Штрипсовая сталь и изделие, выполненное из нее

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, никель, хром, медь, серу, фосфор, алюминий, азот, один или несколько элементов из группы: титан, молибден, ниобий, ванадий, бор и кальций, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,02-0,12, кремний 0,05-0,60, марганец 1,1-2,2, никель 0,05-1,2, хром 0,005-0,50, медь 0,005-0,50, сера не более 0,012, фосфор не более 0,018, алюминий 0,01-0,08, азот не более 0,010, один или несколько элементов из группы: титан 0,001-0,04, молибден 0,001-0,6, ниобий 0,001-0,12, ванадий 0,001-0,12, бор 0,0001-0,004, кальций 0,0001-0,006, железо и неизбежные примеси остальное. Сталь может дополнительно содержать 0,0001-0,005 мас.% РЗМ. При 480≤σт<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025*σт+0,1622, и сталь имеет Сэ≤0,43, Рсм≤0,23, δ5≥19. При 635≤σт<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019*σт+0,5417 и сталь имеет Сэ≤0,46, Рсм≤0,25, δ5≥17. При 705≤σт<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014*σт+0,8929, и сталь имеет Сэ≤0,57, Рсм≤0,26, δ5≥14. При σт≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034*σт-0,6531 и сталь имеет Сэ≤0,60, Рсм≤0,27, δ5≥12, где [Mn], [Ni] - содержание марганца и никеля в стали, %, 0,0025, 0,0019, 0,0014, 0,0034 - эмпирические коэффициенты, %/МПа, 0,1622, 0,5417, 0,8929, 0,6531 - безразмерные эмпирические коэффициенты, Сэ - углеродный эквивалент, %, Рсм - коэффициент трещиностойкости, %, δ5 - относительное удлинение, %, σт - предел текучести стали, МПа. Расширяются потребительские свойства и технологичность использования штрипсовой стали и изделий, выполненных из нее, обладающих достаточной прочностью, пластичностью, свариваемостью, коррозионной стойкостью и хладостойкостью. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, пластичность, свариваемость, коррозионную стойкость и хладостойкость.

Известна сталь для магистральных нефте- и газопроводов, содержащая, мас.%: углерод 0,04-0,12; марганец 0,7-1,7; кремний 0,2-0,9; ванадий 0,03-0,12; ниобий 0,02-0,08; алюминий 0,02-0,06; азот 0,004-0,010; кальций 0,001-0,02; хром не более 0,3; никель не более 0,3; медь не более 0,3; титан не более 0,03; сера не более 0,008; фосфор не более 0,015; молибден 0,001-0,15; железо - остальное [1].

Данная сталь обладает удовлетворительной пластичностью, но при этом она имеет недостаточные прочностные характеристики. Значения предела прочности и предела текучести, заявленные для данной стали, соответствуют штрипсу категории прочности Х46-Х65. В то же время для изготовления изделий, предназначенных для транспортировки сред под повышенным давлением, наиболее часто используется штрипс, соответствующий категориям прочности Х70-Х100.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является сталь, принятая в качестве прототипа и содержащая, мас.%: углерод 0,02-0,05; кремний не более 0,6; марганец 1,5-2,5; фосфор не более 0,015; сера не более 0,003; никель 0,01-2,0; молибден 0,1-0,6; ниобий менее 0,010; титан не более 0,030; бор 0,0003-0,0030; алюминий не более 0,070; азот не более 0,006, и удовлетворяет выражению Ti-3,4N≥0. Сталь также содержит один или несколько таких элементов, как, мас.%: ванадий 0,001-0,10; медь 0,01-1,0; хром 0,01-1,0; кальций 0,0001-0,01; железо и неизбежные примеси - остальное, а микроструктура стали состоит в основном из мартенсита и бейнита, причем средний диаметр исходных аустенитных зерен в микроструктуре стали не превышает 10 мкм [2].

К недостаткам данной стали можно отнести то, что она должна соответствовать высоким категориям прочности (как заявляется - не менее X100), что удорожает ее производство и сужает возможную область ее технологического использования, так как применение сталей категорий прочности более X100, при строительстве нефте- и газопроводов, в ряде случаев экономически нецелесообразно.

