Результат интеллектуальной деятельности: НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к экономнолегированным сталям, предназначенным для изготовления изделий, эксплуатирующихся в агрессивных высокоминерализованных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Известна низколегированная сталь марки 15ХФ (Марочник сталей и сплавов. Под ред. А.С.Зубченко. М., «Машиностроение», 2001, стр.172) следующего химического состава, мас.%:

Данная сталь имеет высокие прочностные характеристики, но низкую коррозионную стойкость, плохую свариваемость и не может быть использована для изготовления металлоконструкций типа труб и их соединительных деталей.

Известна сталь (патент РФ №2196845, МПК С 22 С 38/46), применяемая в химическом машиностроении для деталей и элементов сварных конструкций, работающих под давлением в широком диапазоне температур, имеющая следующий химический состав, вес.%:

Указанная сталь также характеризуется низкой коррозионной стойкостью и не может быть использована в изделиях, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, содержащих H₂S и CO₂.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является низколегированная сталь по патенту РФ №2200768, МПК С 22 С 38/46, имеющая следующий химический состав, мас.%:

Эта сталь обладает повышенными прочностными характеристиками, что позволяет использовать ее в изделиях для транспортировки сред под повышенным давлением, но при этом она имеет низкую коррозионную стойкость, вследствие чего непригодна для изготовления изделий, эксплуатирующихся в агрессивных минерализованных средах.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание экономнолегированной стали, имеющей достаточные прочностные показатели и обладающей при этом высокой коррозионной стойкостью, что позволит использовать ее для изготовления труб и соединительных деталей, предназначенных для транспортировки агрессивных сред, в частности, обводненной нефти и пластовой воды, характеризующихся высокой степенью минерализации и содержащих Н₂S и CO₂.

Для решения поставленной задачи предложена низколегированная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси, которая в отличие от прототипа имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

При этом дополнительно ограничено количественное содержание примесей следующим соотношением, мас.%:

а общее соотношение кальций/сера должно быть не менее 1.

В частном случае предложенная сталь может дополнительно содержать титан и ниобий, но при этом суммарное содержание ванадия, титана и ниобия не должно превышать 0,15 мас.%.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в следующем. Сопоставление химических составов прототипа - стали по патенту РФ №2200768 и предложенной стали показывает, что содержание в них углерода, кремния, хрома, ванадия и алюминия полностью или частично перекрываются. Система легирования по прототипу - железо, марганец, кремний - обеспечивает повышенные прочностные характеристики: предел прочности 895-960 МПа. В большинстве случаев столь высокая прочность не нужна для нефтегазопроводных труб, применяемых в нефтяной промышленности. В данной отрасли чаще применяются трубы с нормативным пределом прочности до 588 МПа. В отличие от прототипа в предложенной стали значительно снижено содержание марганца (система легирования: железо-хром), а также ограничено содержание примесей, в частности, азота, кроме того, установлено ограничение по количеству водорода и по соотношению кальция и серы. Указанное соотношение компонентов позволило получить феррито-перлитную структуру стали с размером зерна не более 10 мкм (в прототипе размер зерна до 15 мкм), феррито-перлитная полосчатость не превышает 1 балл (в прототипе - 3 балла), бейнитные структуры не допускаются (в прототипе допускается до 40% бейнита). При этом, как показали проведенные экспериментальные исследования, содержание марганца менее 0,40 мас.% не обеспечивает получение необходимых механических характеристик, а увеличение содержания марганца свыше 0,65 мас.% приводит к увеличению уровня феррито-перлитной полосчатости, повышает вероятность образования бейнитных структур, увеличивает ликвационную неоднородность, что в результате приводит к снижению стойкости заявленной стали к водородному и сульфидному коррозионному растрескиванию. Таким образом, предложенный интервал содержания марганца обеспечивает оптимальное сочетание прочностных показателей и высокой коррозионной стойкости, что позволяет использовать данную сталь для изготовления изделий, предназначенных для транспортировки агрессивных сред. При внепечной обработке предложенной стали благодаря указанному соотношению кальция и серы обеспечивается образование равномерно распределенных однородных оксисульфидов округлой формы. В прототипе содержание кальция составляет 0,001-0,05 мас.% независимо от содержания серы, что не позволяет получить при внепечной обработке неметаллических включений требуемого химического состава. Все вышеуказанное обуславливает стойкость предложенной стали к общей, язвенной и канавочной коррозии, а также стойкость к растрескиванию, инициированному водородом, и к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением. Ограничение содержания водорода также способствует повышению коррозионной стойкости и хладостойкости, поскольку обеспечивает отсутствие в металле микротрещин, образующихся при молизации металлургического водорода и приводящих к образованию трещин водородного растрескивания в процессе сульфидной коррозии. Кроме того, подбор количественных соотношений известных компонентов привел к достижению неожиданного технического результата, выражающегося в том, что предложенный состав характеризуется низкими значениями углеродного эквивалента (С_э) и параметра стойкости стали против растрескивания при сварке (Р_см), что обеспечивает хорошую свариваемость и отсутствие холодных и горячих трещин. Ограничение содержания водорода при этом препятствует охрупчиванию сварного шва и образованию в нем трещин. Известная сталь-прототип характеризуется высокими значениями углеродного эквивалента и параметра стойкости стали против растрескизания при сварке - до 0,71 и до 0,38 соответственно. Таким образом, эта сталь обладает плохой свариваемостью, что повлечет за собой необходимость применения при сварке предварительного и сопутствующих подогревов и термической обработки сварных соединений, что существенно удорожает сварочные работы. Предложенная сталь имеет, кроме того, повышенную хладостойкость и может применяться для изделий, эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера при температурах до -60°С.

