределом, ниже которого его влияние практически не наблюдается, а содержание ванадия не более 0,080% является оптимальным с точки зрения измельчения зерна, повышения прокаливаемости и устойчивости против отпуска.

Бор сильно увеличивает прокаливаемость стали, но при содержании бора менее 0,002% его влияние незначительно, а при величине более 0,004% при закалке возникают большие термические напряжения.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом и связывает азот в нитриды. При содержании алюминия менее 0,005% его воздействие проявляется слабо, а увеличение содержания алюминия более 0,060% приводит к появлению алюминатов и к значительному снижению пластичности и вязкости металла.

Титан связывает значительную часть находящегося в стали азота и в пределах 0,010-0,045% обеспечивает достаточную деазотизацию жидкого металла перед введением ниобия, ванадия и бора в сталь. Микролегирование алюминием и титаном позволяет предотвращать образование окислов и нитридов бора и снижение его концентрации в твердом растворе.

Содержание хрома в пределах 1,10-1,50% в комплексе с бором позволяет получить в трубах требуемое сочетание прочностных и пластических свойств металла за счет обеспечения прокаливаемости. При массовой доле хрома менее 1,10% не достигается необходимая прокаливаемость, а при повышении содержания хрома более 1,50% возникает опасность появления при закалке трещин напряжения.

Экспериментально определенное и подтвержденное на практике оптимальное совместное содержание в стали хрома, ванадия и ниобия составляет 1,15-1,70% и позволяет обеспечить в стали, при дополнительном микролегировании бором, практически эквивалентную с молибденом прокаливаемость, а также компенсировать разупрочнение металла при отпуске в условиях отсутствия в стали молибдена.

Для обеспечения эффективности влияния используемых в стали элементов на измельчение зерна, прокаливаемость, дисперсионное твердение при отпуске регламентируются условия горячей деформации труб и параметры последующей термической обработки. В процессе прокатки по регламентированному режиму при температурах конца горячей деформации 780-850°С в аустените происходит инициированное деформацией выделение карбонитридов ниобия, что приводит к измельчению зерна. При температурах прокатки выше 850°С эффективность влияния ниобия на измельчение зерна снижается, а деформация при температурах ниже 780°С приводит к недопустимым нагрузкам на оборудование. Закрепление границ аустенитных зерен труднорастворимыми частицами карбидов ниобия приводит к наследованию мелкозернистой структуры при окончательной термической обработке.

Температура аустенизации при закалке 880-900°С не приводит к росту аустенитного зерна и обеспечивает достаточное содержание в аустените легирующих элементов для обеспечения сквозной прокаливаемости толстостенных труб и возможности протекания при отпуске процесса вторичного твердения.

Выделение карбонитридов ванадия и ниобия при отпуске приводит к задержке снижения прочностных свойств, что позволяет использовать высокие температуры отпуска и получать трубы, характеризующиеся наряду с требуемым уровнем прочности высоким сопротивлением хрупкому разрушению. При отпуске в интервале 600-700°С, в зависимости от температуры, достигаются свойства групп прочности Е, Л, М и Р. Температура нагрева при отпуске 600°С позволяет получать трубы группы прочности Р (предел текучести не менее 94,9 кг/см²), а 720°С - группы прочности Е (предел прочности не менее 56,2 кг/см²). Снижение температуры отпуска ниже 600°С приводит к падению сопротивления хрупкому разрушению, а при отпуске выше 720°С возможно снижение прочностных характеристик ниже требуемой нормы.

В соответствии с предложением выплавка стали может производиться в любом типе сталеплавильных печей, таких как электропечи, мартеновские печи и другие.

Предлагаемую трубу изготавливают следующим образом.

Пример. Сталь выплавляют в электропечи, легирование металла осуществляют вводом ферросплавов в печь и в ковш во время выпуска плавки. После выпуска металла из печи производят его обработку в ковше и разливку на слитки в изложницы. При внепечной обработке в ковше производят окончательное раскисление металла, его рафинирование, гомогенизирующую продувку нейтральным газом и модифицирующую обработку силикокальцием. Разливку стали в изложницы осуществляют при температуре 1540-1545°С, слитки выдерживают в изложницах не менее 3 часов. Прокатку слитков производят за 16 проходов до получения катаных заготовок 120 мм.

