Результат интеллектуальной деятельности: СТАЛЬ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕ- И ГАЗОПРОВОДОВ

Изобретение относится к металлургии, конкретно к низколегированным сталям, стойким против водородного растрескивания, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера, должна сочетать высокую прочность, свариваемость, коррозионную стойкость и стойкость к водородному растрескиванию в агрессивных сульфидосодержащих средах (табл.1).

Известна низколегированная сталь для магистральных нефте- и газопроводов [1], имеющая следующий химический состав, мас.%:
Углерод - 0,20 - 0,40
Кремний - 0,10 - 0,40
Марганец - 0,50 - 1,2
Фосфор - ≤ 0,010
Сера - ≤ 0,003
Хром - 0,080 - 1,50
Молибден - 0,10 - 0,60
Титан - 0,005 - 0,03
Ниобий - 0,005 - 0,10
Алюминий - 0,01 - 0,06
Кальций - 0,001 - 0,005
Азот - 0,0010 - 0,0090
Железо - Остальное
Сталь известного состава имеет низкие вязкостные свойства при температурах испытания -60^oС и недостаточную стойкость против водородного растрескивания.

Известна также низколегированная сталь [2] следующего химического состава, мас.%:
Углерод - 0,05 - 0,15
Марганец - 1,2 - 2,0
Кремний - 0,15 - 0,60
Ванадий - 0,03 - 0,15
Ниобий - 0,005 - 0,10
Алюминий - 0,006 - 0,06
Азот - 0,002 - 0,015
Титан - 0,005 - 0,10
Хром - 0,01 - 0,30
Никель - 0,01 - 0,30
Медь - 0,01 - 0,30
РЗМ - 0,002 - 0,050
Сера - ≤ 0,01
Фосфор - ≤ 0,02
Железо - Остальное
Данная сталь также характеризуется недостаточной вязкостью при отрицательных температурах и имеет низкую стойкость в средах, содержащих сульфидные соединения. Все это не позволяет использовать известную сталь для магистральных нефте- и газопроводов, работающих в условиях Крайнего Севера.

Наиболее близкой по своему химическому составу и свойствам к предлагаемой стали является сталь [3], принятая в качестве прототипа и содержащая, мас.%:
Углерод - 0,03 - 0,11
Марганец - 0,90 - 1,80
Кремний - 0,06 - 0,60
Хром - 0,005 - 0,30
Никель - 0,005 - 0,30
Ванадий - 0,02 - 0,12
Ниобий - 0,03 - 0,10
Титан - 0,010 - 0,040
Алюминий - 0,010 - 0,055
Кальций - 0,001 - 0,005
Сера - 0,0005 - 0,008
Фосфор - 0,0005 - 0,010
Азот - 0,001 - 0,012
Медь - 0,005 - 0,25
Сурьма - 0,0001 - 0,005
Олово - 0,0001 - 0,007
Мышьяк - 0,0001 - 0,008
Железо - Остальное
причем суммарное содержание фосфора Р, сурьмы Sb, мышьяка As и олова Sn должно удовлетворять соотношению: 2P+Sn+Sb+As<0,035.

Недостатки стали известного состава состоят в том, что она характеризуется низкими вязкостными свойствами, в особенности при отрицательных температурах, недостаточной коррозионной стойкостью (не выдерживает испытаний на стойкость против водородного растрескивания). Сталь нетехнологична в производстве, так как требует проведения специальных мероприятий по удалению фосфора, введению сурьмы, олова и мышьяка в регламентированных количествах. Кроме того, сурьма, олово и мышьяк существенно ухудшают механические свойства стали, вследствие чего введение их в качестве легирующих элементов не представляется целесообразным.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении вязкостных свойств, стойкости против водородного растрескивания и технологичности производства стали.

