Результат интеллектуальной деятельности: ТРУБА НЕФТЯНАЯ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННАЯ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к насосно-компрессорным трубам и муфтам к ним, изготавливаемым из конструкционных сталей.

Известна конструкционная сталь (RU 2194776 С2, 20.12.2002, С22С 38/18), содержащая углерод, марганец, кремний, медь, никель, хром, ванадий, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,15-0,45;

Марганец 0,20-3,00;

Кремний 0,10-2,00;

Медь 0,05-0,50;

Никель 0,05-4,00;

Хром 0,20-3,00;

Ванадий 0,01-0,30;

Железо и неизбежные примеси - остальное.

При этом сталь является бейнитной.

Недостатком состава является нестабильность получаемых механических свойств при непосредственном применении стали указанного состава. Так, одновременно низкое содержание всех элементов не позволит получить в состоянии после горячей деформации высокие прочностные свойства (временное сопротивление не менее 700 Н/мм², предел текучести не менее 500 Н/мм²), а одновременно высокое содержание всех элементов не позволит получать высокие пластические свойства (относительное удлинение не менее 17%).

Кроме того, после проведения горячей деформации (без последующей термической обработки) изделия из стали с бейнитной структурой являются очень хрупкими и неспособными выдерживать ударные нагрузки. Необходимо проведение обязательной термической обработки.

Известна трубная заготовка из стали (RU 2336323 С1, 20.10.2008, C21D 8/10), содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ниобий, молибден, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,40-0,50;

Марганец 0,80-1,40;

Кремний 0,17-0,37;

Хром 0,005-0,25;

Молибден 0,001-0,12;

Ниобий 0,040-0,11;

Железо и неизбежные примеси - остальное.

Недостатком состава являются низкие прочностные свойства, а именно временное сопротивление не менее 500 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм². При этом фактические значения, приведенные в автореферате, составляют 540 Н/мм² и 425 Н/мм² соответственно. Данная сталь неприменима для изготовления труб и муфт к ним группы прочности К по ГОСТ 633, группы прочности К72 по ГОСТ Р53366, согласно которым требуемое временное сопротивление не менее 687 Н/мм², предел текучести не менее 491 Н/мм².

Известна выбранная в качестве прототипа трубная заготовка из стали (RU 2333970 С1, 20.09.2008, C21D 8/10), содержащей углерод, марганец, кремний, ванадий, хром, азот, мышьяк, олово, свинец, цинк, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,34-0,40;

Марганец 1,40-1,65;

Кремний 0,17-0,37;

Ванадий 0,06-0,12;

Хром 0,005-0,30;

Азот 0,005-0,015;

Мышьяк 0,0001-0,03;

Олово 0,0001-0,02;

Свинец 0,0001-0,01;

Цинк 0,0001-0,005;

Сера ≤0,030;

Фосфор ≤0,030;

Никель ≤0,30;

Медь ≤0,30;

Молибден ≤0,10;

Железо и неизбежные примеси - остальное,

при выполнении соотношений (As+Sn+Pb+5×Zn) ≤0,07 и [C+Mn/6+(Cr+V)/5] ≤0,72.

Недостатком трубной заготовки является сложная система легирования с выполнением ограничений по 15 элементам и двум соотношениям, необходимость обеспечения чистоты стали по азоту и цветным примесям, что требует введения дополнительных технологических приемов при получении стали (таких как использование 100% металлизированных окатышей, использование вакуумирования, дополнительной защиты металла от окисления в промежуточном ковше и кристаллизаторе). Недостатком также является проведение отдельной операции термической обработки нормализации для получения требуемого уровня механических свойств. Также низкий уровень получаемых пластических свойств (относительное удлинение не менее 13%, ударная вязкость KCU_+20°C не менее 60 Дж/мм²) не обеспечивает высокие эксплуатационные свойства. При изготовлении насосно-компрессорных труб и муфт к ним они имеют низкую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение труб насосно-компрессорных и муфт к ним, имеющих следующие механические свойства в состоянии после горячей деформации: временное сопротивление не менее 700 Н/мм², предел текучести не менее 500 Н/мм², относительное удлинение не менее 17%, ударная вязкость KCU_+20°C не менее 100 Дж/мм². Такое сочетание свойств соответствует требованиям группы прочности К по ГОСТ 633, группы прочности К72 по ГОСТ Р53366, обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик труб, а именно при одновременном повышении прочностных характеристик увеличивается сопротивление ударным нагрузкам, снижается анизотропия свойств. Предлагаемый состав возможно применять как для изготовления горячедеформированных труб, так и труб с проведением термической обработки нормализации и термомеханической обработки в линии трубопрокатных агрегатов (расширяется область применения стали).

