Элементы технологических процессов, контейнеры и трубы для хранения и транспортировки жидкостей при криогенных температурах

Элементы технологических процессов, контейнеры и трубы для хранения и транспортировки жидкостей при криогенных температурах

Реферат

 

Изобретение относится к криогенной технике. Элементы технологических процессов, контейнеры и трубы выполнены из сверхвысокопрочных низколегированных сталей, содержащих менее 9 вес.% никеля и имеющих прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF). Использование изобретения позволит использовать упомянутое оборудование для экономичного хранения и транспортировки веществ, находящихся под давлением при криогенных температурах. 16 с.п. ф-лы, 13 ил.

Область техники Настоящее изобретение относится к элементам технологических процессов, контейнерам и трубам для хранения и транспортировки жидкостей при криогенных температурах. Более конкретно, настоящее изобретение относится к элементам технологического процесса, контейнерам и трубам, которые изготовлены из сверхвысокопрочной низколегированной стали, содержащей менее 9 вес.% никеля и имеющей прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF).

Предшествующий уровень техники В описании даны следующие определения различным терминам. Для удобства здесь дан Словарь терминов, предшествующий формуле изобретения.

Часто в промышленности необходимы элементы технологического процесса, контейнеры и трубы, которые имеют соответствующую ударную вязкость и предназначены для технологического процесса хранения и транспортировки жидкостей при криогенных температурах, а именно при температурах ниже приблизительно -40^oС (-40^oF), без повреждения. Это особенно актуально в области получения углеводородов и в их химической переработке. Например, криогенные процессы используются для обеспечения разделения компонентов в углеводородных жидкостях и газах. Криогенные процессы используются также при сепарации и хранении таких сред, как кислород и двуокись углерода.

Другие криогенные технологические процессы, используемые в промышленности, включают термические циклы при генерировании энергии, процессы охлаждения и процессы ожижения. В термическом процессе генерирования энергии обычно используют обратимый цикл Ранкина и его модификации для генерирования энергии путем утилизации имеющейся в наличии энергии охлаждения из источника со сверхнизкой температурой. В наиболее простой форме цикла соответствующую среду, такую как этилен, конденсируют при низкой температуре, перекачивают под давлением, испаряют и расширяют посредством пропускания через турбину, соединенную с генератором.

Существует широкое разнообразие областей применения, в которых используются насосы для перемещения криогенных жидкостей в технологическом процессе и системах охлаждения, где температура может быть ниже приблизительно -73^oС (-100^oF). Кроме того, когда горючие среды выпускаются в конусную систему в процессе переработки, давление среды понижается, например, посредством предохранительного регулятора давления. Падение давления приводит к снижению температуры среды. Если падение давления является достаточно высоким, то температура полученной в результате среды может оказаться достаточно низкой, чтобы ударная вязкость углеродистых сталей, обычно используемых в расширяющих системах, оказалась неудовлетворительной. Типовые углеродистые стали могут разрушаться при криогенных температурах.

Во многих областях промышленного применения вещества хранятся и транспортируются при высоких давлениях, как, например, сжатые газы. Как правило, контейнеры для хранения и транспортировки сжатых газов изготавливаются из стандартных выпускаемых промышленностью углеродистых сталей или из алюминия для обеспечения ударной вязкости, необходимой контейнерам для транспортирования веществ, которые быстро обрабатываются, и стенки емкостей должны быть относительно толстыми, чтобы обеспечить прочность, необходимую для хранения газа под высоким давлением. Конкретно, газовые баллоны высокого давления широко используются для хранения и транспортировки таких газов, как кислород, азот, ацетилен, аргон, гелий и двуокись углерода. Как вариант, температуру среды можно снижать для получения насыщенной газом жидкости и даже переохлаждения, если необходимо, с тем, чтобы вещество можно было хранить и транспортировать как жидкость. Вещества могут быть ожижены при сочетании давлений и температур, соответствующих условиям температуры начала кипения у веществ. В зависимости от свойств среды может быть экономически выгодно хранить и транспортировать среду в сжатом виде, в условиях криогенной температуры, если существует недорогое средство для хранения и транспортирования находящейся под давлением среды при криогенной температуре. Возможны несколько способов транспортирования находящейся под давлением среды при криогенных температурах, например грузовики-танкеры, автоцистерны или морской транспорт. Когда находящиеся под давлением среды при криогенных температурах подлежат использованию местными распределителями в условиях повышенного давления и при криогенных температурах, помимо контейнеров для хранения и транспортирования, альтернативным способом является трубопроводная распределительная система, т.е. трубопроводы между центральным местом хранения, куда подается и где накапливается среда, в большом объеме при криогенных температурах и местными распределителями или пользователями. Все эти способы транспортирования требуют использования емкостей для хранения и/или трубопроводов, изготовленных из материала, который имеет соответствующую ударную вязкость при криогенных температурах для предотвращения разрушения и соответствующую прочность, чтобы выдерживать высокие давления среды.