Для решения поставленной технической задачи сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, ванадий, ниобий, алюминий, азот, кальций, хром, никель, медь, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,04 - 0,12
Марганец - 0,7 - 1,7
Кремний - 0,2 - 0,9
Ванадий - 0,03 - 0,12
Ниобий - 0,02 - 0,08
Алюминий - 0,02 - 0,06
Азот - 0,004 - 0,010
Кальций - 0,001 - 0,020
Хром - ≤ 0,3
Никель - ≤ 0,3
Медь - ≤ 0,30
Титан - ≤ 0,03
Сера - ≤ 0,008
Фосфор - ≤ 0,015
Молибден - 0,001 - 0,15
Железо - Остальное
Углерод в стали предложенного состава определяет ее прочностные свойства. Снижение содержания углерода менее 0,04% приводит к падению прочности ниже допустимого уровня. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% ухудшает пластичность и вязкость стали.

Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,7% снижается прочность стали и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,7% приводит к образованию бейнитной структуры в середине по толщине проката, что снижает хладостойкость и ухудшает сопротивление против водородного растрескивания.

Кремний раскисляет и упрочняет сталь, повышает ее упругие свойства, упрочняет ферритную фазу. При содержании кремния менее 0,2% прочность стали недостаточна. Увеличение содержания кремния более 0,9% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, охрупчивает сталь, ухудшает ее пластичность.

Ванадий и ниобий образуют с углеродом карбиды VC, NbC, а с азотом - нитриды VN, NbN. Мелкие нитриды и карбонитриды ванадия и ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокаций и тем самым упрочняют сталь. При содержании ванадия менее 0,03% и ниобия менее 0,02% их влияние недостаточно велико, свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ванадия более 0,12% или ниобия более 0,08% вызывает дисперсионное твердение и приводит к охрупчиванию границ зерен. Это ухудшает свойства стали.

Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При содержании алюминия менее 0,02% его воздействие проявляется слабо, сталь имеет низкие механические свойства. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к ухудшению свариваемости.

Азот является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Поэтому при снижении концентрации азота менее 0,004% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Повышение концентрации азота сверх 0,010% приводит к снижению вязкостных свойств при отрицательных температурах, что недопустимо.

Кальций является модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает серу в глобулярные сульфиды, повышая вязкостные свойства стали. При концентрации кальция менее 0,001% его действие проявляется слабо. Увеличение концентрации кальция более 0,02% увеличивает количество и размеры неметаллических включений, ухудшает стойкость против водородного растрескивания.

Хром, никель и медь способствуют повышению прочностных свойств, но при содержании каждого из этих элементов более 0,3% имеет место снижение ударной вязкости стали при отрицательных температурах.

Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако при сварке титан полностью выгорает, поэтому его количество в стали не должно превышать 0,03%.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы не более 0,008% и фосфора не более 0,015% их вредное действие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали. В то же время более глубокое удаление серы и фосфора удорожает сталь, делает ее производство нетехнологичным.

Молибден в количестве 0,001-0,15% обеспечивает повышение стойкости данной стали против водородного растрескивания, повышает вязкость при отрицательных температурах. При концентрации молибдена менее 0,001% сталь не выдерживает испытания на стойкость против водородного растрескивания и в горячекатаном состоянии полосы склонны к охрупчиванию. Увеличение концентрации молибдена сверх 0,15% не приводит к дальнейшему улучшению ее механических свойств, а лишь увеличивает затраты на легирующие материалы.

В таблице 2 приведены химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей, а в таблице 3 - свойства этих же сталей.

Как следует из табл. 2 и 3, сталь предложенного состава (составы 2-4) обладает более высокими вязкостными свойствами при отрицательных температурах, а также повышенной стойкостью против водородного растрескивания. За счет исключения необходимости проведения глубокой десульфурации и дефосфорации повышается технологичность ее производства.

В случаях запредельных значений концентрации легирующих элементов и примесей (составы 1 и 5), а также при использовании стали известного химического состава (состав 6), принятого в качестве прототипа, вязкостные свойства стали ухудшаются. Стали этих составов не выдерживают испытания на стойкость против водородного растрескивания и нетехнологичны в производстве.