ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ
TUBE STOCK OUT OF CORROSION RESISTANT STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству трубной заготовки диаметром до 200 мм из коррозионно-стойкой аустенитной стали повышенной прочности, и может быть использовано при изготовлении бесшовных труб, применяемых в оборудовании энергетического машиностроения, в том числе для тепловых и атомных электростанций, требующих большого количества нержавеющих труб для трубопроводных систем, а также в нефтегазовом комплексе для обустройства нефтегазовых месторождений, содержащих сероводород, углекислый газ и хлориды.
Важнейшим условием для достижения высоких эксплуатационных свойств труб является качество металла, из которого они изготовлены, т.е. качество трубной заготовки.
Основные требования, предъявляемые к трубной заготовке из нержавеющих сталей для труб технологических трубопроводов электростанций и нефтегазового комплекса, следующие:
- повышенный комплекс механических и коррозионных свойств;
- однородность макро- и микроструктуры;
- пониженное содержание неметаллических включений;
- отсутствие внутренних дефектов, определяемых ультразвуковым контролем (УЗК);
- повышенное качество поверхности;
- контроль ферритной фазы.
Количество ферритной фазы в аустенитных сталях ограничивается до 1-5%, так как ферритная фаза при длительной эксплуатации при повышенной температуре превращается в хрупкую сигма-фазу.
Известны трубные заготовки из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т и О3Х17Н14М3 (ТУ 14-1-565-84), химический состав которых соответствует ГОСТ 5632 (таблица 1).
Механические свойства этих сталей после термической обработки представлены в таблице 2.
Таблица 2
Механические свойства известных сталей
Марка сталиТУ 14-1-565-84
Временное сопротивление σ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение δ<sub>5</sub>, %
не менее
10Х17Н13М2Т
530
35
10Х17Н13М3Т
530
40
03Х17Н14М3
490
40
В соответствии с техническими условиями ТУ 14-1-565-84 в трубных заготовках из сталей 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т и 03Х17Н14М3:
- содержание ферритной фазы не должно превышать 2 балла, по соглашению сторон - 2,5 балла;
- допустимые дефекты макроструктуры по точечной неоднородности (ТН), центральной пористости (ЦП) и ликвационному квадрату (ЛКВ) не должны превышать 2 балла по каждому виду;
- стали должны быть стойкими против межкристаллитной коррозии (МКК) по ГОСТ 6032-2003.
z
Трубные заготовки поставляются в горячекатаном и кованом состоянии, диаметром до 200 мм с шероховатостью поверхности в ободранном состоянии R не более 80 мкм (ГОСТ 2789).
Таблица 1
Химический состав известных сталей, мас.%
Марка стали
Углерод
Кремний
Марганец
Хром
Никель
Молибден
Титан
Сера
Фосфор
10Х17Н13М2Т
≤0,10
≤0,8
≤2,0
16,0-18,0
12,0-14,0
2,0-3,0
5С-0,7
≤0,020
≤0,035
<0,08
16,0-17,0
12,5-14,0
10Х17Н13М3Т
≤0,10
≤0,8
≤2,0
16,0-18,0
12,0-14,0
3,0-4,0
5С-0,7
≤0,020
≤0,035
03Х17Н14М3
≤0,03
≤0,4
1,0-2,0
16,0-18,0
13,0-15,0
2,5-3,1
-
≤0,020
≤0,035
Примечания:
1) В знаменателе указан химический состав по требованию потребителя.
2) Для стали 03Х17Н14М3 допускается введение 0,05-0,1% кальция и РЗМ цериевой группы.
Все вышеперечисленные стали имеют пониженные механические и коррозионные свойства, особенно, стойкость против локальной коррозии, в т.ч. против коррозионного растрескивания в сероводородсодержащей среде, не отвечая современным требованиям, предъявляемым к материалам теплообменного оборудования для энергетики и нефтегазового комплекса, что усложняет их эксплуатацию за счет длительных простоев и повышенных расходов, связанных с ремонтом оборудования, уменьшает срок его эксплуатации, а также приводит к ухудшению экологической обстановки.