Температура вязкохрупкого перехода (DBTT) обеспечивает два режима разрушения в конструкционных сталях. При температурах ниже температуры вязкохрупкого перехода (DBTT) разрушение в стали имеет тенденцию к возникновению (хрупкого) разрушения в низкоэнергетическом диапазоне, тогда как при температурах выше DBTT разрушение в стали имеет тенденцию к возникновению высокоэнергетического вязкого разрушения. Свариваемые стали, используемые в конструкциях контейнеров для хранения и транспортирования для применений при криогенных температурах и для других высоких нагрузок при криогенных температурах, должны иметь температуры вязкохрупкого перехода (DBTT) значительно ниже температуры их службы, как у самой стали, так и в зоне теплового влияния сварки (HAZ), чтобы избежать разрушения сколом в низкоэнергетическом диапазоне.

Никельсодержащие стали, используемые обычно для применений в конструкциях при криогенных температурах, например стали с содержанием никеля свыше приблизительно 3 вес. %, имеют низкие температуры вязкохрупкого перехода (DBTT), но имеют также относительно низкую прочность на разрыв. Как правило, выпускаемые промышленностью стали с 3,5 вес.% Ni, 5,5 вес.% Ni и 9 вес.% Ni имеют температуры вязкохрупкого перехода (DBTT) приблизительно -100^oС (-150^oF), -155^oС (-250^oF) и -175^oС (-280^oF) соответственно и прочность на разрыв приблизительно до 485 МПа (70 кг на квадратный дюйм), 620 МПа (90 кг на квадратный дюйм) и 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) соответственно. Для достижения таких сочетаний прочности и ударной вязкости эти стали обычно подвергаются дорогостоящей обработке, например двойному отжигу. В случае применений при криогенных температурах в промышленности в настоящее время используются эти промышленные никельсодержащие стали благодаря их достаточной ударной вязкости при низких температурах, но при проектировании нужно учитывать их относительно низкую прочность на разрыв. Как правило, для применений при высоких нагрузках и криогенных температурах в конструкциях требуется излишняя толщина стали. Таким образом, использование этих никельсодержащих сталей для применений при высоких нагрузках и криогенных температурах имеет тенденцию к чрезмерным расходам из-за высокой стоимости стали в сочетании с требуемыми толщинами стали.

Хотя некоторые выпускаемые промышленностью углеродистые стали имеют температуры вязкохрупкого перехода (DBTT) такие как приблизительно -46^oС (-50^oF), углеродистые стали, которые используются в основном для изготовления применяемых в промышленности элементов технологических процессов и контейнеров для процессов получения и химической переработки углеводородов, не обладают достаточной ударной вязкостью для использования в условиях криогенных температур. Как правило, для изготовления применяемых в промышленности элементов технологических процессов и контейнеров, которые работают в условиях криогенных температур, обычно используются материалы с более высокой ударной вязкостью, чем у углеродистой стали, например промышленно выпускаемые никельсодержащие стали (от 3,5 до 9 вес.% Ni), алюминий (А1-5083 или А1-5085) или нержавеющие стали. Кроме того, иногда используются специальные материалы, такие как титановые сплавы и специальные композиты из крученого стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой. Однако элементы технологических процессов, контейнеры и/или трубы, изготовленные из этих материалов, часто имеют стенки повышенной толщины, чтобы получить нужную прочность. Это увеличивает вес элементов и контейнеров, которые подлежат установке и/или транспортированию, часто существенно повышают расходы на проектирование. Кроме того, эти материалы имеют тенденцию к более высокой стоимости, чем стандартные углеродистые стали. Дополнительные расходы на установку и транспортирование толстостенных элементов и контейнеров в сочетании с повышенной стоимостью материала для их изготовления приводят в результате к снижению экономической привлекательности проектов.

