КРИОГЕННЫЕ СОСУДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ, ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ С СОДЕРЖАНИЕМ 9% НИКЕЛЯ
CRYOGENIC HIGH-PRESSURE VESSELS MADE FROM LOW-CARBON, HIGH-STRENGTH STEEL WITH 9% NICKEL CONTENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к криогенным сосудам высокого давления, выполненным из криогенных сталей, более конкретно, выполненным из криогенных сталей ASTM A553. В частности, изобретение относится к криогенным сосудам высокого давления, изготовленным из криогенных сталей с 9% Ni, которые соответствуют всем механическим характеристикам сплавов ASTM A553 и имеют значительно более высокий предел прочности при растяжении, чем существующие сплавы ASTM A553.
Известный уровень техники
На протяжении десятилетий для эксплуатации в криогенных условиях и для надежной конструкции криогенных сосудов высокого давления использовалась сталь ASTM A553 (в данном случае также сталь с 9% Ni). Эта сталь имеет предел прочности при растяжении 690 МПа и испытана на ударную вязкость при -196°C. Эта сталь с 9% никеля была первоначально разработана International Nickel Company. Обычно она используется для изготовления сосудов для хранения жидкостей, таких как сжиженный природный газ, при криогенных температурах. Хотя эти стали отлично себя зарекомендовали, в последние годы проявился интерес к разработке более дешёвых решений для криогенного хранения.
Различные производители стали ввели новые материалы, предназначенные для прямой замены стали этого сорта. Эти материалы разработаны для достижения требований ASTM A553 к прочности и ударной вязкости при одновременном снижении стоимости легирования. Это даёт проектировщику сосуда возможность снизить стоимость изготовления сосуда при одновременном соблюдении критериев функциональности и безопасности.
Авторы настоящего изобретения определили, что вместо уменьшения количества дорогостоящих легирующих ингредиентов улучшение свойств криогенной стали позволит использовать меньше стали в инновационных криогенных сосудах высокого давления за счёт уменьшения толщины стали, необходимой для изготовления сосуда. Это позволит пользователю заказывать меньше материала, обеспечивая дополнительное преимущество в виде уменьшения веса сосуда. Таким образом, в данной области техники существует потребность в новом криогенном сосуде высокого давления, выполненным из криогенной стали, которая имеет более высокую прочность, чем существующие сплавы ASTM A553, и при этом соответствует требованиям по ударной вязкости Шарпи стандарта ASTM A553 (минимальные требования ASTM для 27 Дж TCVN при -196°C).
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к криогенному сосуду высокого давления, изготовленному из криогенного стального сплава ASTM A553, имеющего более низкое содержание C и добавки Mo и V по сравнению со сталями с 9% Ni известного уровня техники, при этом имеющего значительно более высокий предел прочности при растяжении. Криогенный стальной сплав, из которого образуют криогенный сосуд высокого давления согласно настоящему изобретению, включает в мас.%: C: 0,01 - 0,06; Mn: до 2,0; P: до 0,02; S: до 0,15; Si: до 1,0; Ni: 7 - 11; Cr: до 1,0; Мо: до 0,75; V: до 0,2; Nb: до 0,1; Al: до 0,1; и N: до 0,01. Криогенный стальной сплав может иметь предел прочности при растяжении по меньшей мере 900 МПа, общее удлинение по меньшей мере 20%; микроструктуру, состоящую из 5 – 20 % площади повторно образовавшегося аустенита и остальное из отпущенного мартенсита; энергия удара по Шарпи в поперечном направлении не менее 27 Дж при -196°C; и расширение в поперечном направлении по меньшей мере 0,381 мм при -196°C.
Криогенный стальной сплав может более предпочтительно включать в мас.%: C: 0,04 - 0,06; Mn: 0,5 - 0,7; Si: 0,2 - 0,4; Ni: 7,5 - 9,5; Cr: 0,25 - 0,5; Мо: 0,5 - 0,7; P: до 0,006; S: до 0,002; V: до 0,1; Nb: до 0,05; Al: до 0,06; и N: до 0,008 % масс.
