НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ Российский патент 2006 года по МПК C22C38/46 C22C38/24 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к экономнолегированным сталям, предназначенным для изготовления изделий, эксплуатирующихся в агрессивных высокоминерализованных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Известна низколегированная сталь марки 15ХФ (Марочник сталей и сплавов. Под ред. А.С.Зубченко. М., «Машиностроение», 2001, стр.172) следующего химического состава, мас.%:

Углерод0,12-0,18Кремний0,17-0,37Марганец0,40-0,70Хром0,80-1,10Ванадий0,06-0,12Медьне более 0,30Серане более 0,035Фосфорне более 0,035Железоостальное

Данная сталь имеет высокие прочностные характеристики, но низкую коррозионную стойкость, плохую свариваемость и не может быть использована для изготовления металлоконструкций типа труб и их соединительных деталей.

Известна сталь (патент РФ №2196845, МПК С 22 С 38/46), применяемая в химическом машиностроении для деталей и элементов сварных конструкций, работающих под давлением в широком диапазоне температур, имеющая следующий химический состав, вес.%:

Углерод0,18-0,22Кремний0,20-0,40Марганец0,50-0,80Никель0,05-0,40Хромне более 0,4Ванадий0,02-0,05Алюминий0,01-0,04Кальций0,01-0,02Железоостальное

Указанная сталь также характеризуется низкой коррозионной стойкостью и не может быть использована в изделиях, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих H₂S и CO₂.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является низколегированная сталь по патенту РФ №2200768, МПК С 22 С 38/46, имеющая следующий химический состав, мас.%:

Углерод0,12-0,18Марганец1,0-1,8Кремний0,4-0,7Хром0,4-0,8Алюминий0,01-0,05Ванадий0,04-0,08Азот0,009-0,015Медь0,1-0,4Никель0,01-0,34Кальций0,001-0,05Железоостальное

Эта сталь обладает повышенными прочностными характеристиками, что позволяет использовать ее в изделиях для транспортировки сред под повышенным давлением, но при этом она имеет низкую коррозионную стойкость, вследствие чего непригодна для изготовления изделий, эксплуатирующихся в агрессивных минерализованных средах.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание экономнолегированной стали, имеющей достаточные прочностные показатели и обладающей при этом высокой коррозионной стойкостью, что позволит использовать ее для изготовления труб и соединительных деталей, предназначенных для транспортировки агрессивных сред, в частности, обводненной нефти и пластовой воды, характеризующихся высокой степенью минерализации и содержащих Н₂S и CO₂.

Для решения поставленной задачи предложена низколегированная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси, которая в отличие от прототипа имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

Углерод0,05-0,15Марганец0,40-0,65Хром0,50-0,80Кремний0,30-0,80Ванадий0,04-0,09Алюминий0,02-0,05Железо и примесиостальное

При этом дополнительно ограничено количественное содержание примесей следующим соотношением, мас.%:

Азотне более 0,008Никельне более 0,30Медьне более 0,25Водородне более 0,0002

а общее соотношение кальций/сера должно быть не менее 1.

