ТОЛСТОЛИСТОВАЯ СТАЛЬ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ТРУБ ИЛИ ТРУБОК, СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОЛИСТОВОЙ СТАЛИ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ТРУБ ИЛИ ТРУБОК И КОНСТРУКЦИОННЫЕ ТРУБЫ ИЛИ ТРУБКИ Российский патент 2019 года по МПК C22C38/14 C21D8/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, в частности, к толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, которая характеризуется прочностью, относящейся к категории API X80 и более, и которая демонстрирует превосходные характеристики по Шарпи в середине толщины даже при толщине листа, составляющей 38 мм и более.

Данное раскрытие изобретения также относится к способу производства толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок и к конструкционным трубе или трубке, произведенным из толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок.

Уровень техники

Для земляных работ в ходе добычи нефти и газа при использовании буровых судов для разработки ресурсов морского дна и тому подобного используют конструкционные трубы или трубки, такие как стальные трубы или трубки направляющих обсадных колонн, стальные трубы или трубки водоотделяющих колонн и тому подобное. Исходя из задач улучшения эксплуатационной эффективности при увеличенном давлении и уменьшения материальных издержек в данных областях применения наблюдается возрастающая потребность в высокопрочных толстостенных стальных трубах или трубках, относящихся к категории не менее, чем American Petroleum Institute (API) X80.

Такие конструкционные трубы или трубки зачастую используют совместно с коваными изделиями, содержащими легирующие элементы в очень больших количествах, (такими как соединительные муфты), подвергаемыми сварке круговым швом. Для кованого изделия, подвергаемого сварке, проводят послесварочную термообработку (ПСТО) для снятия с кованого изделия остаточного напряжения, обусловленного сваркой. В данном случае может возникать проблема ухудшения механических свойств, таких как прочность после термообработки. В соответствии с этим, от конструкционных труб или трубок требуется сохранение превосходных механических свойств, в частности, высокой прочности, в их продольном направлении, то есть, в направлении прокатки, даже после проведения обработки ПСТО в целях предотвращения разрушений во время земляных работ под воздействием внешнего давления на морском дне.

Так, например, в публикации JPH1150188A (ИПЛ 1) предлагается способ производства высокопрочной листовой стали для стальных труб или трубок водоотделяющих колонн, которые могут характеризоваться превосходной прочностью даже после проведения отжига для снятия напряжений (СН), который представляет собой один тип обработки ПСТО, при высокой температуре, составляющей 600°С и более, в результате горячей прокатки стали, к которой добавляют от 0,30% до 1,00% Cr, от 0,005% до 0,0030% Ti и 0,060% и менее Nb, а после этого проведения ускоренного охлаждения.

В дополнение к этому, в документе JP2001158939A (ИПЛ 2) предлагаются сварные стальные труба или трубка, которые имеют участок базовой стали и сварочный металл, имеющие химические составы в конкретных диапазонах и в обоих случаях характеризующиеся пределом текучести при растяжении, составляющим 551 МПа и более. В источнике ИПЛ 2 описывается демонстрация сварными стальными трубой или трубкой превосходной вязкости до и после операции СН в зоне сварки.

Перечень цитирования

Источники патентной литературы

ИПЛ 1: JPH1150188A

ИПЛ 2: JP2001158939A

Сущность изобретения

Техническая проблема, решаемая изобретением

Однако, в листовой стали, описанной в источнике ИПЛ 1, стимулируют выделение карбида Cr во время обработки ПСТО в целях компенсирования уменьшения прочности вследствие обработки ПСТО, что требует добавления большого количества Cr. В соответствии с этим, в дополнение к высоким материальным издержкам могут ухудшаться свариваемость и вязкость.

В дополнение к этому, стальные трубы или трубки, описанные в источнике ИПЛ 2, фокусируются на улучшении характеристик металла сварного шва, не уделяя внимания базовой стали, и неизбежно задействуют уменьшение прочности базовой стали в результате обработки ПСТО. Для обеспечения наличия прочности базовой стали необходимо увеличивать прочность до проведения обработки ПСТО в результате регулируемой прокатки или ускоренного охлаждения.

Таким образом, подходящим для использования могло бы быть предложение в качестве высокопрочной листовой стали, относящейся к категории API X80 и более и имеющей толщину, составляющую 38 мм и более, толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, которая демонстрирует высокую прочность в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, и превосходные характеристики по Шарпи в своей части на середине толщины без добавления больших количеств легирующих элементов.

Подходящим для использования также могло бы быть предложение способа производства описанной выше толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок и конструкционных трубы или трубки, произведенных из толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок.

Пути решения проблемы

Для толстолистовых сталей, имеющих толщину, составляющую 38 мм и более, заявители провели детализированные исследования в отношении воздействия условий проведения прокатки на их микроструктуры в целях определения того, как сбалансировать характеристики по Шарпи в части на середине толщины и прочность. В общем случае на компоненты стали для сварных стальных труб или трубок и листовых сталей для сварных конструкций накладывают строгие ограничения с точки зрения свариваемости. Таким образом, высокопрочные листовые стали, относящиеся к категории Х65 и более, изготавливают в результате проведения горячей прокатки и последующего ускоренного охлаждения. Таким образом, листовая сталь обладает микроструктурой, которая в основном образована из бейнита, или микроструктурой, в которой в бейните формируется мартенситно-аустенитный компонент (сокращенно обозначаемый как МА), тем не менее, по мере увеличения толщины листа было бы неизбежным ухудшение характеристик по Шарпи в части на середине толщины. С учетом вышеизложенного заявители провели интенсивные исследования в отношении микроструктуры, способной продемонстрировать превосходные характеристики по Шарпи в части на середине толщины, и в результате пришли к следующим далее открытиям:

(а) Для улучшения характеристик по Шарпи в части на середине толщины эффективным является измельчение микроструктуры стали. Таким образом, необходимо увеличивать общую степень обжатия в ходе прокатки в нерекристаллизационной области.