Криогенный стальной сплав может быть подвергнут термообработке, включающей: аустенизацию при температуре 750 - 1000°C в течение от 10 минут до 3 часов; закалку до комнатной температуры; создание ламинарной структуры при температуре 600 - 725°C от 10 минут до 3 часов; охлаждение до комнатной температуры на воздухе; отпуск при температуре 500 - 620°C от 10 минут до 3 часов; и охлаждение до комнатной температуры на воздухе.
Более предпочтительно, аустенизацию проводят при температуре 800 - 950°C в течение 30 - 60 минут; создание ламинарной структуры проводят при температуре 625 - 700°C в течение 30 - 60 минут; отпуск проводят при температуре 550 - 610°C в течение 30 - 60 минут.
Наиболее предпочтительно аустенизацию проводят при температуре 820 - 900°C в течение 30 - 60 минут; создание ламинарной структуры происходит при температуре 650 - 675°C в течение 30 - 60 минут; отпуск происходит при температуре 575 - 600°C в течение 30 - 60 минут.
Микроструктура криогенного стального сплава может предпочтительно содержать 8 - 15% площади повторно образовавшегося аустенита и наиболее предпочтительно 13 - 15% площади повторно образовавшегося аустенита, остальное отпущенный мартенсит.
Криогенный стальной сплав предпочтительно может иметь расширение в поперечном направлении по меньшей мере 1,0 мм при -196°C, более предпочтительно по меньшей мере 1,5 мм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 2,0 мм. Криогенный стальной сплав также может иметь энергию удара по Шарпи в поперечном направлении по меньшей мере 50 Дж при -196°C, более предпочтительно по меньшей мере 100 Дж и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 Дж.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет SEM микрофотографию сплава, используемого для изготовления криогенного сосуда высокого давления, согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Для стали ASTM A553 типа I, широко известной как «9% Ni сталь», требуется энергия удара по Шарпи в поперечном направлении по меньшей мере 27 Дж при -196°C, расширение в поперечном направлении по меньшей мере 0,381 мм при -196°C и общее удлинение по меньшей мере 20%. Сплав А553 также должен иметь предел прочности при растяжении по меньшей мере 690 МПа. Заявляемый криогенный сосуд высокого давления выполнен из сплава, который отвечает всем механическим требованиям для сплава A553 и имеет предел прочности при растяжении по меньшей мере 900 МПа.
Сталь подвергают термообработке путём аустенизации/закалки, создания ламинарной структуры и отпуска. Полученная микроструктура состоит преимущественно из мартенсита со значительной объёмной долей повторно образовавшегося аустенита и карбидов. Энергия удара по Шарпи в поперечном направлении пластин из стального сплава, используемых при формировании криогенного сосуда высокого давления согласно настоящему изобретению, сопоставима с предшествующими технологическими значениями ASTM A553 типа I несмотря на то, что новая сталь демонстрирует более чем на 30 процентов более высокую расчётную прочность. Широкие диапазоны составов криогенного стального сплава, используемого при изготовлении криогенного сосуда высокого давления по настоящему изобретению, приведены в таблице 1.
Таблица 1
C
Mn
P
S
Si
Ni
Cr
Mo
V
Nb
Al
N
Min
0,01
0
0
0
0
7
0
0
0
0
0
0
Max
0,06
2
0,02
0,15
1
11
1
0,75
0,2
0,1
0,1
0,01
Более предпочтительные диапазоны составов приведены в таблице 2
Таблица 2
C
Mn
P
S
Si
Ni
Cr
Mo
V
Nb
Al
N
Min
0,04
0,5
0
0
0,2
7,5
0,25
0,5
0
0
0
0
Max
0,06
0,7
0,006
0,002
0,4
9,5
0,5
0,7
0,1
0,05
0,06
0,008
Пластины 13 мм толщиной получены из сплава состава, приведённого в таблице 3.
Таблица 3
C
Mn
P
S
Si
Ni
Cr
Mo
V
Nb
Al
N
0,044
0,59
<0,005
<0,002
0,26
8,9
0,45
0,65
0,08
0,013
0,028
<0,005
Пластины подвергают аустенитизации при 843°C в течение 15 минут и сразу же охлаждают водой. Широкий диапазон температур аустенизации для сплавов по настоящему изобретению составляет 750 - 1000°C, более предпочтительно 800 - 950°C и наиболее предпочтительно 820 - 900°C. Широкий диапазон времени аустенизации составляет от 10 минут до 3 часов, наиболее предпочтительно время аустенизации составляет 30 - 60 минут.