Технический результат изобретения - расширение потребительских свойств и технологического использования штрипсовой стали и изделий, выполненных из нее, обладающих достаточной прочностью, пластичностью, свариваемостью, коррозионной стойкостью и хладостойкостью при различных категориях прочности (в частности: Х70-Х100).

Технический результат достигается тем, что штрипсовая сталь содержит элементы в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,02-0,12; кремний 0,05-0,60; марганец 1,1-2,2; никель 0,05-1,2; хром 0,005-0,5; медь 0,005-0,5; сера не более 0,012; фосфор не более 0,018; алюминий 0,01-0,08; азот не более 0,010; один или несколько элементов из группы: титан 0,001-0,04; молибден 0,001-0,6; ниобий 0,001-0,12; ванадий 0,001-0,12; бор 0,0001-0,004; кальций 0,0001-0,006; железо и неизбежные примеси остальное, при этом при 480≤σт<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025*σт+0,1622 и сталь имеет Сэ≤0,43, Рсм≤0,23, δ5≥19, или при 635≤σт<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019*σт+0,5417 и сталь имеет Сэ≤0,46, Рсм≤0,25, δ5≥17, или при 705≤σт<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014*σт+0,8929 и сталь имеет Сэ≤0,57, Рсм≤0,26, δ5≥14, или при σт≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034*σт-0,6531 и сталь имеет Сэ≤0,60, Рсм≤0,27, δ5≥12, где [Mn], [Ni] - содержание марганца и никеля в стали, %, 0,0025, 0,0019, 0,0014, 0,0034 - эмпирические коэффициенты, %/МПа, 0,1622, 0,5417, 0,8929, 0,6531 - безразмерные эмпирические коэффициенты, Сэ - углеродный эквивалент, %, Рсм - коэффициент трещиностойкости, %, δ5 - относительное удлинение, %, σт - предел текучести стали, МПа. Сталь может дополнительно содержать 0,0001-0,005% РЗМ. Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из стали указанного состава.

Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,02% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,05% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,6% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Добавки марганца и никеля в заявляемых пределах способствуют твердорастворному упрочнению металла, и, соответственно, повышению хладостойкости и коррозионной стойкости готового проката. Содержание марганца менее 1,1% и никеля менее 0,05% не позволяет обеспечить требуемую хладостойкость. Содержание марганца более 2,2% и никеля более 1,2% снижает свариваемость и экономически нецелесообразно.

Добавление хрома и меди в количестве 0,005-0,5% каждого повышает прочность и коррозионную стойкость стали, в т.ч. в морской среде. Содержание хрома и меди менее 0,005% каждого не позволяет достичь требуемого эффекта. Увеличение содержания хрома и меди более 0,5% экономически нецелесообразно.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,012% и фосфора не более 0,018% их вредное воздействие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали.

Алюминий раскисляет и модифицирует сталь, связывая азот в нитриды, подавляет его негативное воздействие на свойства листов. При содержании алюминия менее 0,01% снижается комплекс механических свойств стали. Увеличение его концентрации более 0,08% приводит к ухудшению вязкостных свойств стали.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств стали при отрицательных температурах.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. При содержании титана менее 0,001% снижается прочность стали. Повышение содержания титана сверх 0,04% приводит к снижению вязкостных свойств металла (в частности, при температуре -60°С).

Молибден в количестве 0,001-0,6% обеспечивает повышение стойкости стали против водородного растрескивания, повышает вязкость при отрицательных температурах. При концентрации молибдена менее 0,001% сталь не выдерживает испытания на стойкость против водородного растрескивания, и в горячекатаном состоянии полосы склонны к охрупчиванию. Увеличение концентрации молибдена сверх 0,6% не приводит к дальнейшему улучшению ее механических свойств, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия и ниобия менее 0,001% каждого их влияние недостаточно велико: свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия и ниобия более 0,12% каждого вызывает дисперсионное твердение и приводит к охрупчиванию границ зерен, что ухудшает свойства стали.

Бор повышает прочность стали, улучшает ее прокаливаемость, а также измельчает микроструктуру. При содержании бора менее 0,0001% его влияние незначительно. Увеличение содержания бора более 0,004% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.