В частном случае предложенная сталь может дополнительно содержать титан и ниобий, но при этом суммарное содержание ванадия, титана и ниобия не должно превышать 0,15 мас.%.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в следующем. Сопоставление химических составов прототипа - стали по патенту РФ №2200768 и предложенной стали показывает, что содержание в них углерода, кремния, хрома, ванадия и алюминия полностью или частично перекрываются. Система легирования по прототипу - железо, марганец, кремний - обеспечивает повышенные прочностные характеристики: предел прочности 895-960 МПа. В большинстве случаев столь высокая прочность не нужна для нефтегазопроводных труб, применяемых в нефтяной промышленности. В данной отрасли чаще применяются трубы с нормативным пределом прочности до 588 МПа. В отличие от прототипа в предложенной стали значительно снижено содержание марганца (система легирования: железо-хром), а также ограничено содержание примесей, в частности, азота, кроме того, установлено ограничение по количеству водорода и по соотношению кальция и серы. Указанное соотношение компонентов позволило получить феррито-перлитную структуру стали с размером зерна не более 10 мкм (в прототипе размер зерна до 15 мкм), феррито-перлитная полосчатость не превышает 1 балл (в прототипе - 3 балла), бейнитные структуры не допускаются (в прототипе допускается до 40% бейнита). При этом, как показали проведенные экспериментальные исследования, содержание марганца менее 0,40 мас.% не обеспечивает получение необходимых механических характеристик, а увеличение содержания марганца свыше 0,65 мас.% приводит к увеличению уровня феррито-перлитной полосчатости, повышает вероятность образования бейнитных структур, увеличивает ликвационную неоднородность, что в результате приводит к снижению стойкости заявленной стали к водородному и сульфидному коррозионному растрескиванию. Таким образом, предложенный интервал содержания марганца обеспечивает оптимальное сочетание прочностных показателей и высокой коррозионной стойкости, что позволяет использовать данную сталь для изготовления изделий, предназначенных для транспортировки агрессивных сред. При внепечной обработке предложенной стали благодаря указанному соотношению кальция и серы обеспечивается образование равномерно распределенных однородных оксисульфидов округлой формы. В прототипе содержание кальция составляет 0,001-0,05 мас.% независимо от содержания серы, что не позволяет получить при внепечной обработке неметаллических включений требуемого химического состава. Все вышеуказанное обуславливает стойкость предложенной стали к общей, язвенной и канавочной коррозии, а также стойкость к растрескиванию, инициированному водородом, и к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением. Ограничение содержания водорода также способствует повышению коррозионной стойкости и хладостойкости, поскольку обеспечивает отсутствие в металле микротрещин, образующихся при молизации металлургического водорода и приводящих к образованию трещин водородного растрескивания в процессе сульфидной коррозии. Кроме того, подбор количественных соотношений известных компонентов привел к достижению неожиданного технического результата, выражающегося в том, что предложенный состав характеризуется низкими значениями углеродного эквивалента (С_э) и параметра стойкости стали против растрескивания при сварке (Р_см), что обеспечивает хорошую свариваемость и отсутствие холодных и горячих трещин. Ограничение содержания водорода при этом препятствует охрупчиванию сварного шва и образованию в нем трещин. Известная сталь-прототип характеризуется высокими значениями углеродного эквивалента и параметра стойкости стали против растрескизания при сварке - до 0,71 и до 0,38 соответственно. Таким образом, эта сталь обладает плохой свариваемостью, что повлечет за собой необходимость применения при сварке предварительного и сопутствующих подогревов и термической обработки сварных соединений, что существенно удорожает сварочные работы. Предложенная сталь имеет, кроме того, повышенную хладостойкость и может применяться для изделий, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера при температурах до -60°С.

Изобретение поясняется сравнительными примерами и результатами экспериментов: в таблице 1 представлены варианты химического состава низколегированных сталей; в таблице 2 представлены результаты прочностных испытаний указанных вариантов; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний; в таблице 4 - показатели свариваемости. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что прочностные характеристики стали снижаются ниже допустимого уровня, когда содержание марганца, углерода, кремния оказывается менее предложенных минимальных значений (вариант 1). В случаях выхода за предлагаемые максимальные значения входящих в состав стали компонентов наряду с повышением прочности наблюдается снижение коррозионной стойкости и свариваемости сталей (варианты 7, 8, 9). Механические характеристики заявляемого состава стали (варианты 2-6) соответствуют классу прочности К56, что гарантирует надежную работу трубопроводов для транспортировки обводненной нефти и пластовой воды.

При наличии в составе низколегированной стали ниобия и титана в большей степени повышаются ее коррозионная стойкость и хладостойкость за счет связывания азота в карбонитриды. Ограничение суммарного содержания ванадия, титана и ниобия до 0,15 мас.% обеспечивает хорошую свариваемость.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают возможность использования заявляемой стали для промысловых трубопроводов, транспортирующих среды с повышенной коррозионной активностью и эксплуатирующихся в условиях кислотных обработок пластов для повышения нефтеотдачи.