(b) C другой стороны, в случае чрезмерно низкой температуры начала охлаждения доля площади поверхности феррита увеличится до 50% и более, а прочность уменьшится. Таким образом, необходимо задавать высокую температуру начала охлаждения.

На основании вышеизложенных открытий заявители провели интенсивные исследования в отношении химических составов и микроструктур стали, а также в отношении условий производства и реализовали настоящее раскрытие изобретения.

Говоря конкретно, основные признаки настоящего раскрытия изобретения соответствуют представленному ниже описанию изобретения.

1. Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, имеющая: химический состав, который содержит (состоит из) в мас.%: С: от 0,030% до 0,100%, Si: от 0,01% до 0,50%, Mn: от 1,50% до 2,50%, Al: 0,080% и менее, Мо: от 0,05% до 0,50%, Ti: от 0,005% до 0,025%, Nb: от 0,005% до 0,080%, N: от 0,001% до 0,010%, O: 0,0050% и менее, Р: 0,010% и менее, S: 0,0010% и менее и неизбежные примеси остальное, при этом химический состав характеризуется углеродным эквивалентом С_экв., определенным согласно следующему далее выражению (1) составляющим 0,42 и более:

С_экв. = С + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5 (1),

где символ каждого элемента указывает на уровень содержания в мас.% элемента в листовой стали и имеет значение 0 при отсутствии элемента в листовой стали; и микроструктуру в середине толщины толстолистовой стали, которая в основном является двухфазной микроструктурой из феррита и бейнита, образованной из бейнита при доле площади поверхности феррита, составляющей менее, чем 50%, и которая содержит ферритные зерна, характеризующиеся размером зерна, составляющим 15 мкм и менее, на площади поверхности, составляющей 80% и более по отношению к совокупной площади поверхности феррита, причем листовая сталь удовлетворяет набору условий, включающему: предел прочности при растяжении, составляющий 620 МПа и более; и поглощенную энергию по Шарпи vE_-20°С при -20°С в середине толщины, составляющую 100 Дж и более.

2. Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, соответствующая позиции 1, где химический состав, кроме того, содержит в мас.%

V: от 0,005% до 0,100%.

3. Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, соответствующая позициям 1 или 2, где химический состав, кроме того, содержит в мас.% один или нескольких компонентов, выбираемых из группы, состоящей из Cu: 0,50% и менее, Ni: 0,50% и менее, Cr: 0,50% и менее, Ca: от 0,0005% до 0,0035%, РЗМ: от 0,0005% до 0,0100% и В: 0,0020% и менее.

4. Способ производства толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, включающий, по меньшей мере: нагревание материала исходной стали, имеющего химический состав в соответствии с любой из позиций от 1 до 3, до температуры нагревания в диапазоне от 1100°С до 1300°С; горячую прокатку нагретого материала исходной стали при общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее, составляющей 70% и более, для получения горячекатаной листовой стали; ускоренное охлаждение горячекатаной листовой стали при наборе условий, включающих температуру начала охлаждения, составляющую не менее, чем 650°С, температуру конца охлаждения, составляющую менее, чем 400°С, и среднюю скорость охлаждения, составляющую 5°С/сек и более.

5. Способ производства толстостенной стали для конструкционных труб или трубок, соответствующий позиции 4 и включающий, кроме того, непосредственно после ускоренного охлаждения повторное нагревание листовой стали до диапазона температур от 400°С до 550°С при скорости нагревания в диапазоне от 0,5°С/сек до 10°С/сек.

6. Конструкционные труба или трубка, сформованные из толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок в соответствии с любой одной из позиций от 1 до 3.

7. Конструкционные труба или трубка, получаемые в результате формования из листовой стали для конструкционных труб или трубок в соответствии с любой одной из позиций от 1 до 3 трубчатого профиля в ее продольном направлении, а после этого соединения стыковых лицевых поверхностей в результате сварки изнутри и снаружи для получения, по меньшей мере, одного слоя на каждой стороне вдоль продольного направления.

Преимущества изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложена высокопрочная листовая сталь, относящаяся к категории API X80 и более, для конструкционных труб или трубок, которая демонстрирует высокую прочность в направлении прокатки и превосходные характеристики по Шарпи в середине толщины без добавления больших количеств легирующих элементов, и конструкционные трубы или трубки, сформованные из листовой стали для конструкционных труб или трубок. В соответствии с использованием в настоящем документе термин «толстый» обозначает толщину листа, составляющую 38 мм и более.

Подробное описание изобретения

Химический состав

Ниже будут разъясняться обоснования для ограничений, накладываемых на признаки изобретения.

В настоящем раскрытии изобретения важным является наличие у толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок конкретного химического состава. Сначала разъясняются обоснования для ограничений, накладываемых на химический состав стали в соответствии с представленным выше указанием изобретения. Приведенные ниже в %, указывающие на химический состав, являются мас.%, если только не будет указываться на другое.

С: от 0,030% до 0,100%

С представляет собой элемент для увеличения прочности стали. При получении желательной микроструктуры для желательных прочности и вязкости уровень содержания С должен составлять 0,030% и более. Однако, если уровень содержания С превышает 0,100% ухудшится свариваемость, имеет место тенденция к растрескиванию сварного шва, и уменьшатся вязкость базовой стали и вязкость в зоне ЗТВ. Поэтому уровень содержания С задают 0,100% и менее. Уровень содержания С предпочтительно находится в диапазоне от 0,050% до 0,080%.

