Трубная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям, используемым для производства магистральных труб. Сталь содержит, мас.%: углерод от 0,11 до менее 0,15, кремний от 0,40 до менее 0,50, марганец 1,30-1,60, хром не более 0,30, никель 0,06-0,20, медь не более 0,30, алюминий не более 0,05, титан не более 0,03, азот не более 0,008, сера не более 0,040, фосфор 0,015-0,030, железо остальное. Сталь имеет феррито-перлитную структуру, величину временного сопротивления разрыву σ_В не менее 530 Н/мм², величину ударной вязкости KCU^-40 не менее 120 Дж/см². Улучшаются потребительские свойства указанных труб. 1 пр.

 

Изобретение относится к сплавам на основе железа и может быть использовано при производстве сталей для магистральных трубопроводов.

Наиболее употребительные в настоящее время стали (в том числе - трубные) достаточно подробно описываются, например, в справочнике В.Н. Журавлева и О.И. Николаевой "Машиностроительные стали", М.: Машиностроение, 1981. К трубным сталям относится, например, сталь марки 17Г1С, химический состав и механические свойства которой регламентирует ГОСТ 19281. Одним из важных показателей свойств трубной стали является величина ударной вязкости при отрицательных температурах (минус 40°C), что гарантирует хладостойкость труб при эксплуатации в северных районах.

Качественные трубные стали имеют обычно невысокое содержание углерода, но, как правило, содержат хром, никель и медь.

Известна сталь, содержащая 0.08÷0.30% углерода, 7÷9% марганца, 12÷15% хрома, 1÷3% алюминия, 0.55÷0.63% кремния, 0.01÷0.10% азота, 0.05÷0.15% ванадия, 0.02÷0.05% кальция, остальное железо (см. а.с. №969778, кл. C22C 38/38, опубл. в БИ №40, 1982).

Недостатком этой стали является широкий диапазон содержания углерода и ванадия и как следствие широкий диапазон ее прочностных и вязких свойств, что делает эту сталь ограниченно пригодной для использования при производстве труб.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту является сталь марки 17Г1С, приведенная в ГОСТ 19281.

Эта сталь содержит 0.15÷0.20% углерода, 0.4÷0.6% кремния, 1.15÷1.6% марганца, не более 0.3% хрома, никеля и меди (каждого), не более 0.035% фосфора, не более 0.04% серы, не более 0.008% азота, не более 0,05% алюминия, не более 0,03% титана и характеризуется тем, что минимальная величина сопротивления разрыву (σ_B) - не менее 490 Н/мм², а величина ударной вязкости (KCU^-40) - не менее 39 Дж/см².

Недостатком известной стали является относительно малая величина ударной вязкости и временного сопротивления, что снижает потребительские свойства стали, используемой для производства магистральных труб.

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение потребительских свойств указанных труб, изготовленных из предлагаемой стали.

Предлагаемая трубная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, алюминий, титан и азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	от 0.11 до менее 0.15
кремний	от 0.40 до менее 0.50
марганец	1.30÷1.60
хром	не более 0.30
никель	0.06÷0.20
медь	не более 0.30
алюминий	не более 0.05
титан	не более 0.03
азот	не более 0,008
сера	не более 0.040
фосфор	0.015÷0.030
железо	остальное

при этом она имеет феррито-перлитную структуру и величину временного сопротивления разрыву σ_B не менее 530 Н/мм², величину ударной вязкости KCU^-40 не менее 120 Дж/см².

Сущность заявляемого технического решения состоит в оптимизации химического состава трубной стали (в частности - сужении пределов содержания углерода, марганца и никеля), а также конкретизации содержания фосфора. В результате этого улучшается микроструктура стали, что и повышает величины временного сопротивления разрыву и ударной вязкости.

Опытную проверку заявляемого технического решения осуществляли в ОАО "Магнитогорский Металлургический Комбинат".

С этой целью при производстве трубной стали варьировали содержание углерода, марганца, никеля и фосфора, фиксируя механические свойства полученной полосовой стали.