Таблица 1
Химический состав низколегированных сталей№ составаСодержание химических элементов, мас.%СMnCrSiVAlNNiCuНTiNbFeCa/S10,040,350,480,250,030,0160,0080,020,020,00020,000,00ост0,920,050,400,600,400,090,0200,0080,200,250,00020,000,00ост130,110,500,700,550,060,0350,0080,300,120,00020,000,00ост1,240,120,500,500,800,090,0450,0080,250,150,00020,000,00ост1,550,120,500,500,650,080,0360,0080,250,140,00020,010,05ост1,560,150,650,800,300,080,0350,0080,100,090,00020,000,00ост1,670,120,500,600,940,090,0440,0080,250,280,00040,000,00ост1,580,160,701,000,400,120,0380,0100,350,170,00020,000,00ост1,99 (прототип)0,181,800,800,700,080,0470,0150,340,20-0,000,00ост-

Таблица 2
Механические свойства низколегированных сталей№ составаσ_в, МПаσ_т, МПаδ, %σ_в/σ_тKCU^-40 Дж/см²KCV^-40 Дж/см²KCU^-60 Дж/см²1480390320,81-2502302506430300.85-2402103550470280,85-2201804600517230,86-1571405605512260,85-2001806610540220,89-1101307578530200,92-93818630570210,90-951059 (прототип)930835190,90127--

Таблица 3
Коррозийные характеристики низколегированных сталей№ составаСкорость коррозии в среде NACE Km, мм/годСкорость коррозии в среде H₂S+HCl, Km, мм/годВодородное растрескиваниеПороговое напряжение СКРН σ_th, % от σ_тПороговый коэффициент интенсивности напряжений K_issc, МПа·м^1/2CLR, %CTR, % 10,535,141754320,303,000754530,323,00о804640,503,80о703750,352,90о804360,608,30о703270,514,310,5652380,6419,23165249 (прототип)1,7048,81755517

Таблица 4
Показатели свариваемости низколегированных сталей№ СоставаСэРсм10,200,1020,280,1530,370,2240,350,2350,360,2260,450,2570,380,2580,540,309 (прототип)0,690,37

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к экономнолегированным сталям, предназначенным для изготовления изделий, эксплуатирующихся в агрессивных высокоминерализованных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Предложена низколегированная сталь, содержащая, мас.%: углерод - 0,05-0,15, марганец - 0,40-0,65, хром - 0,50-0,80, кремний - 0,30-0,80, ванадий - 0,04-0,09, алюминий - 0,02-0,05, железо и примеси - остальное. При этом ограничено содержание примесей следующим соотношением, мас.%: азот - не более 0,008, никель - не более 0,30, медь - не более 0,25, водород - не более 0,0002, а общее соотношение кальций/сера должно быть не менее 1. В частном случае предложенная сталь может дополнительно содержать титан и ниобий, но при этом суммарное содержание ванадия, титана и ниобия не должно превышать 0,15 мас.%. Технический результат - создание экономнолегированной стали, имеющей достаточные прочностные показатели и обладающей при этом высокой коррозионной стойкостью, что позволит использовать ее для изготовления труб и соединительных деталей, предназначенных для транспортировки агрессивных сред, в частности, обводненной нефти и пластовой воды, характеризующихся высокой степенью минерализации и содержащих H₂S и СО₂. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Низколегированная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси, отличающаяся следующим соотношением компонентов, мас.%:

Углерод0,05-0,15Марганец0,40-0,65Хром0,50-0,80Кремний0,30-0,80Ванадий0,04-0,09Алюминий0,02-0,05Железо и примесиОстальное

при этом количественное содержание примесей дополнительно ограничено следующим соотношением, мас.%:

АзотНе более 0,008НикельНе более 0,30МедьНе более 0,25ВодородНе более 0,0002

а общее соотношение кальций/сера должно быть не менее 1.