ШТРИПСОВАЯ СТАЛЬ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЕ
SKELP STEEL AND ITEM MADE OUT OF IT

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).
т
т
э
см
5
т
т
э
см
5
т
т
э
см
5
т
т
э
см
5
э
см
5
т
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<635 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0025*σ+0,1622 и сталь имеет С≤0,43, Р≤0,23, δ≥19, или при 635≤σ<705 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0019*σ+0,5417 и сталь имеет С≤0,46, Р≤0,25, δ≥17, или при 705≤σ<775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0014*σ+0,8929 и сталь имеет С≤0,57, Р≤0,26, δ≥14, или при σ≥775 суммарное содержание марганца и никеля составляет [Mn]+[Ni]≥0,0034*σ-0,6531 и сталь имеет С≤0,60, Р≤0,27, δ≥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 - углеродный эквивалент, %, Р - коэффициент трещиностойкости, %, δ - относительное удлинение, %, σ - 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.
т
Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств, соответствующих определенным категориям прочности (пределу текучести σ), необходимо, чтобы суммарное содержания марганца и никеля удовлетворяло заявляемым условиям.
э
см
5
т
cm
Углеродный эквивалент (С), коэффициент трещиностойкости (Р) и относительное удлинение (δ) являются одними из основных регламентируемых (контролируемых) параметров стали, в частности штрипса. В зависимости от требуемой категории прочности (предела текучести σ), 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=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<sub>э</sub>, %
P<sub>см</sub>, %
δ<sub>5</sub>, %
[Mn]+[Ni] (фактическое)
σ<sub>т</sub>, МПа (фактическое)
σ<sub>т</sub>, МПа (требуемое)
[Mn]+[Ni] (требуемое)
[Mn]+[Ni] (расчетное по фактическому σ<sub>m</sub>)
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<sup>*</sup>
0,20/0,20<sup>*</sup>
-
2,45
890
-
-
-
<sup>*</sup> - С<sub>э</sub> и Р<sub>см</sub>, рассчитанные по формулам, применяемым в данном изобретении:
C<sub>э</sub>=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15+5B,
P<sub>cm</sub>=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B.