Кальций обеспечивает рафинирование границ зерен микроструктуры стали. Действуя как поверхностно-активное вещество, он очищает межзеренные границы от нежелательных примесей, благодаря чему достигается одновременное повышение ударной вязкости при отрицательных температурах и коррозионной стойкости стали. При снижении содержания кальция менее 0,0001% его положительное влияние проявляется слабо. Увеличение содержания кальция сверх 0,006% ведет к увеличению количества неметаллических включений, что отрицательно сказывается на механических свойствах стали.

Редкоземельные металлы (РЗМ) обладают эффективной раскислительной и десульфурирующей способностью, улучшают качество стали, повышают ее хладостойкость. При содержании РЗМ менее 0,0001% их влияние незначительно. Увеличение содержания РЗМ более 0,005% не приводит к дальнейшему улучшению механических свойств стали.

Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств, соответствующих определенным категориям прочности (пределу текучести σт), необходимо, чтобы суммарное содержания марганца и никеля удовлетворяло заявляемым условиям.

Углеродный эквивалент (Сэ), коэффициент трещиностойкости (Рсм) и относительное удлинение (δ5) являются одними из основных регламентируемых (контролируемых) параметров стали, в частности штрипса. В зависимости от требуемой категории прочности (предела текучести σт), для обеспечения необходимых потребительских качеств стали (в частности свариваемости), указанные параметры должны соответствовать заявляемым. При этом углеродный эквивалент и коэффициент трещиностойкости определяются по формулам, соответственно: Сэ=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B, Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B, где обозначениям элементов соответствует их процентное содержание в стали.

Изобретение поясняется результатами экспериментов. В таблице 1 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей. В таблице 2 представлены контролируемые параметры штрипса.

Как следует из таблиц 1 и 2, стали предложенного состава (составы 1-10) соответствуют стандарту Американского нефтяного института, а все контролируемые параметры удовлетворяют заявляемым условиям.

В составах сталей 11 и 12 суммарное содержание марганца и никеля оказалось меньше требуемого значения, что привело к снижению предела текучести.

Таким образом, предложенная штрипсовая сталь характеризуется расширенным диапазоном потребительских свойств, что позволяет ее использовать при производстве изделий для топливоэнергетического комплекса, в частности нефте- и газопроводных труб, различных категорий прочности.

Литература

1. Патент РФ №2180016, МПК C22C 38/58, C22C 38/50, 2002.

2. Патент РФ №2258762 (п.8), МПК C22C 38/14, C22C 38/58, C21D 8/02, C21D 8/10, 2005.

Таблица 2
Контролируемые параметры
Состав Контролируемые параметры
Сэ, % Pсм, % δ5, % [Mn]+[Ni] (фактическое) σт, МПа (фактическое) σт, МПа (требуемое) [Mn]+[Ni] (требуемое) [Mn]+[Ni] (расчетное по фактическому σm)
1 0,34 0,15 21,3 1,69 578 570 ≥1,59 1,61
2 0,38 0,18 21,8 1,73 602 595 ≥1,65 1,67
3 0,40 0,17 19,9 1,84 676 670 ≥1,82 1,83
4 0,43 0,18 18,7 1,91 690 690 ≥1,85 1,85
5 0,50 0,21 18,2 2,17 754 735 ≥1,92 1,95
6 0,50 0,21 17,9 2,28 771 750 ≥1,94 1,97
7 0,52 0,22 13,8 2,34 859 830 ≥2,17 2,27
8 0,53 0,22 14,9 2,46 883 865 ≥2,29 2,35
9 0,33 0,13 21,2 1,81 627 615 ≥1,70 1,73
10 0,56 0,26 15,1 1,90 717 715 ≥1,89 1,90
11 0,40 0,18 20,2 1,74 619 640 ≥1,76 1,71
12 0,45 0,20 18,9 1,85 690 710 ≥1,89 1,85
13 (прототип) 0,54/0,55* 0,20/0,20* - 2,45 890 - - -
* - Сэ и Рсм, рассчитанные по формулам, применяемым в данном изобретении:
Cэ=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B,
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.

