Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано при получении штрипсов для производства сероводородостойких газонефтепроводных труб, сваренных с использованием нагрева токами высокой частоты.
Штрипсы для изготовления нефтегазопроводных труб, используемые для транспортирования сероводородсодержащих углеводородов в условиях Крайнего Севера, должны отвечать следующему комплексу свойств (табл.1):
|
Известен способ производства штрипсов из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1160-1190°С, черновую прокатку, чистовую прокатку с суммарным относительным обжатием не менее 70% при температуре конца прокатки не выше 820°С. После прокатки штрипсы подвергают закалке водой с температуры 900-950°С и отпуску при температуре 600-730°С. При этом низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
|
Недостатки известного способа состоят в том, что штрипсы имеют низкие хладостойкость, свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания. Кроме того, дополнительное термическое улучшение штрипсов удорожает их производство.
Известен также способ производства штрипсов категории прочности Х65 из низколегированной стали следующего состава, мас.%:
|
при этом ,
и .
Способ включает нагрев слябов до температуры 1170-1420°С, их черновую прокатку до промежуточной толщины и чистовую прокатку в температурном интервале 910-710°С с суммарным относительным обжатием 60-80% [2].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает высокой хладостойкости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства штрипсов из низколегированной стали следующего химического состава, мас.%:
|
Способ включает нагрев слябов до температуры 1220-1280°С, многопроходные черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с температурой конца прокатки 820-880°С и ускоренное охлаждение штрипсов водой до температуры 580-660°С [3].
Недостатки известного способа состоят в том, что он не обеспечивает одновременного получения высокой хладостойкости и стойкости против сероводородного растрескивания штрипсов.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении хладостойкости и стойкости против штрипсов, против сероводородного растрескивания.
Для решения поставленной технической задачи в известном способе производства штрипсов из низколегированной стали, включающем нагрев слябов, многопроходную черновую и чистовую прокатку с регламентируемой температурой конца прокатки и охлаждение штрипсов водой, согласно предложению, чистовую прокатку начинают при температуре не выше 980°С, ведут с суммарным относительным обжатием не менее 70% и завершают при температуре 830-870°С, а охлаждение штрипсов водой ведут до температуры 520-620°С, причем низколегированная сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
|
Кроме того, содержание химических элементов в низколегированной стали удовлетворяет соотношениям:
где С, Мn, Сr, Сu, Si, Ni, V, В, Al, N - содержание в стали углерода, марганца, хрома, меди, кремния, никеля, ванадия, алюминия и азота соответственно.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Комплекс эксплуатационных и механических свойств штрипсов определяется микроструктурно-фазовым состоянием низколегированной стали, которое, в свою очередь, зависит от химического состава стали и режимов ее многоциклововой деформационно-термической обработки.
Известные способы производства штрипсов из низколегированной стали не обеспечивают одновременное сочетание высокой свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания, т.к. повышение стойкости против сероводородного растрескивания за счет увеличения степени легирования стали неизбежно ухудшает ее свариваемость, снижает пластические и вязкостные свойства штрипсов при отрицательных температурах. Предлагаемые деформационно-термические режимы производства штрипсов и химический состав низколегированной стали позволяют сформировать в процессе многопроходной прокатки и охлаждения водой оптимальный фазовый состав, микроструктуру и механические свойства стали, в особенности высокую пластичность и ударную вязкость при отрицательных температурах.
Легирование стали марганцем, хромом, ниобием, титаном, алюминием в заданных количествах и соотношениях и ограничение концентрации примесных элементов обеспечивает повышение стойкости против сероводородного растрескивания. При этом, поскольку легирование осуществлено в минимально достаточной степени, свариваемость штрипсов остается высокой.
При многопроходной чистовой прокатке в температурном диапазоне от температуры начала прокатки Тнп≤980°С до температуры конца прокатки Ткп=830-870°С с суммарным относительным обжатием εΣ≥70% обеспечивается диспергирование аустенитной микроструктуры низколегированной стали, благодаря чему сталь предложенного состава после ускоренного охлаждения водой приобретает высокие прочностные, пластические и вязкостные свойства при отрицательных температурах.