Существует необходимость в элементах технологических процессов и контейнерах, пригодных для экономичного хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах. Кроме того, существует необходимость в трубах, пригодных для экономичного хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах.

Поэтому основной задачей настоящего изобретения является создание элементов технологических процессов и контейнеров для экономичного хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах и создание труб, пригодных для экономичного хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах. Другой задачей настоящего изобретения является создание таких элементов технологических процессов, контейнеров и труб, которые изготавливаются из материалов, имеющих как соответствующую прочность, так и вязкость разрушения, для содержания в них находящихся под давлением веществ при криогенных температурах.

Краткое описание изобретения В соответствии с поставленными задачами настоящего изобретения разработаны элементы технологических процессов, контейнеры и трубы для хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах. Эти элементы технологических процессов, контейнеры и трубы в соответствии с настоящим изобретением разработаны для изготовления из материалов, включающих сверхвысокопрочные низколегированные стали, содержащие менее 9 вес.% никеля, предпочтительно, содержащие менее приблизительно 7 вес.% никеля, более предпочтительно, содержащие менее приблизительно 5 вес.% никеля и еще более предпочтительно, содержащие менее приблизительно 3 вес.% никеля. Стали имеют сверхвысокую прочность, например прочность на разрыв (как определено здесь) свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) (как определено здесь) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF).

Эти новые элементы технологических процессов и контейнеры могут быть преимущественно использованы, например, в испарителях криогенных установок для улавливания природного газа из жидкостей, в процессах обработки и сжижении ожижаемого природного газа ("LNG"), в процессе с регулируемой зоной замораживания ("CFZ"), впервые разработанном фирмой Ехxon Production Research Company, в криогенных системах охлаждения, в низкотемпературных системах генерирования энергии и в криогенных процессах, связанных с производством этилена и пропилена. Использование этих новых элементов технологических процессов, контейнеров и труб успешно снижают риск холодного хрупкого разрушении, как правило, связанного с обычными углеродистыми сталями, работающими при криогенных температурах. Кроме того, эти элементы технологических процессов и контейнеры могут повысить экономическую привлекательность проекта.

Описание чертежей Преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых на фиг.1 представлена типовая поточная диаграмма технологического процесса, иллюстрирующая использование некоторых элементов технологического процесса в соответствии с настоящим изобретением в метаноотгонной газовой установке; на фиг.2 показан однопроточный теплообменник с фиксированной трубной решеткой в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.3 показан теплообменник котельного ребойлера в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 4 показан сепаратор сырья с расширителем в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 5 показана расширяющая система в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.6 показана система распределения с сетью трубопроводов в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 7 показан конденсатор в соответствии с настоящим изобретением, при использовании в обратимом цикле Ранкина; на фиг.8 показан конденсатор в соответствии с настоящим изобретением при использовании в каскадном цикле охлаждения; на фиг.9 показан испаритель в соответствии с настоящим изобретением при использовании в каскадном цикле охлаждения; на фиг. 10 показана насосная система в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 11 показана технологическая система с колонной в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.12 показана другая технологическая система с колонной в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 13А показан график критической глубины дефекта при данной длине дефекта как функции вязкости разрушения путем свободного распространения конца трещины (CTOD) и остаточных напряжений; на фиг.13В показана геометрия (длина и глубина) дефекта.

Хотя настоящее изобретение будет описано в соответствии с его предпочтительными вариантами, должно быть понятно, что они не ограничивают изобретения. Наоборот, изобретение предполагает включение в объем его притязаний всех вариантов, модификаций и эквивалентов, не отходящих от существа и объема изобретения, как определено формулой изобретения.