Si: от 0,01% до 0,50%

Si представляет собой элемент, который исполняет функцию раскислителя и увеличивает прочность материала стали в результате твердорастворного упрочнения. Для получения данного эффекта уровень содержания Si задают 0,01% и более. Однако, уровень содержания Si, составляющий более, чем 0,50%, вызывает ощутимое ухудшение вязкости в зоне ЗТВ. Поэтому уровень содержания Si задают составляющим 0,50% и менее. Уровень содержания Si предпочтительно находится в диапазоне от 0,05% до 0,20%.

Mn: от 1,50% до 2,50%

Mn представляет собой эффективный элемент для увеличения прокаливаемости стали и улучшения прочности и вязкости. Для получения данного эффекта уровень содержания Mn задают 1,50% и более. Однако, уровень содержания Mn, составляющий более, чем 2,50%, вызывает ухудшение свариваемости. Поэтому уровень содержания Mn задают составляющим 2,50% и менее. Уровень содержания Mn предпочтительно находится в диапазоне от 1,80% до 2,00%.

Al: 0,080% и менее

Al представляет собой элемент, который добавляют в качестве раскислителя при производстве стали. Однако, уровень содержания Al, составляющий более, чем 0,080%, приводит к получению уменьшенной вязкости. Поэтому уровень содержания Al задают 0,080% и менее. Уровень содержания Al предпочтительно находится в диапазоне от 0,010% до 0,050%.

Мо: от 0,05% до 0,50%

Мо является особенно важным элементом для настоящего изобретения, функция которого заключается в значительном увеличении прочности листовой стали в результате образования тонкодисперсных комплексных карбидов совместно с Ti, Nb и V при одновременном подавлении перлитного превращения во время охлаждения после горячей прокатки. Для достижения данного эффекта уровень содержания Мо задают 0,05% и более. Однако, уровень содержания Мо, составляющий более, чем 0,50%, приводит к получению уменьшенной вязкости в зоне термического воздействия (ЗТВ). Поэтому уровень содержания Мо задают составляющим 0,50% и менее.

Ti: от 0,005% до 0,025%

Тем же самым образом, как и Мо, Ti представляет собой особенно важный элемент для настоящего изобретения, который образует комплексные выделения совместно с Мо и вносит значительный вклад в улучшение прочности стали. Для получения данного эффекта уровень содержания Ti задают 0,005% и более. Однако, добавление Ti сверх 0,025% приводит к ухудшению вязкости в зоне ЗТВ и вязкости базовой стали. Поэтому уровень содержания Ti задают составляющим 0,025% и менее.

Nb: от 0,005% до 0,080%

Nb представляет собой эффективный элемент для улучшения вязкости в результате измельчения зерен микроструктуры. В дополнение к этому, Nb образует композитные выделения совместно с Мо и вносит свой вклад в улучшение прочности. Для получения данного эффекта уровень содержания Nb задают составляющим 0,005% и более. Однако, уровень содержания Nb, составляющий более, чем 0,080%, вызывает ухудшение вязкости в зоне ЗТВ. Поэтому уровень содержания Nb задают составляющим 0,080% и менее.

N: от 0,001% до 0,010%

N обычно присутствует в стали в качестве неизбежной примеси и в присутствии Ti образует TiN. Для подавления огрубления аустенитных зерен, обусловленного эффектом пиннинга TiN, уровень содержания N задают составляющим 0,001% и более. Однако, TiN разлагается в зоне сварки, в частности, в области, нагретой до 1450°С и более, поблизости от сварного соединения и приводит к получению N в виде растворенного компонента. В соответствии с этим, в случае избыточного увеличения уровня содержания N станет ощутимым уменьшение вязкости вследствие образования N в виде растворенного компонента. Поэтому уровень содержания N задают составляющим 0,010% и менее. Уровень содержания N более предпочтительно находится в диапазоне от 0,002% до 0,005%.

О: 0,0050% и менее, Р: 0,010% и менее, S: 0,0010% и менее

В настоящем изобретении О, Р и S представляют собой неизбежные примеси, и верхний предел для уровней содержания данных элементов определяют следующим далее образом. О образует грубые кислородные включения, которые оказывают неблагоприятное воздействие на вязкость. Для подавления воздействия включений уровень содержания О задают составляющим 0,0050% и менее. В дополнение к этому, Р уменьшает вязкость базового металла при осевой ликвации, и высокий уровень содержания Р вызывает появление проблемы, связанной с уменьшенной вязкостью базового металла. Поэтому уровень содержания Р задают составляющим 0,010% и менее. В дополнение к этому, S образует включения MnS и уменьшает вязкость базового металла, и высокий уровень содержания S вызывает появление проблемы, связанной с уменьшенной вязкостью базового материала. Поэтому уровень содержания S задают составляющим 0,0010% и менее. В данном случае необходимо отметить то, что уровень содержания О предпочтительно составляет 0,0030% и менее, уровень содержания Р предпочтительно составляет 0,008% и менее, а уровень содержания S предпочтительно составляет 0,0008% и менее. Какого-либо нижнего предела для уровней содержания О, Р и S не устанавливают, тем не менее, с точки зрения промышленности нижний предел составляет более, чем 0%. С другой стороны, избыточное уменьшение уровней содержания данных элементов приводит к более продолжительному времени измельчения и увеличенным издержкам. Поэтому уровень содержания О составляет 0,0005% и более, уровень содержания Р составляет 0,001% и более, а уровень содержания S составляет 0,0001% и более.

В дополнение к вышеупомянутым элементам толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, раскрытых в настоящем документе, может содержать V: от 0,005% до 0,100%.

V: от 0,005% до 0,100%

Тем же самым образом, как и Nb, V образует композитные выделения совместно с Мо и вносит свой вклад в улучшение прочности. Для получения данного эффекта в случае добавления V уровень содержания V будет составлять 0,005% и более. Однако, уровень содержания V, составляющий более, чем 0,100%, вызывает ухудшение вязкости в зоне ЗТВ. Поэтому в случае добавления V уровень содержания V будут задавать составляющим 0,100% и менее.