Экспериментально установлено, что при Тнп>980°С в процессе многопроходной чистовой прокатки интенсифицируются процессы динамической и статической рекристаллизации деформированного аустенита. В результате не обеспечивается измельчение аустенитных зерен и получение заданного комплекса механических свойств штрипсов.
При Ткп>870°С или εΣ<70% возрастает неравномерность размеров аустенитных зерен. Это снижает вязкостные и прочностные свойства готовых штрипсов, а также их стойкость против сероводородного растрескивания. Снижение Ткп менее 830°С приводит к формированию анизотропной микроструктуры стали предложенного состава, падению ударной вязкости KCU-60 и доли волокнистой составляющей Q-20 ниже допустимого уровня.
При охлаждении прокатанных штрипсов водой до температуры Тcм>620°С происходит самопроизвольное разупрочнение горячекатаной стали, что ведет к снижению прочностных свойств менее допустимых значений. Снижение Тсм менее 520°С не ведет к повышению механических и эксплуатационных свойств штрипсов, а лишь увеличивает расход охлаждающей воды и энергозатрат на работу насосов, что нецелесообразно.
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 0,09% ухудшает свариваемость и стойкости против сероводородного растрескивания.
Кремний раскисляет и упрочняет сталь. При содержании кремния менее 0,15% прочность и раскисленность стали недостаточны. Увеличение содержания кремния более 0,37% приводит к возрастанию количества силикатных неметаллических включений, ухудшает ее пластичность и ударную вязкость.
Марганец введен для раскисления и повышения прочности стали, связывания примесной серы в сульфиды. При содержании марганца менее 0,60% снижается прочность стали, доля вязкой составляющей в изломе и вязкость при отрицательных температурах. Повышение концентрации марганца сверх 1,30% приводит к снижению пластичности, ухудшению свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Хром играет важную роль в обеспечении одновременно высокой прочности, вязкости, пластичности, коррозионной стойкости штрипсов. Благодаря наличию хрома в стали, при охлаждении после многоциклового деформирования, в ней формируется мелкодиспергированная микроструктура, обладающая высокими вязкостными свойствами при отрицательных температурах. Снижение содержания хрома менее 0,05% ухудшает стойкость против сероводородного растрескивания. Увеличение концентрации хрома более 0,50% ухудшает свариваемость штрипсов.
Ниобий образуют с углеродом карбиды NbC. Мелкие карбиды ниобия располагаются по границам зерен и субзерен, тормозят движение дислокации и, тем самым, упрочняют сталь. При содержании ниобия менее 0,01% его влияние недостаточно велико, прочностные свойства стали ниже допустимого уровня. Увеличение концентрации ниобия более 0,04% ухудшает свариваемость, вызывает дисперсионное твердение и охрупчивание границ зерен микроструктуры. Это приводит к снижению доли вязкой составляющей в изломе и потере ударной вязкости при отрицательных температурах, а также снижению стойкости против сероводородного растрескивания.
Титан является сильным карбидообразующим элементом, упрочняющим сталь. Снижение содержания титана менее 0,01% ухудшает прочность и пластичность стали. Однако при сварке титан полностью выгорает, поэтому его количество в стали не должно превышать 0,03%.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. При концентрации алюминия менее 0,01% его положительное влияние не проявляется. Вместе с тем, увеличение содержания алюминия более 0,05% приводит к ухудшению свариваемости штрипсов и труб.
Ванадий является сильным раскисляющим и карбидообразующим примесным элементом. Однако увеличение содержания ванадия более 0,04% нецелесообразно, т.к. ведет к ухудшению свариваемости штрипсов и стойкости против сероводородного растрескивания.
Кальций оказывает модифицирующее действие, что позволяет повысить эксплуатационные свойства штрипсов, повысить ударную вязкость при - 60°С. Тем не менее, увеличение содержания кальция более 0,005% приводит к росту количества и размеров неметаллических включений, снижению пластичности и ударной вязкости горячекатаных штрипсов.
Азот входит в состав карбонитридов и нитридов, упрочняющих сталь. Увеличение содержание азота более 0,010 приводит к резкому снижению пластичности и вязкости стали при отрицательных температурах.