Подробное описание изобретения Настоящее изобретение относится к новым элементам технологических процессов, контейнерам и трубам, используемым для переработки, хранения и транспортирования веществ при криогенных температурах и, кроме того, к элементам технологических процессов, контейнерам и трубам, которые изготовлены из материалов, включающих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую менее 9 вес.% никеля и имеющую прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF). Предпочтительно сверхвысокопрочная низколегированная сталь имеет повышенную ударную вязкость при криогенных температурах как в базовом толстом листе, так и в зоне теплового влияния сварки (HAZ).

Разработаны элементы технологических процессов, контейнеры и трубы, используемые для переработки и хранения веществ при криогенных температурах, при этом элементы технологических процессов, контейнеры и трубы изготовлены из материалов, включающих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую менее 9 вес.% никеля и имеющую прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DRTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF). Предпочтительно сверхвысокопрочная низколегированная сталь содержит менее приблизительно 7 вес.% никеля и, более предпочтительно, содержит менее приблизительно 5 вес.% никеля. Предпочтительно сверхвысокопрочная низколегированная сталь имеет прочность на разрыв свыше 860 МПа (125 кг на квадратный дюйм), а более предпочтительно свыше 900 МПа (130 кг на квадратный дюйм). Еще более предпочтительно, элементы технологических процессов, контейнеры и трубы в соответствии с настоящим изобретением изготовлены из материалов, включающих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую менее 3 вес.% никеля и имеющую прочность на разрыв свыше 1000 МПа (145 кг на квадратный дюйм) и температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oC (-100^oF).

В пяти одновременно поданных заявках на предварительные патенты США по "PLNG", каждая из которых имеет название "Усовершенствованная система переработки, хранения и транспортирования ожиженного природного газа", описаны контейнеры и морские танкеры для хранения и морского транспортирования находящегося под давлением ожиженного природного газа (PLNG) в широком диапазоне давлений, приблизительно от 1035 МПа (150 кг на квадратный дюйм) до приблизительно 7590 МПа (1100 кг на квадратный дюйм), и в широком температурном диапазоне, приблизительно от -123^oС (-190^oF) до приблизительно -62^oС (-80^oF). Самая последняя из заявок на патенты по PLNG имеет приоритет от 14 мая 1998 г. и зарегистрирована под регистрационным 97006Р4 и имеет номер заявки 60/085467 Ведомства США по патентам и товарным знакам. Первая из заявок на патенты по PLNG имеет приоритет от 20 июня 1997 г. и зарегистрирована Ведомством США под номером заявки 60/050280. Вторая из заявок на патенты по PLNG имеет приоритет от 28 июля 1997 г. и зарегистрирована Ведомством США под номером заявки 60/053966. Третья из заявок на патенты по PLNG имеет приоритет от 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована Ведомством США под номером заявки 60/068226. Четвертая из заявок на патенты по PLNG имеет приоритет от 30 марта 1998 г. и зарегистрирована Ведомством США под номером заявки 60/079904. Кроме того, в заявках на патенты по PLNG описаны системы и контейнеры для переработки, хранения и транспортирования находящегося под давлением ожиженного природного газа (PLNG). Предпочтительно топливо PLNG хранится при давлении приблизительно от 1725 кПа (250 фунтов на квадратный дюйм) до 7590 кПа (1100 фунтов на квадратный дюйм) и при температуре приблизительно от -112^oС (-170^oF) до приблизительно -62^oС (-80^oF). Более предпочтительно, топливный природный газ хранится в диапазоне давлений приблизительно от 2415 кПа (350 фунтов на квадратный дюйм) до 4830 кПа (700 фунтов на квадратный дюйм) и в температурном диапазоне приблизительно от -101^oС (-150^oF) до приблизительно -79^oС (-110^oF). Еще более предпочтительно, нижние пределы давления и температурных диапазонов для топливного природного газа составляют приблизительно 2760 кПа (400 фунтов на квадратный дюйм) и приблизительно -96^oС (-140^oF). Элементы технологических процессов, контейнеры и трубы в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно используются для переработки находящегося под давлением природного газа, без ограничения этим настоящего изобретения.