В дополнение к вышеупомянутым элементам толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок может содержать Cu: 0,50% и менее, Ni: 0,50% и менее, Cr: 0,50% и менее, Ca: от 0,0005% до 0,0035%, РЗМ: от 0,0005 до 0,0100% и В: 0,0020% и менее.

Cu: 0,50% и менее

Cu представляет собой эффективный элемент для улучшения вязкости и прочности, тем не менее, избыточное добавление Cu приводит к ухудшению свариваемости. Поэтому в случае добавления Cu уровень содержания Cu будет составлять 0,50% и менее. Какого-либо нижнего предела для уровня содержания Cu не устанавливают, тем не менее, в случае добавления Cu, уровень содержания Cu предпочтительно будет составлять 0,05% и более.

Ni: 0,50% и менее

Ni представляет собой эффективный элемент для улучшения вязкости и прочности, тем не менее, избыточное добавление Ni приводит к ухудшению стойкости к обработке ПСТО. Поэтому в случае добавления Ni уровень содержания Ni будет составлять 0,50% и менее. Какого-либо нижнего предела для уровня содержания Ni не задают, тем не менее, в случае добавления Ni уровень содержания Ni предпочтительно будет составлять 0,05% и более.

Cr: 0,50% и менее

Тем же самым образом, как и Mn, Cr представляет собой эффективный элемент для получения достаточной прочности даже при низком уровне содержания C, тем не менее, избыточное добавление приводит к ухудшению свариваемости. Поэтому в случае добавления Cr уровень содержания Cr будет составлять 0,50% и менее. Какого-либо нижнего предела для уровня содержания Cr не устанавливают, тем не менее, в случае добавления Cr, уровень содержания Cr предпочтительно будет составлять 0,05% и более.

Ca: от 0,0005% до 0,0035%

Са представляет собой эффективный элемент для улучшения вязкости в результате регулирования морфологии сульфидных включений. Для получения данного эффекта в случае добавления Са уровень содержания Са будет составлять 0,0005% и более. Однако, добавление Са сверх 0,0035% не приводит к улучшению данного эффекта, а вместо этого вызывает ухудшение степени беспримесности стали, что становится причиной ухудшения вязкости. Поэтому в случае добавления Са уровень содержания Са будут задавать составляющим 0,0035% и менее.

РЗМ: от 0,0005% до 0,0100%

Тем же самым образом, как и Са, РЗМ (редкоземельный металл) представляет собой эффективный элемент для улучшения вязкости в результате регулирования морфологии сульфидных включений в сталь. Для получения данного эффекта в случае добавления РЗМ уровень содержание РЗМ будет составлять 0,0005% и более. Однако, избыточное добавление РЗМ сверх 0,0100% не приводит к улучшению данного эффекта, но вместо этого приводит к ухудшению степени беспримесности стали, что становится причиной ухудшения вязкости. Поэтому содержание РЗМ задают 0,0100% и менее.

В: 0,0020% и менее

В ликвирует на границах аустенитных зерен и подавляет ферритное превращение, тем самым, внося свой вклад, в частности, в предотвращение уменьшения прочности в зоне ЗТВ. Однако, добавление в сверх 0,0020% не приводит к улучшению данного эффекта. Поэтому в случае добавления В уровень содержания В будет составлять 0,0020% и менее. Какого-либо нижнего предела для уровня содержания В не задают, тем не менее, в случае добавления В уровень содержания В предпочтительно будет составлять 0,0002% и более.

Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, раскрытая в настоящем документе, состоит из описанных выше компонентов и остальное составляют Fe и неизбежные примеси. В соответствии с использованием в настоящем документе фраза «состоит из ... остальное Fe и неизбежные примеси» предназначена для охватывания химического состава, который содержит неизбежные примеси и другие следовые элементы, в количествах, которые не будут ухудшать действие и эффект настоящего изобретения.

В настоящем изобретении важно, чтобы все элементы, содержащиеся в стали, удовлетворяли бы описанным выше условиям, и чтобы химический состав характеризовался бы углеродным эквивалентом С_экв., составляющим 0,42 и более, где С_экв. определяют в виде:

С_экв. = С + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5, (1)

где каждый символ элемента указывает на уровень содержания в мас.% элемента в листовой стали и имеет значение 0 при отсутствии элемента в листовой стали.

С_экв. выражают через уровень содержания углерода, представляющий воздействие элементов, добавленных к стали, что обычно используют в качестве показателя прочности, поскольку он коррелирует с прочностью базового металла. В настоящем раскрытии изобретения для получения высокой прочности, относящейся к категории API X80 и более, С_экв. задают составляющим 0,42 и более. С_экв. предпочтительно составляет 0,43 и более. Какого-либо верхнего предела для С_экв. не устанавливают, тем не менее, предпочтительный верхний предел составляет 0,50.

Микроструктура в середине толщины

Далее описываются обоснования для ограничений, накладываемых на микроструктуру стали в соответствии с изобретением.

В настоящем изобретении важным является наличие у листовой стали в середине толщины микроструктуры, которая является двухфазной микроструктурой из феррита и бейнита при доле площади поверхности феррита, составляющей менее, чем 50%, и которая содержит ферритные зерна, характеризующиеся размером зерна, составляющим 15 мкм и менее, на площади поверхности, составляющей 80% и более по отношению к совокупной площади поверхности феррита. Регулирование микроструктуры данным образом делает возможным обеспечение наличия характеристик по Шарпи в части на середине толщины при одновременном достижении высокой прочности, относящейся к категории API X80. В случае толстолистовой стали, характеризующейся толщиной листа, составляющей 38 мм и менее, и соответствующей раскрытию изобретения, при удовлетворении данным условиям для микроструктуры в середине толщины листа, считается, что получающаяся в результате микроструктура будет удовлетворять условиям для микроструктуры по существу во всей области в направлении толщины листа, и могут быть получены эффекты настоящего раскрытия изобретения.

