азотсодержащая коррозионно-стойкая сталь для изготовления нефтегазопроводных труб

Формула изобретения

Азотсодержащая коррозионно-стойкая сталь для изготовления нефтегазопроводных труб, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, ниобий, молибден, алюминий, РЗМ, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

углерод	не более 0,05
марганец	не более 0,60
кремний	не более 0,60
хром	1,50-3,00
ванадий	0,06-0,12
ниобий	0,06-0,12
молибден	0,20-0,40
алюминий	0,025-0,40
РЗМ	не более 0,05
азот	0,10-0,30
железо и неизбежные примеси	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным сталям, предназначенным для изготовления нефтегазопроводных труб и другого оборудования для нефтяной промышленности, обладающих необходимыми механическими свойствами и коррозионной стойкостью в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Известна сталь, предназначенная для изготовления магистральных труб для перекачки нефтепродуктов в условиях северных широт, содержащая, мас.%: углерод 0,06-0,13, марганец 0,3-0,7, кремний 0,15-0,40, хром 0,40-0,70, молибден 0,08-0,15, церий 0,002-0,05, алюминий 0,01-0,07, железо - остальное (патент РФ № 2122045, МПК C22C 38/28). Данная сталь не является коррозионно-стойкой к углекислотной коррозии и не обеспечивает необходимую стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и биокоррозии.

Известна также сталь для изготовления нефте-, газо- и продуктопроводов, морских платформ, сварных конструкций, описанная в патенте РФ № 2241780, МПК C22C 38/60 и характеризующаяся следующим составом, мас.%:

углерод	0,02-0.11
кремний	0,06-0,60
марганец	0,10-1,80
хром	0,005-0,30
никель	0,005-1,00
ванадий	0,01-0,12
ниобий	0,02-0,10
титан	0,01-0,04
фосфор	0,001-0,012
азот	0,001-0,012
медь	0.005-0,25
сурьма	0,0001-0,008
мышьяк	0,0001-0,008
олово	0,0001-0,007
железо	остальное

Указанная сталь обладает достаточно высокими прочностными характеристиками и высокой вязкостью при отрицательных температурах, однако не является коррозионно-стойкой к углекислотной и бактериальной коррозии.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является коррозионно-стойкая сталь для нефтепродуктопроводов (патент РФ № 2361958, МПК C22C 38/00), характеризующаяся следующим содержанием ингредиентов, мас.%:

углерод	0,03-0,12
марганец	0,40-0,70
кремний	0,17-0,40
хром	0,50-1,20
ванадий	0,04-0,10
ниобий	0,03-0,06
молибден	0,15-0,30
алюминий	не более 0,06
РЗМ	0,002-0,01
железо и неизбежные примеси	остальное

Описанная сталь имеет высокую коррозионную стойкость в сероводородсодержащей среде, но низкие прочностные, вязко-пластические характеристики и недостаточный уровень коррозионной стойкости в CO₂ -содержащих средах.

Задачей настоящего изобретения является создание стали для нефтегазопроводных труб, обладающих необходимыми прочностными характеристиками, хорошей свариваемостью, повышенной стойкостью к углекислотной, сероводородной, бактериальной коррозии и пригодных для эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Поставленная задача решается путем того, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, ванадий, ниобий, молибден, алюминий, РЗМ, железо и неизбежные примеси, в отличие от прототипа дополнительно содержит азот при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

углерод	не более 0.05
марганец	не более 0,60
кремний	не более 0,60
хром	1,50-3,00
ванадий	0,06-0,12
ниобий	0,06-0,12
молибден	0,20-0,40
алюминий	0,025-0,40
РЗМ	не более 0,05
азот	0,10-0,30
железо и неизбежные примеси	остальное

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в том, что легирование стали азотом в указанном количестве в совокупности с нитридообразующими элементами (ванадий, ниобий и алюминий) обеспечивает получение необходимых прочностных и вязко-пластических характеристик при высокой стойкости к сульфидной, углекислотной и бактериальной коррозии. Нитридные выделения используются в качестве дисперсных упрочнителей аналогично карбидным в сталях с более высоким содержанием углерода. За счет того, что атомный радиус азота меньше атомного радиуса углерода, азот имеет большее сродство с твердым раствором, чем углерод. Это позволяет создать равномерно распределенные по структуре выделения. Нитриды в отличие от карбидов не склонны к коагуляции. Поэтому нитриды легирующих элементов сдерживают рост аустенитного зерна и повышение прочности возможно не только по дисперсионному механизму упрочнения, но и по зернограничному. Также, согласно уравнению Петтча-Холла, чем меньше размер зерна, тем больше предел текучести.