Сталь для изготовления элементов технологических процессов, контейнеров и труб Для изготовления элементов технологических процессов, контейнеров и труб в соответствии с настоящим изобретением и в соответствии с известными принципами механизмов разрушения, описываемыми здесь, может быть использована любая сверхвысокопрочная низколегированная сталь, содержащая менее 9 вес.% никеля и имеющая соответствующую вязкость разрушения, для хранения при криогенных температурах таких веществ, как находящийся под давлением ожиженный природный газ, в условиях технологического процесса. Примером стали для использования в настоящем изобретении, без ограничения при этом изобретения, является свариваемая сверхвысокопрочная низколегированная сталь, содержащая менее 9 вес.% никеля и имеющая прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм) и соответствующую вязкость для предотвращения возникновения разрушения, т. е. случая разрушения в условиях работы при криогенной температуре. Другим примером стали для использования в настоящем изобретении, без ограничения при этом изобретения, является свариваемая сверхвысокопрочная низколегированная сталь, содержащая менее приблизительно 3 вес.% никеля и имеющая прочность на разрыв, по меньшей мере, приблизительно 1000 МПа (145 кг на квадратный дюйм) и соответствующую вязкость для предотвращения возникновения разрушения, т.е. случая разрушения в условиях работы при криогенной температуре. Стали этих примеров предпочтительно имеют температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF).

Последние достижения в технологии производства сталей позволяют получить новые, сверхвысокопрочные низколегированные стали с повышенной вязкостью разрушения при криогенных температурах. Например, в патентах США на имя "Коо et аl. " 5531842, 5545269 и 5545270 описаны новые стали и способы производства этих сталей для получения толстых стальных листов с прочностью на разрыв приблизительно 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм). 965 МПа (140 кг на квадратный дюйм) и выше. Стали и способы производства, описанные в них, были улучшены и модифицированы для получения комбинированных химических составов сталей и технологического процесса получения сверхвысокопрочных низколегированных сталей с повышенной вязкостью разрушения при криогенных температурах как у самой стали, так и в зоне теплового влияния сварки (HAZ). Эти сверхвысокопрочные низколегированные стали имеют также повышенную вязкость разрушения, выше, чем у стандартных промышленно выпускаемых сверхвысокопрочных низколегированных сталей. Улучшенные стали описаны в одновременно поданной заявке на предварительный патент США под названием "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ С ПОВЫШЕННОЙ ВЯЗКОСТЬЮ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ"; которая имеет приоритет от 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована Ведомством США по патентам и товарным знакам под номером заявки 60/068194; в одновременно поданной заявке на предварительный патент США под названием "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ СОСТАРЕННЫЕ В АУСТЕНИТНОМ СОСТОЯНИИ СТАЛИ С ПОВЫШЕННОЙ ВЯЗКОСТЬЮ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ", которая имеет приоритет от 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована в Ведомстве США под номером заявки 60/068252, и в одновременно поданной заявке на предварительный патент США под названием "СВЕРХВЫСОКОПРОЧНЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ СТАЛИ С ПОВЫШЕННОЙ ВЯЗКОСТЬЮ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ", которая имеет приоритет от 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована Ведомством США под номером заявки 60/068816 (обобщенно, "Заявки на патенты по сталям").

Новые стали, описанные в заявках на патенты по сталям и дополнительно описанные в приведенных ниже примерах, особенно подходят для изготовления элементов технологических процессов, контейнеров и труб в соответствии с настоящим изобретением, при этом эти стали имеют следующие характеристики, предпочтительно для толстых стальных листов толщиной приблизительно 2,5 см (1 дюйм) и более: (i) температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) ниже приблизительно -73^oС (-100^oF), предпочтительно ниже приблизительно -107^oС (-160^oF) у основной стали и в зоне теплового влияния сварки (HAZ); (ii) прочность на разрыв свыше 830 МПа (120 кг на квадратный дюйм), предпочтительно свыше приблизительно 860 МПа (125 кг на квадратный дюйм), а более предпочтительно свыше приблизительно 900 МПа (130 кг на квадратный дюйм); (iii) повышенную свариваемость: (iv) практически однородные по толщине микроструктуру и свойства и (v) повышенную вязкость разрушения по сравнению со стандартными высокопрочными низколегированными сталями, выпускаемыми промышленностью. Еще более предпочтительно, эти стали имеют прочность на разрыв свыше приблизительно 930 МПа (135 кг на квадратный дюйм), или свыше приблизительно 965 МПа (140 кг на квадратный дюйм), или свыше приблизительно 1000 МПа (145 кг на квадратный дюйм).