Бор упрочняет твердый раствор по механизму внедрения, повышает прочность и вязкость стали, измельчает микроструктуру. Увеличение влияния бора более 0,005% приводит к появлению по границам зерен избыточных фаз (боридов), что снижает ударную вязкость стали при отрицательных температурах.
Примеси никеля и меди способствуют повышению прочностных свойств, но при содержании более 0,3% никеля и более 0,3% меди имеет место снижение хладостойкости штрипсов, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания.
Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации фосфора более 0,012% и серы более 0,005% ухудшаются механических свойств штрипсов, особенно ударная вязкость, снижается стойкости против сероводородного растрескивания.
Показатель Рсм характеризует степень легирования стали и ее стойкость против сероводородного растрескивания. Если
то в большинстве случаев показатели CLR или CTR превышают допустимое значение, низколегированную сталь такого состава нельзя назначать на производство штрипсов, стойких против сероводородного растрескивания.
При низколегированная сталь содержит несвязанный азот, и готовые штрипсы имеют недостаточную хладостойкость.
Примеры реализации способа
В кислородном конвертере осуществляют выплавку низколегированных сталей для производства штрипсов. Выплавку производят из передельного чугуна с добавками отобранного металлического лома. Полученные расплавы раскисляют ферросилицием, ферромарганцем, легируют феррованадием, феррониобием, ферротитаном, ферробором, вводят металлический алюминий и хром, силикокальций. Производят десульфурацию и дефосфорацию расплава, продувку аргоном. Химический состав низколегированных сталей для штрипсов приведен в таблице 2.
Слябы с химическим составом №3 (табл.2) загружают в методическую печь непрерывного широкополосного стана 2000 и осуществляют их нагрев до температуры аустенитизации Та=1160°С.
|
Разогретые слябы прокатывают за 5 проходов в черновой группе клетей в раскаты толщиной Н=40,0 мм.
Полученные раскаты при температуре Тнп=°С задают в непрерывную 7-клетевую чистовую группу и прокатывают в штрипсы конечной толщины h=8,0 мм с температурой конца прокатки Ткп=850°С. Суммарное относительное обжатие при чистовой прокатке εΣ составляет:
Заданную температуру Ткп обеспечивают за счет применения межклетевого охлаждения раскатов водой.
Прокатанные штрипсы подвергают ускоренному охлаждению до температуры Тсм=600°С ламинарными струями воды в процессе транспортирования по отводящему рольгангу к моталкам. Охлажденные полосы сматывают в рулоны.
Варианты реализации способа производства штрипсов из низколегированной стали и показатели их эффективности приведены в таблице 3.
|
Из данных, приведенных в таблице 3, следует, что в случаях реализации предложенного способа (варианты №2-5) достигается повышение хладостойкости штрипсов, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №6) имеет место снижение хладостойкости, свариваемости и стойкости против сероводородного растрескивания штрипсов. Также низкая хладостойкость и стойкость против сероводородного растрескивания присущи штрипсам, произведенным согласно способу-прототипу (вариант №7).
Технико-экономические преимущества предложенного способа заключаются в том, что нагрев слябов из низколегированной стали предложенного состава и соотношением содержаний химических элементов до температуры аустенитизации, последующая их многопроходная черновая
прокатка и многопроходная чистовая прокатка с суммарным относительным обжатием не менее 70%, с температурой конца прокатки 830-870°С и охлаждением штрипсов водой до температуры 520-620°С обеспечивают формирование заданного диспергированного микроструктурно-фазового состава штрипсов. Благодаря этому штрипсы имеют повышенные хладостойкость, свариваемость и стойкость против сероводородного растрескивания.
Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства штрипсов повышенной прочности для труб нефтегазопроводов, сваренных с использованием ТВЧ, на 15-20%.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2255123, МПК C21D 8/02, С22С 38/58, 2005 г.
2. Патент Российской Федерации №2241769, МПК C21D8/02, С22С 38/58, В21В 1/26, 2004 г.
3. Патент Российской Федерации №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г. - прототип.