ТРУБНАЯ СТАЛЬ
PIPE STEEL

Изобретение относится к сплавам на основе железа и может быть использовано при производстве сталей для магистральных трубопроводов.
Наиболее употребительные в настоящее время стали (в том числе - трубные) достаточно подробно описываются, например, в справочнике В.Н. Журавлева и О.И. Николаевой "Машиностроительные стали", М.: Машиностроение, 1981. К трубным сталям относится, например, сталь марки 17Г1С, химический состав и механические свойства которой регламентирует ГОСТ 19281. Одним из важных показателей свойств трубной стали является величина ударной вязкости при отрицательных температурах (минус 40°C), что гарантирует хладостойкость труб при эксплуатации в северных районах.
Качественные трубные стали имеют обычно невысокое содержание углерода, но, как правило, содержат хром, никель и медь.
Известна сталь, содержащая 0.08÷0.30% углерода, 7÷9% марганца, 12÷15% хрома, 1÷3% алюминия, 0.55÷0.63% кремния, 0.01÷0.10% азота, 0.05÷0.15% ванадия, 0.02÷0.05% кальция, остальное железо (см. а.с. №969778, кл. C22C 38/38, опубл. в БИ №40, 1982).
Недостатком этой стали является широкий диапазон содержания углерода и ванадия и как следствие широкий диапазон ее прочностных и вязких свойств, что делает эту сталь ограниченно пригодной для использования при производстве труб.
Наиболее близким аналогом к заявленному объекту является сталь марки 17Г1С, приведенная в ГОСТ 19281.
B
2
-40
2
Эта сталь содержит 0.15÷0.20% углерода, 0.4÷0.6% кремния, 1.15÷1.6% марганца, не более 0.3% хрома, никеля и меди (каждого), не более 0.035% фосфора, не более 0.04% серы, не более 0.008% азота, не более 0,05% алюминия, не более 0,03% титана и характеризуется тем, что минимальная величина сопротивления разрыву (σ) - не менее 490 Н/мм, а величина ударной вязкости (KCU) - не менее 39 Дж/см.
Недостатком известной стали является относительно малая величина ударной вязкости и временного сопротивления, что снижает потребительские свойства стали, используемой для производства магистральных труб.
Технической задачей настоящего изобретения является улучшение потребительских свойств указанных труб, изготовленных из предлагаемой стали.
Предлагаемая трубная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор, алюминий, титан и азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
от 0.11 до менее 0.15
кремний
от 0.40 до менее 0.50
марганец
1.30÷1.60
хром
не более 0.30
никель
0.06÷0.20
медь
не более 0.30
алюминий
не более 0.05
титан
не более 0.03
азот
не более 0,008
сера
не более 0.040
фосфор
0.015÷0.030
железо
остальное
B
2
-40
2
при этом она имеет феррито-перлитную структуру и величину временного сопротивления разрыву σ не менее 530 Н/мм, величину ударной вязкости KCU не менее 120 Дж/см.
Сущность заявляемого технического решения состоит в оптимизации химического состава трубной стали (в частности - сужении пределов содержания углерода, марганца и никеля), а также конкретизации содержания фосфора. В результате этого улучшается микроструктура стали, что и повышает величины временного сопротивления разрыву и ударной вязкости.
Опытную проверку заявляемого технического решения осуществляли в ОАО "Магнитогорский Металлургический Комбинат".
С этой целью при производстве трубной стали варьировали содержание углерода, марганца, никеля и фосфора, фиксируя механические свойства полученной полосовой стали.
Выбранные пределы содержания углерода (0,11 до менее 0,15%), в сочетании с марганцем (1,30÷1,60%), кремнием (0,40 до менее 0,50%) и никелем (0,06÷0,20%) обеспечивают получение феррито-перлитной структуры, позволяют достичь высоких значений предела текучести и временного сопротивления разрыву.
Фосфор, как элемент внедрения, вызывает объемное искажение решетки, приводящее к увеличению сил трения при движении дислокаций, тем самым упрочняя феррит, также усиливает выделение дисперсных карбидных включений, способствуя повышению прочности стали при сохранении пластичности, и улучшает штампуемость стали.
B
-40
Наилучшие результаты (максимальные величины σ и KCU при удовлетворительной пластичности металла) получены при реализации заявляемого объекта. Отклонения от предлагаемого содержания отдельных компонентов стали ухудшали достигнутые показатели.
B
B
Так, уменьшение содержания углерода, марганца и фосфора приводило к уменьшению величины σ стали, а их увеличение - к возрастанию; содержание же в стали никеля, практически, не изменяло σ. Уменьшение содержания углерода и фосфора повышало величину ударной вязкости, а увеличение их содержания оказывало обратное влияние. При увеличении содержания никеля величина ударной вязкости снижалась, и наоборот. Поэтому было выбрано такое содержание в стали указанных элементов, которое давало требуемые прочность, пластичность и ударную вязкость металла, способствуя созданию максимальной износостойкости труб.
Пример конкретного выполнения
Трубная сталь содержит компоненты в следующих величинах (мас.%): углерод - 0.14, кремний - 0.50, марганец - 1.45, хром - 0.15, никель - 0.13, медь - 0.15, сера - 0,002, фосфор - 0.022, азот - 0.006, алюминия - 0.040, титана - 0.002, железо - остальное.
-40
2
Механические свойства стали: σв =565 Н/мм; KCU=179 Дж/см. Сравнительный анализ химического состава стали и механических свойств представлен в таблице.
В
2
-40
2
Контрольные испытания стали, взятой в качестве ближайшего аналога, показали, что величина временного сопротивления разрыву σ была в пределах 490-520 Н/мм, величина ударной вязкости KCU была в пределах 39-55 Дж/см. Таким образом, опытная проверка подтвердила приемлемость найденного технического решения для достижения поставленной цели и его преимущества перед известным объектом.
По данным технико-экономических исследований, проведенных в Центральной лаборатории ОАО "ММК", использование предлагаемой трубной стали для изготовления магистральных трубопроводов позволит улучшить потребительские свойства труб, а именно достигнутые показатели величины сопротивления стали разрыву и ее ударной вязкости при температуре испытаний минус 40°С увеличивают срок службы труб не менее чем на 30%, а в условиях крайнего Севера - почти в 1,5 раза.
Таблица
№ п.п.
Массовая доля элементов, %
σ<sub>В</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
KCU-40°С, Дж/см<sup>2</sup>
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Сu
N
AI
Ti
1
0,12
0,49
1,31
0,004
0,016
0,04
0,14
0,06
0,005
0,032
0,002
580
185
2
0,14
0,49
1,35
0,003
0,013
0,05
0,17
0,06
0,004
0,036
0,003
590
156
3
0,15
0,52
1,46
0,005
0,014
0,05
0,12
0,05
0,004
0,039
0,002
600
141
ГОСТ 19281
0,15-0,2
0,4-0,6
1,15-1,6
He более 0,04
Не более 0,035
He более 0,3
He более 0,3
Не более 0,3
Не более 0,008
Не более 0,05
He более 0,03
Не менее 490
Не менее 39