Первый пример сталей Как описано выше, в одновременно поданной заявке на предварительный патент США, имеющей приоритет от 19 декабря 1997 г., озаглавленной "Сверхвысокопрочные стали с повышенной вязкостью разрушения при криогенных температурах", и зарегистрированной Ведомством США по патентам и товарным знакам под номером заявки 60/068194, приведено описание сталей, подходящих для использования в настоящем изобретении. Предложен способ получения толстого листа из сверхвысокопрочной стали, имеющего микроструктуру, состоящую преимущественно из отпущенного мелкозернистого пластинчатого мартенсита, отпущенного мелкозернистого нижнего бейнита или их смесей, который включает этапы: (а) нагрева стального сляба до температуры предварительного нагрева, достаточно высокой, чтобы (i) по существу гомогенизировать стальной сляб, (ii) растворить по существу все карбиды и карбонитриды ниобия и ванадия в стальном слябе и (iii) получить в стальном слябе первичные аустенитные зерна; (b) обжатия стального сляба для получения толстого стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки в первом температурном диапазоне, в котором происходит рекристаллизация аустенита; (с) последующего обжатии толстого стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки во втором температурном диапазоне ниже приблизительно температуры Т_nr и выше приблизительно температуры превращения А_r3; (d) закалки толстого стального листа со скоростью охлаждения приблизительно от 10^oС в секунду до 40^oС в секунду (18-72^oF/с) до температуры конца закалки ниже приблизительно температуры превращения M_s плюс 200^oС (360^oF); (e) окончания закалки; и (f) отпуска толстого стального листа при температуре отпуска приблизительно от 400^oС (752^oF) по существу до температуры превращения A_c1, предпочтительно по существу до температуры превращения A_c1, но не равной этой температуре, в течение периода времени, достаточного, чтобы вызвать выделения упрочняющих частиц, а именно одного или более выделений: -меди, Mo₂C или карбидов и карбонитридов ниобия и ванадия. Период времени, достаточный, чтобы вызвать выделение упрочняющих частиц, зависит прежде всего от толщины стального листа, химического состава стального листа и температуры отпуска и может быть определен специалистом в данной области техники (см. Словарь для определения понятий: преимущественно упрочняющих частиц, температуры Т_nr, температур превращений А_r3, M_s и А_с1 и определения Мо₂С).

Для получения ударной вязкости при температуре окружающей среды и при криогенной температуре сталь в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно имеет микроструктуру, преимущественно состоящую из отпущенного мелкозернистого нижнего бейнита, отпущенного мелкозернистого пластинчатого мартенсита или их смесей. Предпочтительно по существу минимизировать образование хрупких компонентов, таких как верхний бейнит, двойниковый мартенсит и мартенсит/аустенит (МА). Понятие "преимущественно", как оно использовано в описании настоящего изобретения и в формуле изобретения, означает, по меньшей мере, 50 объемных процентов. Более предпочтительно микроструктура содержит, по меньшей мере, приблизительно от 60 до 80 об.% отпущенного мелкозернистого нижнего бейнита, отпущенного мелкозернистого пластинчатого мартенсита или их смесей. Еще более предпочтительно микроструктура содержит, по меньшей мере, 90 об.% отпущенного мелкозернистого нижнего бейнита, отпущенного мелкозернистого пластинчатого мартенсита или их смесей. Наиболее предпочтительно микроструктура состоит из 100 об.% отпущенного мелкозернистого пластинчатого мартенсита.

Обрабатываемый стальной сляб в соответствии с этим первым примером стали изобретением получают обычным образом, и в одном варианте он содержит железо и следующие легирующие элементы, предпочтительно в весовых диапазонах, приведенных в таблице 1.