Наиболее близким аналогом по совокупности элементов, технической сущности и достигаемому результату является предназначенная для изготовления труб энергетического машиностроения трубная заготовка из широко распространенной стали марки 10Х17Н13М2Т - прототип, химический состав и характеристики которой были приведены выше.
Для трубной заготовки из стали 10Х17Н13М2Т (ТУ 14-1-565-84) отсутствуют требования к таким дефектам макроструктуры, как подусадочная (ПУ) и общая пятнистая (ОПЛ) ликвации, которые необходимо контролировать и регламентировать для получения качественной трубной заготовки. Кроме того, отсутствует контроль загрязненности трубной заготовки неметаллическими включениями (см. ТУ 14-1-565-84), хотя известно, что они оказывают отрицательное воздействие на металл, снижая его технологичность, механические характеристики и стойкость против локальных видов коррозии. Сталь 10Х17Н13М2Т подвержена питтинговой коррозии и склонна к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих сероводород и хлориды.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке трубной заготовки из коррозионно-стойкой экономнолегированной никелем стали для изготовления труб, эксплуатирующихся в энергетическом оборудовании и нефтегазовом комплексе, т.е. в хлорид- и сероводородсодержащих средах, обладающей высокими механическими свойствами и стойкостью к питтинговой коррозии и коррозионному растрескиванию.
Технический результат изобретения состоит в повышении механических и коррозионных свойств трубной заготовки из немагнитной аустенитной хромоникелевой стали, обеспечивающих увеличение срока эксплуатации, надежности и безопасности изготавливаемых из нее трубопроводов для энергетического и нефтяного оборудования при снижении их стоимости за счет экономного легирования никелем при сохранении стойкости против межкристаллитной коррозии и требований к качеству поверхности.
Указанный технический результат изобретения достигается тем, что трубная заготовка из коррозионно-стойкой стали с заданными параметрами макроструктуры и неметаллических включений согласно изобретению выполнена из стали, содержащей, мас.%:
углерод
0,01-0,03
кремний
0,05-1,0
марганец
0,8-3,0
хром
16,0-19,0
никель
8,5-11,5
молибден
2,0-4,0
азот
0,15-0,45
РЗМ
0,01-0,03
железо и неизбежные примеси
остальное,
при этом содержание никеля, марганца, углерода, азота, хрома, молибдена и кремния связано следующей зависимостью:
2
она имеет аустенитную структуру, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, общей пятнистой ликвации и подусадочной ликвации не более 1 балла по каждому виду; неметаллические включения по сульфидам, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформирующимся, нитридам и карбонитридам строчечным и нитридам и карбонитридам точечным - не более 2,5 балла по каждому виду; при этом временное сопротивление разрыву в закаленном состоянии не менее 650 Н/мм.
Приведенные выше содержания легирующих элементов в предлагаемой коррозионно-стойкой стали, а также требования к макро- и микроструктуре, и неметаллическим включениям позволяют получить трубную заготовку из коррозионно-стойкой стали с аустенитной структурой и повышенным комплексом потребительских свойств.
Содержание углерода в указанных пределах необходимо для обеспечения коррозионной стойкости стали, при этом снижение содержания углерода менее 0,01% приведет к удорожанию стали из-за повышения стоимости низкоуглеродистой шихты или применения специальных методов выплавки, а содержание углерода свыше 0,03% снижает коррозионную стойкость стали, особенно против локальных видов коррозии (межкристаллитной и питтинговой). Известно, что хромоникелевая аустенитная сталь с низким содержанием углерода по стойкости против общей и межкристаллитной коррозии и всем технологическим свойствам лучше, чем стабилизированная сталь.
Ограничение кремния в пределах 0,05-1,0% обусловлено тем, что при его содержании менее 0,05% сталь может быть недостаточно раскисленной, и это отрицательно скажется на ее технологичности при горячей деформации, а свыше 1,0% приведет к увеличению силикатов, снижающих пластичность и ударную вязкость металла.
Марганец в пределах 0,8-3,0% необходим как для качественного раскисления металла, так и для достаточного усвоения азота. Кроме того, являясь аустенитообразующим элементом, он способствует созданию аустенитной структуры. Однако содержание марганца свыше 3,0% снижает стойкость стали против локальных видов коррозии.
