Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШТРИПСОВ ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ НИОБИЙВАНАДИЕВОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к режимам производства на непрерывном широкополосном стане штрипсов для изготовления труб магистральных нефте- и газопроводов.

Штрипсы для изготовления труб магистральных нефте- и газопроводов должны обладать высоким комплексом механических свойств. Помимо этого, штрипсы должны обладать высокой стойкостью к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением, что особенно важно при эксплуатации труб в коррозионно-активных нефтепромысловых средах Западной Сибири. Показателем стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением служит значение порогового напряжения σ_тпор., которое не должно быть менее 70% от минимально гарантированного предела текучести штрипса в состоянии поставки. Комплекс свойств, которому должны отвечать штрипсы, приведен в табл.1.

Известен способ производства стальных горячекатаных штрипсов для изготовления труб, включающий нагрев слябов до 1000-1300^oС, горячую прокатку в штрипсы с температурой конца прокатки выше А_r3, охлаждение до температуры не ниже 500^oС и смотку в рулоны [1].

Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает требуемого комплекса механических свойств и антикоррозионных свойств горячекатаных штрипсов.

Известен также способ производства штрипсов из низколегированной ниобийсодержащей стали, легированной хромом, молибденом, титаном и алюминием. Способ предусматривает разогрев слябов и горячую прокатку штрипсов. Прокатку завершают при температуре выше А₁. Затем штрипсы подвергают закалке с температуры от А_r3 до А_r3+150^oС и отпускают при температуре А₁ - (20-100)^oС.

Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие пластичность и стойкость против сульфидной коррозии под напряжением [2].

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому техническому решению является способ производства штрипсов (полос) из низколегированной стали. Способ включает нагрев слябов, горячую прокатку штрипсов с регламентированной температурой конца прокатки 780-860^oС, охлаждение и смотку в рулоны при температуре 590-640^oС [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что он не предназначен для производства штрипсов, обладающих повышенными вязкостными и антикоррозионными свойствами. В результате реализации способа формируется неоптимальная по фазовому составу, морфологии фаз и размерам зерен микроструктура горячекатаных штрипсов. Поэтому показатели волокнистости в изломе и стойкость против сульфидного растрескивания под напряжением ниже допустимого уровня.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вязкостных свойств и стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе производства штрипсов из низколегированной ниобийванадиевой стали, включающем их горячую прокатку с регламентированной температурой смотки и смотку в рулоны, согласно предложению температуру конца прокатки поддерживают равной 840-880^oС, смотку в рулоны ведут при температуре 620-650^oС, после чего рулоны охлаждают до температуры окружающей среды за время 72-120 ч.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем. Для повышения вязкостных свойств низколегированной стали при отрицательных температурах необходимо в процессе производства штрипсов сформировать мелкозернистую изотропную ферритно-перлитную матрицу и обеспечить наиболее полное выделение упрочняющих карбонитридных фаз. В результате взаимодействия стальной трубы с транспортируемой по трубопроводу средой происходит образование продуктов коррозии по механизму, описываемому нижеследующими уравнениями химической реакции:

СO₂+Fе+H₂O-->FeCO₃+H₂.

Если металл сохраняет внутренние напряжения, крупное зерно микроструктуры, ослабленные границы зерен, то в результате взаимодействия материала трубы и среды происходит образование микротрещин, которые под действием внешних напряжений объединяются в магистральную трещину.

Ускоренное охлаждение деформированного аустенита горячекатаного штрипса с температуры конца прокатки 840-860^oС до температуры смотки 620-650^oС позволяет зафиксировать мелкое зерно и полностью выделить из твердого раствора упрочняющие частицы - карбиды и нитриды ниобия и ванадия. В указанном температурном интервале формируется тонкопластинчатый перлит и равноосные зерна феррита 9-10 балла. При последующем охлаждении рулонов от температуры смотки 620-650^oС за период времени 72-120 ч происходит самоотпуск стали и снятие напряжений. В процессе отпуска в прокате протекают диффузионные процессы, способствующие структурной гомогенизации. Следовательно, за счет целенаправленного формирования мелкозернистой структуры малоперлитной стали, ее карбонитридного упрочнения и устранения структурных остаточных напряжений, обеспечивается повышение вязкостных свойств при отрицательных температурах и стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением.