В соответствии с использованием в настоящем документе фраза «двухфазная микроструктура из феррита и бейнита» относится к микроструктуре, которая по существу состоит только из феррита и бейнита, тем не менее, в случае, если не будут ухудшаться действие и эффект настоящего раскрытия изобретения, охватываемыми объемом изобретения, то предполагает наличие микроструктуры, содержащей и другие компоненты микроструктуры. Говоря конкретно, совокупная доля площади поверхности феррита и бейнита в микроструктуре стали предпочтительно составляет 90% и более, а более предпочтительно 95% и более. Говоря конкретно, совокупная доля площади поверхности феррита и бейнита в микроструктуре стали предпочтительно составляет 90% и более, а более предпочтительно 95% и более. С другой стороны, совокупная доля площади поверхности феррита и бейнита в желательном случае является по возможности наибольшей при отсутствии какого-либо конкретного верхнего предела. Доля площади поверхности бейнита может составлять 100%.

Количество компонентов микроструктуры, отличных от феррита и бейнита, предпочтительно является по возможности наименьшей. Однако, в случае достаточно большой доли площади поверхности феррита и бейнита воздействие остаточных компонентов микроструктуры будет почти что пренебрежимо малым, и приемлемая совокупная доля площади поверхности одного или нескольких компонентов микроструктуры, отличных от феррита и бейнита, в микроструктуре доходит вплоть до 10%. Предпочтительная совокупная доля площади поверхности данных компонентов микроструктуры, отличных от феррита, доходит вплоть до 5%. Примеры остаточных компонентов микроструктуры включают перлит, цементит, мартенсит и мартенситно-аустенитный компонент.

В дополнение к этому, доля площади поверхности феррита в микроструктуре в середине толщины листа должна составлять менее, чем 50%. Доля площади поверхности феррита предпочтительно составляет 40% и менее. С другой стороны, хотя какого-либо нижнего предела для доли площади поверхности феррита не устанавливают, тем не менее, предпочтительный нижний предел составляет 5%.

Кроме того, для обеспечения наличия характеристик по Шарпи в середине толщины листовой стали необходимым является наличие в микроструктуре в середине толщины ферритных зерен, имеющих размер зерна, составляющий 15 мкм и менее, на площади поверхности, составляющей 80% и более по отношению к совокупной площади поверхности феррита. Доля площади поверхности ферритных зерен, характеризующихся размером зерна, составляющим 15 мкм и менее, предпочтительно является по возможности наибольшей при отсутствии какого-либо конкретного верхнего предела и может составлять 100%.

Доля площади поверхности феррита и бейнита и размер ферритного зерна могут быть определены в результате зеркальной полировки образца для испытаний, отобранного из части в середине толщины (местоположения на половине толщины листа), травления его поверхности при использовании ниталя и рассматривания пяти и более областей, случайным образом выбранных на поверхности, при использовании сканирующего электронного микроскопа (при увеличении в 1000 раз). В данном раскрытии изобретения в качестве размера зерна используют радиус эквивалентного круга.

Механические свойства

Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, раскрытая в настоящем документе, обладает механическими свойствами, включающими: предел прочности при растяжении, составляющий 620 МПа и более; и поглощенную энергию по Шарпи vE_{- 20°С} при - 20°С в середине толщины, составляющую 100 Дж и более. В данном отношении предел прочности при растяжении и поглощенная энергия по Шарпи могут быть измерены при использовании метода, описанного в примерах, разъясненных ниже. Какого-либо верхнего предела для предела прочности при растяжении не устанавливают, тем не менее, один пример верхнего предела составляет 825 МПа и менее для категории Х80 и 990 МПа и менее для категории Х100. Подобным образом, на верхний предел для значения vE_{- 20°С} также каких-либо конкретных ограничений не накладывают, тем не менее, он обычно составляет 500 Дж и менее.

Способ производства листовой стали

Далее описывается способ производства листовой стали, соответствующий настоящему изобретению. Как это предполагается в следующем далее разъяснении, температурой является средняя температура в направлении толщины листовой стали, если только не будет указываться на другое. Средняя температура в направлении толщины листа может определяться, например, толщиной листа, температурой поверхности или условиями охлаждения в результате проведения моделирующего вычисления и тому подобного. Например, средняя температура в направлении толщины листа для листовой стали может быть определена в результате вычисления распределения температуры в направлении толщины листа при использовании метода конечных разностей.

Толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, раскрытая в настоящем документе, может быть произведена в результате последовательного проведения представленных ниже операций от (1) до (3) в отношении материала исходной стали, имеющего представленный выше химический состав. В дополнение к этому, может быть проведена необязательная операция (4).

(1) нагревание материала исходной стали до температуры нагревания в диапазоне от 1100°С до 1300°С;

(2) горячая прокатка нагретого материала стали при общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее составляющей 70% и более для получения горячекатаной листовой стали;

(3) ускоренное охлаждение горячекатаной листовой стали при наборе условий, включающем температуру начала охлаждения, составляющую не менее, чем 650°С, температуру конца охлаждения, составляющую менее, чем 400°С, и среднюю скорость охлаждения, составляющую 5°С/сек и более;

(4) непосредственно после ускоренного охлаждения повторное нагревание листовой стали до температуры от 400°С до 550°С при скорости нагревания в диапазоне от 0,5°С/сек до 10°С/сек.

Говоря конкретно, описанные выше операции могут быть проведены в соответствии с представленным ниже описанием изобретения.

Материал исходной стали

Описанный выше материал исходной стали может быть получен при использовании обычного способа. На способ производства материала исходной стали каких-либо конкретных ограничений не накладывают, тем не менее, материал исходной стали предпочтительно получают в результате непрерывной разливки.