Хром 16,0-19,0% и молибден 2,0-4,0% обеспечивают коррозионную стойкость стали, особенно против локальных видов коррозии, в частности, против питтинговой в хлоридах и сероводородсодержащих средах. При содержании вышеуказанных элементов менее 16,0 и 2,0%, соответственно, не обеспечивается необходимая коррозионная стойкость, а содержание хрома и молибдена свыше 19,0 и 4,0%, соответственно, приведет к удорожанию стали.
Никель и азот в указанных пределах необходимы для создания аустенитной структуры, при этом легирование азотом позволяет частично заменить дефицитный дорогостоящий никель в стали, уменьшая ее стоимость, и повысить прочностные характеристики.
Легирование никелем и азотом менее 8,5 и 0,15%, соответственно, не эффективно, а свыше - не целесообразно, так как содержание никеля свыше 11,0% приведет к удорожанию стали, а содержание азота свыше 0,45% снижает технологическую пластичность при горячем переделе.
Легирование стали РЗМ в пределах 0,01-0,03% необходимо для улучшения состояния границ зерен аустенита и повышения технологичности стали при горячем переделе, ниже 0,01% влияние РЗМ не эффективно, а свыше 0,03% не целесообразно.
обеспечивает получение структуры стабильного аустенита, что положительно влияет на коррозионную стойкость стали в сероводород- и хлоридсодержащих средах.
Более высокие требования к дефектам марокструктуры по центральной пористости (ЦП), точечной неоднородности (ТН) и ликвационному квадрату (ЛКВ) не более 1 балла по каждому виду, а также введение требований по общей пятнистой ликвации (ОПЛ) и подусадочной ликвации (ПУ) не более 1 балла по каждому виду необходимы для получения качественной трубной заготовки и повышения эксплуатационной надежности металлопродукции.
Контроль загрязненности стали трубной заготовки неметаллическими включениями и ограничение их содержания по сульфидам (С); оксидам точечным (ОТ) и оксидам строчечным (ОС); силикатам хрупким (СХ), силикатам пластичным (СП) и силикатам недеформирующимся (НС), а также по нитридам и карбонитридам строчечным (НС) и точечным (НТ) не более 2,5 балла по каждому виду связано с их вредным влиянием на стойкость против локальных видов коррозионного разрушения нержавеющих сталей, особенно против питтинговой коррозии в хлорид- и сероводородсодержащих средах.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Были выплавлены следующие варианты предложенной стали (таблица 3):
Таблица 3
Химический состав предложенной стали трубной заготовки
Состав №
Содержание элементов, мас.%
Зависимость(1) ≥0,86
С
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
N
РЗМ
Fe и неизбежные примеси
1
0,03
0,50
1,96
16,35
9,3
2,8
0,22
0,012
ост.
0,86
2
0,02
0,05
1,06
18,01
11,0
2,1
0,28
0,025
ост.
0,97
Металл выплавляли в открытой индукционной печи на чистых шихтовых материалах. Предварительно ободранные и нагретые до температуры 1180°С слитки ковали на промежуточную заготовку диаметром 100 мм. Прокованые заготовки подвергали сплошной шлифовке и после нагрева с выдержкой в печи при температуре 1160°С прокатывали на диаметр 65 мм под трубную заготовку диаметром 60 мм.
Горячекатаные заготовки диаметром 65 мм термообрабатывали по режиму 1180°С, 1 час, охлаждение на воздухе, и обтачивали на трубную заготовку диаметром 60 мм. Результаты исследований свойств полученных трубных заготовок приведены в таблицах 4-6.
Механические свойства определяли при комнатной температуре по ГОСТ 1497 на продольных образцах, вырезанных из трубных заготовок диаметром 65/60 мм в состоянии поставки после термической обработки 1080°С, 1 час, охлаждение на воздухе (таблица 4).
Таблица 4
Механические свойства трубных заготовок диаметрами 65/60 мм в состоянии поставки из предложенной стали
Состав №
Временное сопротивление σ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Относительное удлинение δ<sub>5</sub>, %
1
696
365
57
2
707
392
47
Из приведенных данных таблицы 4 следует, что трубная заготовка из предложенной стали имеет более высокие по сравнению с прототипом 10Х17Н13М2Т механические характеристики (прочность и пластичность).
