низколегированная сталь

Формула изобретения

1. Низколегированная сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, ванадий, алюминий, железо и примеси, отличающаяся следующим соотношением компонентов, мас.%:

Углерод	0,05-0,15
Марганец	0,40-0,65
Хром	0,50-0,80
Кремний	0,30-0,80
Ванадий	0,04-0,09
Алюминий	0,02-0,05
Железо и примеси	Остальное

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

Азот	Не более 0,008
Никель	Не более 0,30
Медь	Не более 0,25
Водород	Не более 0,0002

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

2. Низколегированная сталь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и ниобий, при этом суммарное содержание ванадия, титана и ниобия не превышает 0,15 мас.%.

Описание изобретения к патенту

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.%:

Углерод	0,12-0,18
Кремний	0,17-0,37
Марганец	0,40-0,70
Хром	0,80-1,10
Ванадий	0,06-0,12
Медь	не более 0,30
Сера	не более 0,035
Фосфор	не более 0,035
Железо	остальное

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.%:

Углерод	0,18-0,22
Кремний	0,20-0,40
Марганец	0,50-0,80
Никель	0,05-0,40
Хром	не более 0,4
Ванадий	0,02-0,05
Алюминий	0,01-0,04
Кальций	0,01-0,02
Железо	остальное

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.%:

Углерод	0,12-0,18
Марганец	1,0-1,8
Кремний	0,4-0,7
Хром	0,4-0,8
Алюминий	0,01-0,05
Ванадий	0,04-0,08
Азот	0,009-0,015
Медь	0,1-0,4
Никель	0,01-0,34
Кальций	0,001-0,05
Железо	остальное

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.%:

Углерод	0,05-0,15
Марганец	0,40-0,65
Хром	0,50-0,80
Кремний	0,30-0,80
Ванадий	0,04-0,09
Алюминий	0,02-0,05
Железо и примеси	остальное

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

Азот	не более 0,008
Никель	не более 0,30
Медь	не более 0,25
Водород	не более 0,0002

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.

Таблица 1 Химический состав низколегированных сталей
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Mn	Cr	Si	V	Al	N	Ni	Cu	Н	Ti	Nb	Fe	Ca/S
1	0,04	0,35	0,48	0,25	0,03	0,016	0,008	0,02	0,02	0,0002	0,00	0,00	ост	0,9
2	0,05	0,40	0,60	0,40	0,09	0,020	0,008	0,20	0,25	0,0002	0,00	0,00	ост	1
3	0,11	0,50	0,70	0,55	0,06	0,035	0,008	0,30	0,12	0,0002	0,00	0,00	ост	1,2
4	0,12	0,50	0,50	0,80	0,09	0,045	0,008	0,25	0,15	0,0002	0,00	0,00	ост	1,5
5	0,12	0,50	0,50	0,65	0,08	0,036	0,008	0,25	0,14	0,0002	0,01	0,05	ост	1,5
6	0,15	0,65	0,80	0,30	0,08	0,035	0,008	0,10	0,09	0,0002	0,00	0,00	ост	1,6
7	0,12	0,50	0,60	0,94	0,09	0,044	0,008	0,25	0,28	0,0004	0,00	0,00	ост	1,5
8	0,16	0,70	1,00	0,40	0,12	0,038	0,010	0,35	0,17	0,0002	0,00	0,00	ост	1,9
9 (прототип)	0,18	1,80	0,80	0,70	0,08	0,047	0,015	0,34	0,20	-	0,00	0,00	ост	-

Таблица 2 Механические свойства низколегированных сталей
№ состава	в, МПа	т, МПа	, %	в/ т	KCU -40 Дж/см2	KCV -40 Дж/см2	KCU -60 Дж/см2
1	480	390	32	0,81	-	250	230
2	506	430	30	0.85	-	240	210
3	550	470	28	0,85	-	220	180
4	600	517	23	0,86	-	157	140
5	605	512	26	0,85	-	200	180
6	610	540	22	0,89	-	110	130
7	578	530	20	0,92	-	93	81
8	630	570	21	0,90	-	95	105
9 (прототип)	930	835	19	0,90	127	-	-

Таблица 3 Коррозийные характеристики низколегированных сталей
№ состава	Скорость коррозии в среде NACE Km, мм/год	Скорость коррозии в среде H2S+HCl, Km, мм/год	Водородное растрескивание		Пороговое напряжение СКРН th, % от т	Пороговый коэффициент интенсивности напряжений Kissc , МПа·м1/2
			CLR, %	CTR, %
1	0,53	5,1	4	1	75	43
2	0,30	3,0	0	0	75	45
3	0,32	3,0	0	о	80	46
4	0,50	3,8	0	о	70	37
5	0,35	2,9	0	о	80	43
6	0,60	8,3	0	о	70	32
7	0,51	4,3	1	0,5	65	23
8	0,64	19,2	3	1	65	24
9 (прототип)	1,70	48,8	17	5	55	17

Таблица 4 Показатели свариваемости низколегированных сталей
№ Состава	Сэ	Рсм
1	0,20	0,10
2	0,28	0,15
3	0,37	0,22
4	0,35	0,23
5	0,36	0,22
6	0,45	0,25
7	0,38	0,25
8	0,54	0,30
9 (прототип)	0,69	0,37