ШТРИПСОВАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ Российский патент 2011 года по МПК C22C38/58 C22C38/54 C22C38/50 C22C38/48 C22C38/46 C22C38/44 

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≤σ_т<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025*σ_т+0,1622 и сталь имеет С_э≤0,43, Р_см≤0,23, δ₅≥19, или при 635≤σ_т<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019*σ_т+0,5417 и сталь имеет С_э≤0,46, Р_см≤0,25, δ₅≥17, или при 705≤σ_т<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014*σ_т+0,8929 и сталь имеет С_э≤0,57, Р_см≤0,26, δ₅≥14, или при σ_т≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034*σ_т-0,6531 и сталь имеет С_э≤0,60, Р_см≤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, С_э - углеродный эквивалент, %, Р_см - коэффициент трещиностойкости, %, δ₅ - относительное удлинение, %, σ_т - 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 σ_т), необходимо, чтобы суммарное содержания марганца и никеля удовлетворяло заявляемым условиям.

Углеродный эквивалент (С_э), коэффициент трещиностойкости (Р_см) и относительное удлинение (δ₅) являются одними из основных регламентируемых (контролируемых) параметров стали, в частности штрипса. В зависимости от требуемой категории прочности (предела текучести σ_т), 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, P_cm=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 С_э, % P_см, % δ₅, % [Mn]+[Ni] (фактическое) σ_т, МПа (фактическое) σ_т, МПа (требуемое) [Mn]+[Ni] (требуемое) [Mn]+[Ni] (расчетное по фактическому σ_m) 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 - - - ^* - С_э и Р_см, рассчитанные по формулам, применяемым в данном изобретении: C_э=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B, P_cm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.

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≤σ_т<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025*σ_т+0,1622, и сталь имеет С_э≤0,43, Р_см≤0,23, δ₅≥19. При 635≤σ_т<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019*σ_т+0,5417 и сталь имеет С_э≤0,46, Р_см≤0,25, δ₅≥17. При 705≤σ_т<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014*σ_т+0,8929, и сталь имеет С_э≤0,57, Р_см≤0,26, δ₅≥14. При σ_т≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034*σ_т-0,6531 и сталь имеет С_э≤0,60, Р_см≤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, С_э - углеродный эквивалент, %, Р_см - коэффициент трещиностойкости, %, δ₅ - относительное удлинение, %, σ_т - 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.

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≤σ_т<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025·σ_т+0,1622 и сталь имеет С_э≤0,43, Р_см≤0,23, δ₅≥19, или при 635≤σ_т<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019·σ_т+0,5417 и сталь имеет С_э≤0,46, Р_см≤0,25, δ₅≥17, или при 705≤σ_т<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014·σ_т+0,8929 и сталь имеет С_э≤0,57, Р_см≤0,26, δ₅≥14, или при σ_т≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034·σ_т-0,6531 и сталь имеет С_э≤0,60, Р_см≤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, С_э - углеродный эквивалент, %, Р_см - коэффициент трещиностойкости, %, δ₅ - относительное удлинение, %, σ_т - 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.