Нагревание

Материал исходной стали перед прокаткой нагревают. В данное время температуру нагревания задают в диапазоне от 1100°С до 1300°С. Задание температуры нагревания составляющей 1100°С и более делает возможными стимулирование растворение карбидов в материале исходной стали и получение целевой прочности. Температуру нагревания предпочтительно задают составляющей 1120°С и более. Однако, температура нагревания, составляющая более, чем 1300°С, приводит к огрублению аустенитных зерен и конечной микроструктуры стали, что вызывает ухудшение вязкости. Поэтому температуру нагревания задают составляющей 1300°С и менее. Температуру нагревания предпочтительно задают составляющей 1250°С и менее.

Горячая прокатка

После этого нагретый материал исходной стали подвергают прокатке для получения горячекатаной листовой стали. В данный момент в случае общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°C и менее, составляющей менее, чем 70%, невозможным будет оптимизирование микроструктуры в середине толщины листовой стали после прокатки. Поэтому общую степень обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее задают составляющей 70% и более. Какого-либо верхнего предела для общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее не устанавливают, тем не менее, обычный верхний предел составляет 90%. На температуру окончания прокатки каких-либо ограничений не накладывают, тем не менее, исходя из задач обеспечения наличия общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее в соответствии с представленным выше описанием изобретения предпочтительная температура окончания прокатки составляет 780°С и менее, а более предпочтительно 760°С и менее. В дополнение к этому, для обеспечения наличия температуры начала охлаждения в соответствии с представленным выше описанием изобретения температуру окончания прокатки предпочтительно задают составляющей 700°С и более, а более предпочтительно 720°С и более.

Ускоренное охлаждение

После завершения горячей прокатки горячекатаную листовую сталь подвергают воздействию ускоренному охлаждению. В данное время в случае температуры начала ускоренного охлаждения, составляющей менее, чем 650°С, количество феррита увеличится до 50% и более, что будет стимулировать большое уменьшение прочности. Поэтому температуру начала охлаждения задают составляющей 650°С и более. Исходя из задач обеспечения наличия определенной доли площади поверхности феррита температура начала охлаждения предпочтительно составляет 680°С и более. С другой стороны, какого-либо верхнего предела для температуры начала охлаждения не определяют, тем не менее, предпочтительный верхний предел составляет 780°С.

С другой стороны, в случае избыточно высокой температуры окончания охлаждения превращение в бейнит не будет протекать в достаточной степени, и образуется большое количество перлита или мартенситно-аустенитного компонента, что может оказать неблагоприятное воздействие на вязкость. Поэтому температуру окончания охлаждения задают составляющей менее, чем 400°С. Какого-либо нижнего предела для температуры конца охлаждения не определяют, тем не менее, предпочтительный нижний предел составляет 200°С.

В дополнение к этому, в случае избыточно низкой скорости охлаждения превращение в бейнит не будет протекать в достаточной степени, и образуется большое количество перлита, что может оказать неблагоприятное воздействие на вязкость. Поэтому среднюю скорость охлаждения задают составляющей 5°С/сек и более. Какого-либо верхнего предела для средней скорости охлаждения не устанавливают, тем не менее, предпочтительный верхний предел составляет 25°С/сек.

Повторное нагревание

После завершения ускоренного охлаждения может быть проведено повторное нагревание. Даже в случае низкой температуры конца ускоренного охлаждения и производства большого количества полученной в результате низкотемпературного превращения микроструктуры, отличной от микроструктуры бейнита, такой как в случае мартенсита, проведение повторного нагревания и отпуска сделает возможным обеспечение наличия конкретной вязкости. В случае проведения повторного нагревания повторное нагревание будут осуществлять, непосредственно после ускоренного охлаждения, до температурного диапазона от 400°С до 550°С при скорости нагревания в диапазоне 0,5°С/сек до 10°С/сек. В соответствии с использованием в настоящем документе фраза «непосредственно после ускоренного охлаждения» относится к началу повторного нагревания при скорости нагревания в диапазоне от 0,5°С/сек до 10°С/сек в течение 120 секунд после завершения ускоренного охлаждения.

При использовании вышеупомянутого способа возможным является производство толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, которая характеризуется прочностью, относящейся к категории API X80 и более, и которая демонстрирует превосходные характеристики по Шарпи в своей части на середине толщины. В соответствии с представленным выше описанием изобретения толстолистовая сталь для конструкционных труб или трубок, раскрытая в настоящем документе, предполагается имеющей толщину листа, составляющую 38 мм и более. Несмотря на отсутствие какого-либо верхнего предела для толщины листа предпочтительная толщина листа составляет 60 мм и менее, поскольку может оказаться затруднительным удовлетворение условиям производства, описанным в настоящем документе, в случае толщины листа, составляющей более, чем 60 мм.