Содержание ферритной фазы в трубных заготовках проверяли в соответствии с ГОСТ 11878. Исследования показали, что в обоих заготовках ферритная фаза отсутствует, т.е. сталь имеет однородную аустенитную структуру.
Испытание предложенной стали трубной заготовки на стойкость против межкристаллитной коррозии (МКК) проводили по методу АМУ ГОСТ 6032-2003.
Результаты испытаний показали, что сталь составов №1 и №2 обладает стойкостью против межкристаллитной коррозии.
Оценка макроструктуры проведена в соответствии с ГОСТ-10243 (таблица 5).
Результаты контроля макроструктуры трубных заготовок свидетельствуют о том, что при балльной оценке всех видов неоднородности последняя равна 0, таким образом, структура металла однородна и не имеет дефектов.
Таблица 5
Результаты контроля макроструктуры предложенной стали трубных заготовок ⌀ 65/60 мм
Состав №
Центральная пористость ЦП
Точечная неоднородность ТН
Ликвационный квадрат ЛКВ
Подусадочная ликвация ПУ
Общая пятнистая ликвация ОПЛ
Балл
1
0
0
0
0
0
2
0
0
0
0
0
Оценку загрязненности металла предложенной стали неметаллическими включениями проводили в соответствии с ГОСТ 1778 по методу «Ш» вариант «Ш6» (таблица 6).
Методы «Ш» предусматривают оценку загрязненности металла неметаллическими включениями при увеличении ×100, при этом критерий загрязненности неметаллическими включениями плавки определяется на 6 образцах с определением образца, на котором имеется максимальное загрязнение неметаллическими включениями - максимальный балл каждого вида включения.
Из приведенных данных таблицы 6 следует, что загрязненность стали неметаллическими включениями не превышает норм 2,5 бала.
3
2
Стойкость предлагаемых сталей трубной заготовки против питтинговой коррозии оценивали по скорости коррозии металла после испытаний в 10% растворе FeCl·6HO (ГОСТ 9.912-89).
2
2
Результаты исследований показали, что скорости питтинговой коррозии для составов №1 и 2 предложенной стали трубной заготовки составили соответственно 1,5 и 1,3 г/м·ч, что более чем в 2 раза меньше, чем скорость коррозии стали 10Х17Н13М2Т - 3,2 г/м·ч /«Структура и коррозия металлов и сплавов. Атлас». Справ. изд. М. Металлургия. 1989. с.107/.
Изучение стойкости к сероводородному растрескиванию (СКР) образцов составов №1 и 2 предложенной стали трубной заготовки проводили с постоянной деформацией (трехточечный изгиб) по методу МСКР-01-85. Длительность испытаний составила 720 часов.
После испытаний при визуальном осмотре и с использованием оптики (×12) коррозионных трещин на образцах обоих составов не обнаружено, что свидетельствует о стойкости предложенной стали к сероводородному растрескиванию.
Известно, что сероводородное растрескивание (СКР) во многом контролируется процессами локальной коррозии и зависит от прочности и пластичности сталей, значения которых существенно выше у предложенной стали для трубной заготовки, чем у прототипа, поэтому последний можно отнести только к «условно стойким» к сероводородному растрескиванию.
Z
Шероховатость поверхности трубных заготовок составов №1 и №2 в обточенном состоянии, определенная в соответствии с ГОСТ 2789, составила R менее 80 мкм.
При проверке трубных заготовок ультразвуковым контролем по ГОСТ 21120 дефектов, равных и более 3 мм, не обнаружено, что соответствует I группе качества.
Таким образом, трубная заготовка из предложенной коррозионно-стойкой стали имеет:
- повышенный уровень механических и коррозионных свойств,
- аустенитную структуру с ограничением по содержанию неметаллических включений и дефектов макроструктуры,
- на 25% меньше содержит никеля.
Новая разработка с более высокими потребительскими свойствами позволит обеспечить энергетическое машиностроение и нефтегазовый комплекс отечественным конкурентоспособным экономнолегированным материалом, увеличивающим срок службы и эксплуатационную надежность изготовленных из него изделий.