Изобретение поясняется сравнительными примерами и результатами экспериментов: в таблице 1 представлены варианты химического состава низколегированных сталей; в таблице 2 представлены результаты прочностных испытаний указанных вариантов; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний; в таблице 4 - показатели свариваемости. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что прочностные характеристики стали снижаются ниже допустимого уровня, когда содержание марганца, углерода, кремния оказывается менее предложенных минимальных значений (вариант 1). В случаях выхода за предлагаемые максимальные значения входящих в состав стали компонентов наряду с повышением прочности наблюдается снижение коррозионной стойкости и свариваемости сталей (варианты 7, 8, 9). Механические характеристики заявляемого состава стали (варианты 2-6) соответствуют классу прочности К56, что гарантирует надежную работу трубопроводов для транспортировки обводненной нефти и пластовой воды.

При наличии в составе низколегированной стали ниобия и титана в большей степени повышаются ее коррозионная стойкость и хладостойкость за счет связывания азота в карбонитриды. Ограничение суммарного содержания ванадия, титана и ниобия до 0,15 мас.% обеспечивает хорошую свариваемость.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают возможность использования заявляемой стали для промысловых трубопроводов, транспортирующих среды с повышенной коррозионной активностью и эксплуатирующихся в условиях кислотных обработок пластов для повышения нефтеотдачи.

Углерод0,05-0,15Марганец0,40-0,65Хром0,50-0,80Кремний0,30-0,80Ванадий0,04-0,09Алюминий0,02-0,05ЖелезоипримесиОстальноеc0c1211none1934приэтомколичественноесодержаниепримесейдополнительноограниченоследующимсоотношением,мас.%:АзотНеболее0,008НикельНеболее0,30МедьНеболее0,25ВодородНеболее0,0002c0c1211none2136аобщеесоотношениекальций/серадолжнобытьнеменее1.1.Низколегированнаясталь,содержащаяуглерод,марганец,хром,кремний,ванадий,алюминий,железоипримеси,отличающаясяследующимсоотношениемкомпонентов,мас.%:12.Низколегированнаястальпоп.1,отличающаясятем,чтоонадополнительносодержиттитаниниобий,приэтомсуммарноесодержаниеванадия,титанаиниобиянепревышает0,15мас.%.2