ЦЕНТРОБЕЖНО-ЛИТАЯ ТРУБА ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Полезная модель относится к трубам, предназначенным для транспортировки агрессивных сред, и может быть использована при изготовлении коррозионно-стойких труб для нефтегазопроводов.
Известна чугунная горячедеформированная бесшовная труба, выполненная из высокопрочного чугуна, содержащего наряду с другими элементами по массе 2,1-3,8% углерода; 1,0-3,5% кремния; 0,05-0,80% марганца (патент РФ 2243046, МПК F16L 9/02). Однако чугунные горячедеформированные трубы, как показала практика их использования, не обладают необходимой коррозионной стойкостью в нефтепромысловых средах.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, подвергнутая отжигу при температуре 840-870°С и последующему регламентированному охлаждению (патент РФ 2175986, МПК C21D 9/08). Такие трубы имеют высокие прочностные и пластические свойства, но не обладают достаточными для нефтегазопроводов коррозионной стойкостью и ударной вязкостью.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение качества центробежно-литых чугунных труб за счет повышения их коррозионной стойкости в различных агрессивных средах и хладостойкости, а также расширение имеющегося арсенала труб для строительства нефтегазопроводов.
Поставленная задача решается путем того, что центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, подвергнутая отжигу, в отличие от прототипа выполнена из чугуна, содержащего по массе 3,0-4,0% углерода, 3,0-3,5% кремния, 0,40-0,60% марганца, 0,030-0,045% магния, 0,03-0,10% ванадия, подвергнута отжигу при температуре 890-950°С и последующему отпуску при температуре 670-700°С.
Технический результат, обеспечиваемый при осуществлении данного технического решения, заключается в следующем.
Выполнение предложенной трубы из чугуна указанного химического состава позволяет повысить ее коррозионную стойкость в различных агрессивных средах. При этом содержание кремния в пределах 3,0-3,5 мас.% способствует насыщению (до 16% Si) поверхностного слоя на границе металл - коррозионная среда, т.е. наблюдается эффект естественного силицирования, препятствующий дальнейшей коррозии вглубь металла. При содержании кремния в количествах менее 3,0 мас.% не обеспечивается необходимый уровень коррозионной стойкости, а при содержании кремния более 3,5 мас.% происходит охрупчивание чугуна и потеря пластических свойств. Ограничение содержания марганца до 0,60 мас.% объясняется тем, что большее количество марганца способствует образованию перлитной основы и отбеливанию чугуна. Проведенные исследования показали также, что микролегирование чугуна магнием совместно с ванадием в указанных количествах приводит к улучшению вязко-пластических свойств Магний раскисляет и модифицирует чугун, обеспечивая глобуляризацию графита. Однако, содержание магния менее 0,03 мас.% недостаточно для образования графита компактной шаровидной формы и получения высоких вязко-пластических свойств, а увеличение количества магния свыше 0,045 мас.% приводит к снижению пластичности чугуна. При производстве чугуна в расплаве неизбежно наличие растворенных газов: кислорода, водорода, азота. Атомарный водород поглощается графитом, кислород оседает на графитных включениях в виде оксидов, азот остается в твердом растворе. Поскольку ванадий является сильным нитридообразующим элементом, его введение в присутствии растворенного в расплаве чугуна азота приводит к образованию мелкодисперсных включений нитридов, что повышает прочность и, кроме того, способствует повышению вязко-пластических свойств и хладостойкости. При этом ванадия менее 0,03 мас.% недостаточно для связывания азота в нитриды, а его содержание в количестве свыше 0,10 мас.% способствует отбелу чугуна с образованием в структуре цементита ледебурита.
Совокупность необходимых механических свойств и коррозионной стойкости описываемой трубы обеспечивается также тем, что труба подвергнута указанной термической обработке. Центробежно-литые трубы из чугуна с шаровидным графитом имеют неоднородную микроструктуру и неравномерную графитизацию, что объясняется различной скоростью охлаждения: в поверхностных слоях, где скорость охлаждения выше, образуется больше цементита (ледебурита) и меньшее количество включений графита, чем в средней части стенки трубы. При отжиге в предложенном интервале температур происходит распад остаточного (эвтектического) цементита с образованием феррито-перлитной структуры с равномерной степенью графитизации по всему объему чугуна. В случае нагрева ниже указанной температуры 890°С полного распада ледебурита не происходит, что приводит к ухудшению пластичности и ударной вязкости. Увеличение температуры отжига выше 950°С приводит к росту аустенитного зерна и впоследствии к падению прочности и вязко-пластических характеристик. Отпуск при температуре 670-700°С обеспечивает распад цементита перлита на феррит и графит и позволяет сформировать ферритную структуру чугуна с равномерным распределением включений графита, что обуславливает значительное улучшение вязко-пластических свойств. При этом отпуск при температуре ниже 670°С не приводит к полному распаду цементита, а перегрев выше 700°С способствует снижению пластичности и вязкости.
Сущность заявляемой полезной модели и достигаемый технический результат поясняются примером конкретного выполнения и данными проведенных исследований. Были изготовлены центробежно-литые трубы диаметром 159 мм с толщиной стенки 10 мм из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, химический состав которого приведен в таблице 1. Трубы подвергались отжигу при температуре 950°С, выдержке при этой температуре в течение 2 часов, охлаждению на воздухе и последующему отпуску при температуре 680°С в течение 2 часов с охлаждением на воздухе. Результаты испытаний этих труб приведены в таблице 2 и свидетельствуют как о достаточной механической прочности предлагаемых труб, так и об их коррозионной стойкости в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Кроме этого, данные трубы в отличие от известных аналогов обладают повышенной хладостойкостью, что делает возможным их использование при строительстве нефтегазопроводов в районах с различными климатическими условиями.
Таблица 1
№ п/п
Массовые доли элементов, %
С
Si
Mn
Mg
V
Fe и неизбеж. примеси
1
4,0
3,5
0,60
0,035
0,03
Остальное
2
3,3
3,2
0,55
0,040
0,06
3
3,0
3,0
0,40
0,030
0,03
4
3,4
3,2
0,45
0,030
0,08
5
3,5
3,4
0,50
0,045
0,10
Таблица 2
№ п/п
Механические свойства
Коррозионные свойства (по NACE TM0177
Скорость коррозии в H<sub>2</sub>S-содерж. среде, мм/год
Скорость коррозии в СO<sub>2</sub>-содерж. среде, мм/год
Стойкость к СКРН (метод А)
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>. МПа
δ, %
KCV<sup>+20C</sup>, кгсм/см<sup>2</sup>
KCV<sup>-60C</sup>,  кгсм/см<sup>2</sup>
Время разрушения, час.
Порогов, нагрузка от мин. гарантир. предела текучести, σ<sub>th</sub>, %
1
605
545
7
2,0
0,5
0,1
150
70
2
513
427
21
5,5
4,0
0,3
720
70
3
475
365
13
2,3
1,0
1,0
320
70
4
520
400
10
1,2
0,7
0,25
400
70
5
540
490
15
2,0
1,0
0,3
110
70