Экспериментально установлено, что при температуре конца прокатки выше 880^oС не удается получить мелкозернистую равномерную микроструктуру штрипсов. Снижение этой температуры ниже 840^oС приводит к образованию разнозернистости, анизотропии механических свойств и ухудшению показателя DWTT_-40 стали.

Увеличение температуры смотки сверх 650^oС приводит к уменьшению прочностных свойств ниже допустимого уровня. Снижение температуры смотки менее 620^oС способствует росту структурных напряжений в стали, что отрицательно сказывается на вязкостных свойствах и коррозионной стойкости штрипсов.

Сокращение времени охлаждения рулона менее 72 ч не обеспечивает полного протекания процесса самоотпуска и завершения диффузионных процессов. В результате ухудшаются вязкостные и антикоррозионные свойства штрипсов. Увеличение этого времени свыше 120 ч не улучшает показателей качества штрипсов, а лишь задерживает процесс их производства, вследствие чего оно нецелесообразно.

Примеры реализации способа
Для производства штрипсов отливают слябы из низколегированной ниобийванадиевой стали следующего химического состава, мас.%:
C - 0,10
Si - 0,6
Mn - 0,7
Nb - 0,03
V - 0,11
Al - 0,04
Fe+примеси - Остальное
Слябы загружают в нагревательную печь с шагающими балками и разогревают до температуры 1230^oС.

Разогретые слябы выталкивают на печной рольганг непрерывного широкополосного стана 2000 и осуществляют их горячую прокатку в штрипсы толщиной 8 мм. Температуру конца прокатки на выходе из последней клети прокатного стана поддерживают равной Т_кп=860^oС. Регулирование Т_кп производят изменением скорости прокатки и межклетевым охлаждением штрипсов водой.

Выходящие из стана штрипсы транспортируют по отводящему рольгангу стана с одновременным двухсторонним душированием охлаждающей водой. За счет принудительного охлаждения температуру штрипсов снижают до заданной температуры смотки Т_см=635^oС, при которой штрипсы сматывают в рулоны.

Смотанные рулоны транспортируют на склад и устанавливают в вертикальном положении в стопы друг на друга, где производят их полное охлаждение за время τ=96 ч. Время охлаждения устанавливают изменением числа рулонов в стопе и принудительным обдувом рулонов воздухом.

В табл. 2 приведены варианты реализации предложенного способа и свойства горячекатаных штрипсов.

Из табл. 2 следует, что при использовании предложенного способа (варианты 2-4) достигается одновременное повышение вязкостных свойств штрипсов и стойкости против сульфидного растрескивания под напряжением. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) вязкостные и антикоррозионные свойства штрипсов ухудшаются. Также более низкие свойства штрипсов получены при использовании способа-прототипа (вариант 6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что при температуре конца прокатки 840-880^oС, смотки штрипсов в рулоны при 620-650^oС и охлаждении рулонов до температуры окружающей среды за время 72-120 ч формируется оптимальная микроструктура штрипса, хорошо противостоящая хрупкому разрушению и химически агрессивным сульфидам, входящим в состав нефти и газа, транспортируемым по трубопроводу под давлением. За счет этого достигается повышение качества штрипсов и стойкость трубопроводов.

В качестве базового объекта при определении экономической эффективности новой технологии принят способ-прототип. Использование предложенного способа позволит повысить рентабельность производства штрипсов из низколегированной ниобийванадиевой стали на непрерывном широкополосном стане на 10 -12 %.

Источники информации
1. Патент США 5509977, МПК С 22 С 38/14, 1996.

2. Заявка Японии 63-161118, МПК С 21 D 8/00, С 22 С 38/00,1988.

3. В.И. Погоржельский. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла. - М.: Металлургия, 1986, с.134-135 - прототип.