1. Штрипсовая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, медь, серу, фосфор, алюминий, азот, один или несколько элементов из группы: титан, молибден, ниобий, ванадий, бор и кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она содержит элементы в следующем соотношении элементов, мас.%:

углерод 0,02-0,12
кремний 0,05-0,60
марганец 1,1-2,2
никель 0,05-1,2
хром 0,005-0,50
медь 0,005-0,50
сера не более 0,012
фосфор не более 0,018
алюминий 0,01-0,08
азот не более 0,010

один или несколько элементов из группы:
титан 0,001-0,04
молибден 0,001-0,6
ниобий 0,001-0,12
ванадий 0,001-0,12
бор 0,0001-0,004
кальций 0,0001-0,006
железо и неизбежные примеси остальное,

при этом при 480≤σт<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025·σт+0,1622 и сталь имеет Сэ≤0,43, Рсм≤0,23, δ5≥19, или при 635≤σт<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019·σт+0,5417 и сталь имеет Сэ≤0,46, Рсм≤0,25, δ5≥17, или при 705≤σт<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014·σт+0,8929 и сталь имеет Сэ≤0,57, Рсм≤0,26, δ5≥14, или при σт≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034·σт-0,6531 и сталь имеет Сэ≤0,60, Рсм≤0,27, δ5≥12, где [Mn], [Ni] - содержание марганца и никеля в стали, %, 0,0025, 0,0019, 0,0014, 0,0034 - эмпирические коэффициенты, %/МПа, 0,1622, 0,5417, 0,8929, 0,6531 - безразмерные эмпирические коэффициенты, Сэ - углеродный эквивалент, %, Рсм - коэффициент трещиностойкости, %, δ5 - относительное удлинение, %, σт - предел текучести стали, МПа.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 0,0001-0,005 мас.% РЗМ.

3. Изделие, выполненное из штрипсовой стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по одному из пп.1 и 2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к атомной технике, а именно к изготовлению оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах из радиационно-стойкой стали, в частности к изготовлению труб для элементов активной зоны.

Изобретение относится к области производства труб, в частности коленчатой трубы. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству плит и конструкционных деталей, применяемых в автомобильной промышленности. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочной высокопластичной аустенитной стали, используемой для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время при температурах до 650°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листовой хладостойкой стали, используемой в атомном энергомашиностроении при серийном производстве высоконадежной контейнерной техники для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов атомной и термоядерной энергетики.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам коррозионно-стойких аустенитных сталей повышенной прочности, и может быть использовано при производстве листовых деталей и сварных конструкций из них.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству трубной заготовки диаметром до 200 мм из коррозионно-стойкой аустенитной стали повышенной прочности, и может быть использовано при изготовлении бесшовных труб, применяемых в оборудовании энергетического машиностроения, в том числе для тепловых и атомных электростанций, требующих большого количества нержавеющих труб для трубопроводных систем, а также в нефтегазовом комплексе для обустройства нефтегазовых месторождений, содержащих сероводород, углекислый газ и хлориды.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионностойким аустенитным хромоникелевым сталям, используемым при производстве высокопрочного сортового проката, кованых заготовок, калиброванных прутков, проволоки, ленты, листа, труб, крепежа, оборудования для газоперерабатывающих предприятий и обустройства нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода, углекислого газа и хлоридов, а также для эксплуатации в морской воде.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к полученной дуплекс-процессом нержавеющей стали, предназначенной для изготовления элементов конструкций установок для выработки энергии и производства материалов в химической и нефтехимической промышленности, бумажном производстве.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению детали из стали, обладающей многофазной микроструктурой. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам коррозионно-стойких аустенитных сталей повышенной прочности, и может быть использовано при производстве листовых деталей и сварных конструкций из них.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочной стали, используемой для изготовления рабочих лопаток, роторов и других деталей паровых турбин, работающих на суперсверхкритических параметрах пара.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности производству листов для использования их в конструкциях атомных энергетических установок, работающих при температурах до 600°С.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам дисперсионно-твердеющей мартенситной стали, предназначенной для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной износостойкой стали и способу ее получения. .
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству стали для железнодорожных рельсов. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей для изготовления пружин, работающих в воде, слабых растворах кислот и щелочей, нефтепродуктах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению сплавов системы Ni-Fe-Cr, применяемых в глубоких нефтяных или газовых скважинах, а также морской среде.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера

Наверх