Стальные труба или трубка

Стальные труба или трубка могут быть произведены при использовании листовой стали, полученной, таким образом, в качестве материала. Стальные труба или трубка могут быть, например, конструкционными трубой или трубкой, которые могут быть получены в результате формования из толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок трубчатого профиля в ее продольном направлении, а после этого соединения стыковых лицевых поверхностей в результате сварки. Способ производства стальных трубы или трубки не ограничивается каким-либо конкретным способом, и может быть использован любой способ. Например, стальные труба или трубка способа UOE, т.е. предварительное формование - окончательное формование - экспандирование, могут быть получены в результате формования из листовой стали трубчатого профиля в ее продольном направлении при использовании пресса для придания листу U-образной формы и пресса для придания листу О-образной формы в соответствии с обычным способом, а после этого соединения стыковых лицевых поверхностей в результате шовной сварки. Предпочтительно шовную сварку проводят в результате осуществления сварки прихваточным швом, а впоследствии дуговой сварки под флюсом изнутри и снаружи для получения одного слоя на каждой стороне. Флюс, использующийся для дуговой сварки под флюсом, не ограничивается каким-либо конкретным типом и может являться плавленым флюсом или керамическим флюсом. После шовной сварки проводят экспандирование для снятия остаточного напряжения при сварке и улучшения правильности круглой формы стальных трубы или трубки. При экспандировании степень экспандирования (соотношение между величиной изменения внешнего диаметра до и после экспандирования трубы или трубки и внешним диаметром трубы или трубки до экспандирования) обычно задают в диапазоне от 0,3% до 1,5%. С точки зрения баланса между эффектом улучшения правильной круглой формы и производительностью, требуемой для экспандирующего устройства, степень экспандирования предпочтительно находится в диапазоне от 0,5% до 1,2%. Вместо вышеупомянутого способа UOE для формования стальных трубы или трубки, имеющих по существу круглое поперечное сечение, до проведения шовной сварки тем же самым образом, как и в описанном выше способе UOE, может быть использован способ изгибания в прессе, который является способом последовательного формования при неоднократном осуществлении трехточечного изгибания листовой стали. В случае способа изгибания в прессе, как и в способе UOE, после шовной сварки может быть проведено экспандирование. При экспандировании степень экспандирования (соотношение между величиной изменения внешнего диаметра до и после экспандирования трубы или трубки и внешним диаметром трубы или трубки до экспандирования) обычно задают в диапазоне от 0,3% до 1,5%. С точки зрения баланса между эффектом улучшения правильной круглой формы и производительностью, требуемой для экспандирующего устройства, степень экспандирования предпочтительно находится в диапазоне от 0,5% до 1,2%. Необязательно может быть проведено предварительное нагревание до сварки или термической обработки после сварки.

Примеры

Стали, имеющие химические составы, представленные в таблице 1, (в каждом случае остальное состоит из Fe и неизбежных примесей) получали в результате производства стали и в результате непрерывной разливки из них формовали слябы. Полученные слябы использовали в качестве материала исходного сырья для производства листовых сталей, имеющих толщину в диапазоне от 38 мм до 51 мм. Для каждой полученной листовой стали оценивали долю площади поверхности феррита и бейнита в микроструктуре и механические свойства в соответствии с представленным ниже описанием изобретения. Результаты оценки представлены в таблице 3.

Долю площади поверхности феррита и бейнита оценивали в результате зеркальной полировки образца для испытаний, отобранного из части на середине толщины, травления его поверхности при использовании ниталя и рассматривания пяти и более областей, случайным образом выбранных на поверхности, при использовании сканирующего электронного микроскопа (при увеличении в 1000 раз).

В числе механических свойств измеряли 0,5%-ный предел текучести при растяжении (YS) и предел прочности при растяжении (TS) в результате получения образцов для испытаний с полной толщиной, отобранных из каждой полученной толстолистовой стали в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, а после этого проведения испытания на растяжение в отношении каждого образца для испытаний в соответствии с документом JIS Z 2241 (1998).

Что касается характеристик по Шарпи в числе механических свойств, то из части на середине толщины отбирали три образца для испытаний по Шарпи с V-образным надрезом в 2 мм при параллельности их продольного направления направлению прокатки и образцы для испытаний подвергали испытанию на удар по Шарпи при -20°С (vE_-20°C) для получения поглощенной энергии vE_-20°C и рассчитывали средние значения.

Для оценки вязкости в зоне термического воздействия (ЗТВ) получали образец для испытаний, который подвергали воздействию термического гистерезиса в соответствии с подводом тепла в диапазоне от 40 кДж/см до 100 кДж/см при использовании аппаратуры для воспроизведения термических циклов сварки и испытанию на удар по Шарпи. Измерения проводили тем же самым образом, как и при оценке описанной выше поглощенной энергии по Шарпи при - 20°С, и случай поглощенной энергии по Шарпи при - 20°С, составляющей 100 Дж и более, оценивали как «хороший», а соответствующий случай при менее, чем 100 Дж - как «плохой».

Кроме того, для оценки стойкости к обработке ПСТО обработку ПСТО проводили в отношении каждой листовой стали при использовании печи с газовой атмосферой. В данное время для каждой листовой стали проводили термическую обработку при 600°С в течение 2 часов, после чего листовую сталь удаляли из печи и охлаждали до комнатной температуры в результате воздушного охлаждения. Для каждой листовой стали, подвергнутой обработке ПСТО, проводили измерение значений 0,5% YS, TS и vE_{- 20°C} тем же самым образом, как и при описанных выше измерениях до обработки ПСТО.

Как это можно видеть исходя из таблицы 3, примеры (№№ от 1 до 7), которые удовлетворяют условиям, раскрытым в настоящем документе, демонстрируют превосходные механические свойства до и после проведения обработки ПСТО. В противоположность этому, сравнительные примеры (№№ от 8 до 18), которые не удовлетворяют условиям, раскрытым в настоящем документе, демонстрировали неудовлетворительные механические свойства до и/или после проведения обработки ПСТО. Например, №№ от 8 до 12 демонстрировали неудовлетворительные прочность базового металла и характеристики по Шарпи несмотря на удовлетворение их диапазонов композиций сталей условиям настоящего раскрытия изобретения. В их числе для № 9 характеристики по Шарпи рассматриваются как ухудшенные вследствие низкой общей степени обжатия во время прокатки при 800°С и менее и, в соответствии с этим, уменьшенной доли площади поверхности ферритных зерен, характеризующихся размером зерна, составляющим 15 мкм и менее. Для № 10 микроструктура листовой стали содержала феррит при доле площади поверхности, составляющей более, чем 50%, что рассматривается в качестве причины уменьшенной прочности базового металла. №№ от 13 до 18 демонстрировали неудовлетворительность по меньшей мере, одного представителя, выбираемого из прочности базового металла, характеристик по Шарпи и вязкости в зоне ЗТВ, вследствие выхода их диапазонов композиций сталей за пределы диапазона настоящего раскрытия изобретения.