После аустенизации и закалки пластины подвергают «созданию ламинарной структуры и отпуску». Это двух стадийный процесс отпуска, при котором проводят создание ламинарной структуры пластины в течение фиксированного времени и температуры, охлаждают воздухом до комнатной температуры, а затем проводят отпуск в течение фиксированного времени и температуры, а затем снова охлаждают воздухом до комнатной температуры. Создание ламинарной структуры пластины проводят при 660°C в течение 50 минут. Широкий диапазон температур создания ламинарной структуры для сплавов по настоящему изобретению составляет 600 - 725°C, более предпочтительно 625 - 700°C и наиболее предпочтительно 650 - 675°C. Широкий диапазон времени создания ламинарной структуры составляет от 10 минут до 3 часов, наиболее предпочтительно диапазон времени создания ламинарной структуры составляет 30 - 60 минут.
Пластины отпускают при 590°C в течение 25 минут. Широкий диапазон температур отпуска для сплавов по настоящему изобретению составляет 500 - 620°C, более предпочтительно 550 - 610°C и наиболее предпочтительно 575 - 600°C. Широкий диапазон времени отпуска составляет от 10 минут до 3 часов, наиболее предпочтительно диапазон времени отпуска составляет 30 - 60 минут.
Фиг. 1 представляет SEM микрофотографию сплава, используемого для изготовления криогенного сосуда высокого давления согласно настоящему изобретению. На микрофотографии показана его микроструктура после аустенизации/закалки, создания ламинарной структуры и отпуска. Микроструктура сплавов представляет собой отпущенный мартенсит с межреечным аустенитом, содержащим ламелей. Присутствие остаточного аустенита подтверждено рентгенографически. Процент остаточного аустенита, а также предел прочности при растяжении (UTS) в МПа, предел текучести (YS) в МПа и общее удлинение в % для образцов сплава по настоящему изобретению показаны в таблице 4. Самый широкий диапазон остаточного аустенита в сплавах, используемых для изготовления криогенного сосуда высокого давления по настоящему изобретению, составляет 5 - 20%, более предпочтительно 8 - 15%, наиболее предпочтительно 13 - 15%.
Таблица 4
Образец №
YS (МПа)
UTS (МПа)
Общ. удлин. (%)
% остаточного  аустенита
1
729
964
23,4
14,6
2
757
973
25,3
12,9
3
871
989
25,0
14,7
Результаты испытаний на растяжение, приведенные в таблице 4 показывают, что требуемая минимальная прочность на растяжение 900 МПа достигнута для всех испытанных образцов. Таблица 4 также демонстрирует, что минимальное удлинение при растяжении 20%, указанное в требованиях ASTM A553, достигнуто для всех образцов.
В таблице 5 представлены результаты для энергии поперечного удара по Шарпи при -196°C в Джоулях и поперечного расширения при -196°C в мм для образцов сплава, использованного для изготовления криогенного сосуда высокого давления согласно настоящему изобретению. Очевидно, что этот сплав соответствует требованиям ASTM A553 или превосходит их. Таким образом, сплав, используемый для изготовления криогенного сосуда высокого давления по настоящему изобретению, имеет поперечное расширение по меньшей мере 0,381 мм при -196°C, предпочтительно по меньшей мере 1,0 мм, более предпочтительно по меньшей мере 1,5 мм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 2,0 мм. Кроме того, сплав, используемый для изготовления криогенного сосуда высокого давления по настоящему изобретению, имеет энергию удара по Шарпи в поперечном направлении не менее 27 Дж при -196°C, предпочтительно по меньшей мере 50 Дж, более предпочтительно по меньшей мере 100 Дж и наиболее предпочтительно по меньшей мере 150 Дж.
Таблица 5
Испытание №
TCVN при  - 196°C (Дж)
Расширение в поперечном направлении при  - 196°C (мм)
1
151
1,73
2
170
2,39
3
159
1,45
4
181
2,01
5
166
2,08