Содержание в химическом составе стали азота менее 0,10 мас.% не обеспечивает эффект повышения прочности за счет образования нитридов или карбонитридов легирующих элементов. Ограничение содержания азота до 0,30 мас.% обусловлено ограниченной растворимостью азота в железе. Наличие в химическом составе стали углерода не более 0,05 мас.% необходимо для получения стали с необходимым уровнем свариваемости. При содержании углерода более 0,05 мас.% снижаются вязко-пластические и коррозионные свойства стали за счет формирования в структуре стали карбидов хрома.

За счет введения в состав стали нитридо- и карбонитридообразующих элементов (ниобий и ванадий) в структуре предлагаемой стали уменьшается количество выделений, содержащих молибден и хром, вследствие чего повышается количество хрома и молибдена в твердом растворе, что оказывает положительное влияние на стойкость к углекислотной коррозии, поскольку хром и молибден склонны к образованию на поверхности стали защитных аморфных фаз, повышающих коррозионную стойкость. При содержании хрома в стали менее 1,5 мас.% не обеспечивается стойкость труб к углекислотной коррозии, а при содержании хрома свыше 3,0 мас.% ухудшается стойкость труб к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН). Трубы, изготовленные из стали с содержанием молибдена менее 0,2 мас.%, не обладают хладостойкостью, а при содержании молибдена свыше 0,4 мас.% снижается стойкость труб к СКРН.

При содержании ванадия свыше 0,12 мас.% наблюдается значительное ухудшение свариваемости, а содержание ниобия свыше 0,12 мас.% приводит к появлению грубых карбонитридов, что негативно сказывается на стойкости стали к коррозионному растрескиванию. Введение ванадия и ниобия менее 0,06 мас.% не обеспечит формирования в структуре стали карбонитридов ванадия и ниобия, необходимых для повышения стойкости к углекислотной коррозии.

Введение редкоземельных металлов положительно сказывается на стойкости стали к сульфидной коррозии, т.к. они связывают серу в оксисульфиды и гидриды. Содержание РЗМ выше 0,05 мас.% может привести к излишнему обогащению границ зерен РЗМ, что вызовет склонность стали к межзеренному разрушению и, следовательно, приведет к уменьшению вязкости, повышению температуры хрупко-вязкого перехода и снижению стойкости к СКРН.

Введение алюминия в указанном количестве достаточно для связывания растворенного кислорода в прочные оксиды. При введении алюминия больше 0,40 мас.% возможно формирование в границах кристаллов нитридов алюминия пленистых форм, охрупчивающих сталь. При содержании алюминия менее 0,025 мас.% сталь не будет являться раскисленной.

Сущность предложенного изобретения и обеспечиваемый им технический результат поясняются данными проведенных исследований, представленными в таблицах, где в Таблице 1 приведены варианты химического состава стали, в Таблице 2 - механические свойства, в Таблице 3 - результаты коррозионных испытаний.

Таблица 1
№	Массовые доли элементов, %	Рсм, %
C	Si	Mn	Cr	Mo	Al	V	Nb	РЗМ	N
1	0.03	0.2	0.5	3.0	0.30	0.025	0.06	0.08	0.04	0.1	0.24
2	0.04	0.5	0.6	2.6	0.25	0.08	0.1	0.12	0.02	0.2	0.24
3	0.03	0.6	0.2	1.8	0.30	0.40	0.08	0.1	0.04	0.15	0.18
4	0.02	0.2	0.5	1.5	0.40	0.10	0.11	0.09	0.02	0.3	0.16
5	0.04	0.6	0.6	2.3	0.20	0.05	0.12	0.07	0.05	0.1	0.23
6	0.05	0.4	0.3	2.9	0.40	0.20	0.07	0.06	0.03	0.25	0.26
7	0.04	0.3	0.4	2.1	0.35	0.30	0.09	0.11	0.05	0.2	0.21

Таблица 3
	Стойкость к СКРН по NACE TMO177, метод А, th, %	Скорость коррозии в CO2-содержащей среде, мм/год	Количество клеток СВБ бактерий в поле зрения при x3000
1	80	0,15	8
2	85	0,20	14
3	85	0,28	12
4	85	0,32	15
5	85	0,26	11
6	85	0,15	9
7	85	0,30	10

Как видно из приведенных данных, совокупность качественного и количественного соотношения ингредиентов предложенного состава стали обеспечивает необходимый уровень прочностных характеристик, свариваемости, хладостойкости, стойкости к углекислотной, сульфидной, а также и к бактериальной коррозии изготовленных из нее труб и оборудования для нефтяной промышленности.