Указанный результат достигается тем, что для производства горячедеформированной трубы используют сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, хром, медь, никель, ванадий при следующем содержании компонентов, масс %:

Углерод 0,37-0,41;

Марганец 1,00-1,30;

Кремний 0,40-0,70;

Медь 0,10-0,30;

Никель 0,05-0,30;

Хром 0,05-0,30;

Ванадий 0,04-0,08;

Железо и неизбежные примеси - остальное,

при этом труба имеет временное сопротивление σ_в не менее 700 МПа и относительное удлинение δ₅ не менее 17%; предел текучести σ_т не менее 500 Н/мм² и ударную вязкость KCU_+20°С не менее 100 Дж/мм².

Предлагаемое сочетание элементов позволяет получить при изготовлении горячедеформированных труб сочетание требуемого уровня прочностных и пластических свойств.

Выбранный состав объясняется следующим.

Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня прочности. Снижение содержания углерода менее 0,36% приведет к уменьшению количества перлита в стали и, следовательно, к получению значений временного сопротивления менее 700 Н/мм². При содержании углерода более 0,43% перлитные колонии укрупняются, количество избыточного феррита снижается, что приводит к потере пластических свойств.

Марганец является элементом, склонным к сегрегации и образованию зон в виде полос по сечению изделий с неравномерным распределением концентрации, вследствие чего возникает анизотропия свойств по сечению. Верхнее ограничение содержания 1,30% позволит уменьшить образование полос и снизить анизотропию свойств.

Марганец и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. Нижнее ограничение марганца 1,00% определяется необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель вводится с целью усиления упрочняющего действия хрома, их количественный состав 0,05-0,30% каждого обеспечит требуемую прочность стали за счет нижнего ограничения и необходимую пластичность за счет верхнего. Содержание никеля и хрома менее 0,05% не вызовет упрочнения, а содержание свыше 0,30% для горячедеформированных и нормализованных труб приведет к снижению уровня относительного удлинения.

Кремний в данной стали применяется не только в качестве раскислителя, но и для повышения прочностных свойств, которое достигается при содержании свыше 0,40%. Ограничение содержания кремния не более 0,70% введено с целью предотвращения охрупчивания стали.

Медь в количестве 0,10-0,30% вводится с целью упрочнения стали дисперсными частицами меди. Содержание меди не более 0,30% обусловлено возможностью выделения крупных легкоплавких частиц меди в центральной части трубной заготовки, что впоследствии может привести к внутренним расслоениям при производстве труб.

Ванадий вводится с целью связи азота в нитриды и карбонитриды ванадия, тем самым уменьшается хрупкость стали. Достаточное для этой цели содержание ванадия 0,04%. Также частицы соединений ванадия вызывают дисперсионное твердение, а во время проведения горячей деформации дисперсные частицы тормозят дислокации, что приводит к дислокационному упрочнению. В итоге ванадий значительно повышает предел текучести. Содержание менее 0,04% не вызывает эффекта упрочнения, а повышение содержания более 0,08% приводит к укрупнению нитридов, карбидов и карбонитридов ванадия, которые вызывают падение уровня ударной вязкости при изготовлении труб в горячедеформированном и нормализованном состоянии.

Предлагаемое решение опробовано в промышленных условиях.

Производство стали осуществлялось в электродуговой сталеплавильной печи емкостью 135 тонн. В качестве шихты использовался стальной лом. Применение лома позволило обеспечить соответствие по содержанию меди, хрома и никеля без применения дополнительного легирования. При завалке лома в загрузочную корзину добавляли углеродосодержащие материалы, что обеспечивало интенсивное перемешивание ванны ДСП во время обезуглероживания за счет углеродного кипения. Использование болота в печи позволило снизить расход электроэнергии, сократить время плавки.

Во время выпуска стали из печи осуществлялась отсечка печного шлака с целью предотвращения ресульфурации, рефосфорации и вторичного окисления.

Внепечная обработка производилась на установке «печь-ковш». В процессе обработки выполнялось раскисление стали (FeSiMn, FeSi), доведение до оптимальной температуры (электронагрев при помощи трех электродов через шлак, находящийся на поверхности жидкого металла) и доводка по химическому составу (присадка легирующих элементов, в частности ванадия).

Непрерывная разливка осуществлялась на пятиручьевой машине непрерывного литья заготовки радиального типа в круглую заготовку диаметром 156 мм.

Химический состав выплавленной стали приведен в Таблице 1.

Из трубной заготовки в условиях ОАО «СинТЗ» на трубопрокатном агрегате с непрерывным станом ТПА-80 изготовлены горячедеформированные насосно-компрессорные трубы размерами 63,0×5,0 мм и 73,0×5,5 мм и муфтовая заготовка размером 73,0×11,0 мм.

Результаты исследования свойств труб приведены в таблице 2.

Таким образом, использование для изготовления насосно-компрессорных труб и муфт к ним стали с предлагаемым сочетанием элементов обеспечивает повышение уровня потребительских свойств, а именно получение прочностных свойств: временного сопротивление не менее 700 Н/мм², предела текучести не менее 500 Н/мм² наряду с высоким уровнем пластических свойств и вязкости (относительного удлинения не менее 17%, ударной вязкости KCU_+20°С не менее 100 Дж/мм²).