Прокатку труб диаметром 50,0-73,0 мм осуществляют на трубопрокатной установке ТПА-80 с непрерывным станом, а диаметром 88,9-168,3 мм - на трубопрокатной установке ТПА-140 с автоматическим станом с регламентацией температуры окончания деформации. Термическую обработку производят по следующему режиму: температура аустенизации 880-900°С, температура отпуска для труб группы прочности Е - 700-720°С, группы прочности Л - 680-700°С, группы прочности М - 640-660°С, группы прочности Р - 600-620°С.

Предлагаемое и известное решения опробованы в промышленных условиях.

В результате выплавки, внепечной обработки и прокатки получили трубные заготовки диаметром 120 мм из стали следующего состава, мас.%: С-0,34; Si-0,33; Mn-0,81; Cr-1,31; Nb-0,06; V-0,080; B-0,004; Al-0,025; Ti-0,025; S-0,005; P-0,009 [N]-0,008; Ni-0,02; Cu-0,02; железо - остальное. Сумма содержаний (Cr+V+Nb)=1.45%. Сталь 48Г2МБА (прототип), содержала, мас.%: С-0,49; Si-0,35; Mn-1,31; Nb-0,041; Mo-0,11; Al-0,030; Ti-0,035; S-0,005; P-0,019 [N]-0,008; Ni-0,02; Cu-0,02; железо - остальное.

Температура конца горячей деформации при прокатке труб диаметром 73,0 и 88,9 мм толщиной стенки 7 и 10 мм соответственно составляла 810°С, температура аустенизации - 900°С, температура отпуска 600, 650, 700 и 720°С.

Результаты исследования свойств предлагаемой и известной трубы приведены в таблицах 1 и 2.

Как видно из таблиц, предлагаемое решение позволяет получать, в зависимости от температуры отпуска, трубы нефтяного сортамента групп прочности Е, Л, М и Р в соответствии с ГОСТ 633-80 и N-80, С-95, Р 110 n Q 125 (API 5CT).

Результаты промышленной проверки предлагаемого решения
Состав стали
Таблица 1
Состав стали	Содержание элементов, %
С	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	V	В	Al	Ti	S	P	N	Ni	Cu
Заявляемый	0,34	0,33	0,81	1,31	-	0,06	0,08	0,004	0,025	0,025	0,005	0,009	0,008	0,02	0,02
Прототип	0,49	0,35	1,31	-	0,11	0,041	-	-	0,030	0,035	0,005	0,019	0,008	0,02	0,02
Механические свойства труб
Таблица 2
Способ	Размер труб, мм	Тотп, °С	σв кгс/мм2	σт кгс/мм2	δ5, %	KCV, -40°C МДж/м2	ДВС, %	Группа прочности
ГОСТ	API
Заявляемый	73,0×7,0	600	104,0	98,3	18,5	60,3	50	P	Q125
		650	94,5	78,0	19,5	80,4	60	м	Р110
		700	82,9	74,5	22,5	116,5	84	л	S95
	720	79,3	71,3	24,0	120,1	95	Е	N80
	88,9×10,0	600	103,0	97,8	19,0	65,3	50	Р	Q125
		650	93,5	79,3	19,5	80,9	60	М	Р110
		700	81,5	75,1	22,0	115,0	85	л	S95
720	80,1	72,3	24,0	118,0	95	Е	N80
Прототип	73,0×7,0	700	87.5	59.7	13.3	20.4	10	Е	-

Труба нефтяного сортамента повышенной прочности, выполненная из стали, горячекатаная и термически обработанная, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%: углерод 0,31-0,34, кремний 0,30-0,45, марганец 0,75-0,95, ниобий 0,045-0,100, ванадий 0,001-0,080, бор 0,002-0,004, алюминий 0,005-0,006, титан 0,010-0,045, хром 1,10-1,50, сера 0,001-0,045, фосфор 0,001-0,045, азот не более 0,012, никель не более 0,50, медь не более 0,20, остальное железо, при соблюдении соотношения (хром)+(ванадий)+(ниобий)=1,15-1,70, причем прокатана при температуре конца горячей деформации 780-850°С и термически обработана с температурой аустенизации при закалке, равной 880-900°С, и отпуском при 600-720°С.