Выбранные пределы содержания углерода (0,11 до менее 0,15%), в сочетании с марганцем (1,30÷1,60%), кремнием (0,40 до менее 0,50%) и никелем (0,06÷0,20%) обеспечивают получение феррито-перлитной структуры, позволяют достичь высоких значений предела текучести и временного сопротивления разрыву.

Фосфор, как элемент внедрения, вызывает объемное искажение решетки, приводящее к увеличению сил трения при движении дислокаций, тем самым упрочняя феррит, также усиливает выделение дисперсных карбидных включений, способствуя повышению прочности стали при сохранении пластичности, и улучшает штампуемость стали.

Наилучшие результаты (максимальные величины σ_B и KCU^-40 при удовлетворительной пластичности металла) получены при реализации заявляемого объекта. Отклонения от предлагаемого содержания отдельных компонентов стали ухудшали достигнутые показатели.

Так, уменьшение содержания углерода, марганца и фосфора приводило к уменьшению величины σ_B стали, а их увеличение - к возрастанию; содержание же в стали никеля, практически, не изменяло σ_B. Уменьшение содержания углерода и фосфора повышало величину ударной вязкости, а увеличение их содержания оказывало обратное влияние. При увеличении содержания никеля величина ударной вязкости снижалась, и наоборот. Поэтому было выбрано такое содержание в стали указанных элементов, которое давало требуемые прочность, пластичность и ударную вязкость металла, способствуя созданию максимальной износостойкости труб.

Пример конкретного выполнения

Трубная сталь содержит компоненты в следующих величинах (мас.%): углерод - 0.14, кремний - 0.50, марганец - 1.45, хром - 0.15, никель - 0.13, медь - 0.15, сера - 0,002, фосфор - 0.022, азот - 0.006, алюминия - 0.040, титана - 0.002, железо - остальное.

Механические свойства стали: σв =565 Н/мм; KCU^-40=179 Дж/см². Сравнительный анализ химического состава стали и механических свойств представлен в таблице.

Контрольные испытания стали, взятой в качестве ближайшего аналога, показали, что величина временного сопротивления разрыву σ_В была в пределах 490-520 Н/мм², величина ударной вязкости KCU^-40 была в пределах 39-55 Дж/см². Таким образом, опытная проверка подтвердила приемлемость найденного технического решения для достижения поставленной цели и его преимущества перед известным объектом.

По данным технико-экономических исследований, проведенных в Центральной лаборатории ОАО "ММК", использование предлагаемой трубной стали для изготовления магистральных трубопроводов позволит улучшить потребительские свойства труб, а именно достигнутые показатели величины сопротивления стали разрыву и ее ударной вязкости при температуре испытаний минус 40°С увеличивают срок службы труб не менее чем на 30%, а в условиях крайнего Севера - почти в 1,5 раза.

Таблица
№ п.п.	Массовая доля элементов, %	σВ, Н/мм2	KCU-40°С, Дж/см2
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Сu	N	AI	Ti
1	0,12	0,49	1,31	0,004	0,016	0,04	0,14	0,06	0,005	0,032	0,002	580	185
2	0,14	0,49	1,35	0,003	0,013	0,05	0,17	0,06	0,004	0,036	0,003	590	156
3	0,15	0,52	1,46	0,005	0,014	0,05	0,12	0,05	0,004	0,039	0,002	600	141
ГОСТ 19281	0,15-0,2	0,4-0,6	1,15-1,6	He более 0,04	Не более 0,035	He более 0,3	He более 0,3	Не более 0,3	Не более 0,008	Не более 0,05	He более 0,03	Не менее 490	Не менее 39

Трубная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, алюминий, титан, азот и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	от 0,11 до менее 0,15
кремний	от 0,40 до менее 0.50
марганец	1,30÷1,60
хром	не более 0,30
никель	0,06÷0,20
медь	не более 0,30
алюминий	не более 0,05
титан	не более 0,03
азот	не более 0,008
сера	не более 0,040
фосфор	0,015÷0,030
железо	остальное

при этом она имеет феррито-перлитную структуру, величину временного сопротивления разрыву σ_В не менее 530 H/мм² и величину ударной вязкости KCU^-40 не менее 120 Дж/см².