Применимость в промышленности

В соответствии с настоящим изобретением возможным является создание высокопрочной листовой стали, относящейся к категории API X80 и более и имеющей толщину, составляющую 38 мм и более, в частности толстолистовой стали для конструкционных труб или трубок, которая демонстрирует высокую прочность в направлении прокатки и превосходные характеристики по Шарпи в середине толщины без добавления больших количеств легирующих элементов, и конструкционных трубы или трубки, сформованных из толстолистовой стали для конструкционных трубы или трубки. Конструкционные труба или трубка сохраняют превосходные механические свойства даже после проведения обработки ПСТО и, таким образом, являются чрезвычайно подходящими для использования в качестве конструкционных трубы или трубки для стальных трубы или трубки направляющих обсадных колонн, стальных трубы или трубки водоотделяющих колонн и тому подобного.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной толстолистовой стали, имеющей толщину 38 мм или более, для изготовления конструкционных труб. Сталь имеет химический состав, содержащий в мас.%: С: от 0,030 до 0,100, Si: от 0,01 до 0,50, Mn: от 1,50 до 2,50, Al: 0,080 и менее, Мо: от 0,05 до 0,50, Ti: от 0,005 до 0,025, Nb: от 0,005 до 0,080, N: от 0,001 до 0,010, O: 0,0050 и менее, Р: 0,010 и менее, S: 0,0010 и менее, Fe и неизбежные примеси - остальное. Химический состав характеризуется углеродным эквивалентом С_экв, составляющим 0,42 и более. Микроструктуру в середине толщины толстолистовой стали представляет собой двухфазную микроструктуру из феррита и бейнита при доле площади поверхности феррита, составляющей менее чем 50%. Микроструктура содержит ферритные зерна, имеющие размер зерна, составляющий 15 мкм и менее, на площади поверхности, составляющей 80% и более по отношению к совокупной площади поверхности феррита. Сталь имеет высокую прочность, составляющую 620-825 МПа и превосходные характеристики ударной вязкости по Шарпи vE_–20°С при –20°С в середине толщины, составляющей 100 Дж или более. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Толстолистовая сталь для конструкционных труб, имеющая химический состав, который содержит в мас.%:

С: от 0,030 до 0,100,

Si: от 0,01 до 0,50,

Mn: от 1,50 до 2,50,

Al: 0,080 и менее,

Мо: от 0,05 до 0,50,

Ti: от 0,005 до 0,025,

Nb: от 0,005 до 0,080,

N: от 0,001 до 0,010,

O: 0,0050 и менее

Р: 0,010 и менее,

S: 0,0010 и менее и

Fe и неизбежные примеси - остальное,

при этом химический состав характеризуется углеродным эквивалентом С_экв, составляющим 0,42 и более, и который определяется в соответствии с выражением (1)

С_экв. = С + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5 (1),

где символ каждого элемента указывает на уровень содержания в мас.% элемента в листовой стали и имеет значение 0 при отсутствии элемента в листовой стали; и

микроструктуру в середине толщины толстолистовой стали, которая является двухфазной микроструктурой из феррита и бейнита при доле площади поверхности феррита, составляющей менее чем 50%, и которая содержит ферритные зерна, имеющие размер зерна, составляющий 15 мкм и менее, на площади поверхности, составляющей 80% и более по отношению к совокупной площади поверхности феррита, причем

толщина толстолистовой стали составляет 38 мм и более и

листовая сталь удовлетворяет следующим условиям:

предел прочности при растяжении составляет 620 МПа и более и 825 МПа и менее; и

поглощенная энергия по Шарпи vE_–20°С при –20°С в середине толщины составляет 100 Дж и более.

2. Толстолистовая сталь для конструкционных труб по п. 1, химический состав которой дополнительно содержит в мас.%

V: от 0,005 до 0,100.

3. Толстолистовая сталь для конструкционных труб по п. 1 или 2, химический состав которой дополнительно содержит в мас.% один или несколько компонентов, выбранных из группы, состоящей из

Cu: 0,50 и менее,

Ni: 0,50 и менее,

Cr: 0,50 и менее,

Ca: от 0,0005 до 0,0035,

РЗМ: от 0,0005 до 0,0100 и

В: 0,0020 и менее.

4. Способ производства толстолистовой стали для конструкционных труб по любому из пп. 1-3, включающий:

нагревание материала исходной стали, имеющего химический состав по любому из пп. 1-3, до температуры от 1100 до 1300°С;

горячую прокатку нагретого материала исходной стали при общей степени обжатия в ходе прокатки при 800°С и менее, составляющей 70% и более, для получения горячекатаной толстолистовой стали;

ускоренное охлаждение горячекатаной толстолистовой стали при температуре начала охлаждения, составляющей не менее чем 650°С, температуре конца охлаждения, составляющей менее чем 400°С, и средней скорости охлаждения, составляющей 5°С/с и более.

5. Способ производства толстолистовой стали для конструкционных труб по п. 4, дополнительно включающий непосредственно после ускоренного охлаждения повторное нагревание листовой стали до температуры от 400 до 550°С при скорости нагревания в диапазоне от 0,5 до 10°С/с.

6. Конструкционная труба, сформованная из толстолистовой стали для конструкционных труб по любому из пп. 1-3.

7. Конструкционная труба, полученная формованием из толстолистовой стали для конструкционных труб по любому из пп. 1-3 трубчатого профиля в его продольном направлении и последующим соединением стыковых лицевых поверхностей сваркой изнутри и снаружи с получением по меньшей мере одного слоя на каждой стороне вдоль продольного направления.