Иногда в сталь добавляют ванадий (V), предпочтительно до приблизительно 0,10 вес.%, а более предпочтительно приблизительно от 0,02 до 0,05 вес.%.

Иногда в сталь добавляют хром (Сr), предпочтительно до приблизительно 1,0 вес.%, а более предпочтительно приблизительно от 0,2 до 0,6 вес.%.

Иногда в сталь добавляют кремний (Si), предпочтительно до приблизительно 0,5 вес.%, более предпочтительно приблизительно от 0,01 до 0,5 вес.%, а еще более предпочтительно приблизительно от 0,05 до 0,1 вес.%.

Иногда в сталь добавляют бор (В), предпочтительно приблизительно до 0,0020 вес. %, а более предпочтительно приблизительно от 0,0006 до 0,0010 вес.%.

Сталь предпочтительно содержит, по меньшей мере, 1 вес.% никеля. Содержание никеля в стали, если необходимо, можно увеличить приблизительно выше 3 вес.% для улучшения эксплуатационных свойств после сварки. Причем добавление каждого 1 вес. % никеля снижает температуру вязкохрупкого перехода (DBTT) стали приблизительно на 10^oС (18^oF). Содержание никеля предпочтительно составляет менее 9 вес.%, более предпочтительно менее приблизительно 6 вес. %. Содержание никеля сводят к минимуму, чтобы минимизировать стоимость стали. Если содержание никеля превышает приблизительно 3 вес.%, то можно уменьшить содержание марганца приблизительно ниже 0,5 вес.%, до 0,0 вес.% Таким образом, предпочтительное содержание марганца составляет приблизительно до 2,5 вес.%.

Кроме того, предпочтительно практически свести к минимуму содержание примесей в стали. Содержание фосфора (Р) составляет предпочтительно менее приблизительно 0,01 вес. %. Содержание серы (S) составляет предпочтительно менее приблизительно 0,004 вес.%. Содержание кислорода (О) составляет предпочтительно менее приблизительно 0,002 вес.% Сталь в соответствии с настоящим изобретением получают посредством изготовления сляба нужного состава, как описано здесь, нагрева сляба до температуры приблизительно от 955 до 1065^oС (1750-1950^oF); горячей прокатки сляба для получения толстого стального листа за один или несколько проходов при обжатии приблизительно от 30 до 70%, в первом температурном диапазоне, и в котором происходит рекристаллизация аустенита, т.е. выше приблизительно температуры Т_nr, и последующей прокатки стального листа за один или несколько проходов с обжатием приблизительно от 40 до 80%, во втором температурном диапазоне ниже приблизительно температуры Т_nr и выше приблизительно температуры превращения А_r3. Затем горячекатаный стальной лист закаливают со скоростью охлаждения приблизительно от 10 до 40^oС в секунду (18-72^oF/с) до соответствующей температуры конца закалки (QST) (в соответствии с определением в Словаре), ниже приблизительно температуры превращения M_s плюс 200^oС (360^oF), при которой закалку заканчивают. В одном варианте этого первого примера стали стальной лист затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Данную технологию обработки используют для получения микроструктуры, преимущественно состоящей в основном из мелкозернистого пластинчатого мартенсита, мелкозернистого нижнего бейнита или их смесей, или, более предпочтительно, содержащей по существу 100% мелкозернистого пластинчатого мартенсита.

Полученный таким образом мартенсит прямой закалки в сталях в соответствии с настоящим изобретением имеет высокую прочность, однако его ударная вязкость может быть улучшена посредством отпуска при соответствующей температуре от приблизительно более 400^oС (752^oF) до приблизительно температуры превращения A_c1. Отпуск стали, при котором используют этот температурный диапазон, приводит также к снижению закалочных напряжений, что в свою очередь ведет к повышению вязкости. Хотя отпуск может повысить ударную вязкость стали, он обычно приводит к существенному снижению прочности. В соответствии с настоящим изобретением обычные потери прочности в результате отпуска компенсируют посредством дисперсионного упрочнения, вызываемого выделениями. Дисперсионное упрочнение, вызванное мелкодисперсными выделениями меди и смесью карбидов и/или карбонитридов, используют для оптимизации прочности и ударной вязкости в процессе отпуска мартенситной структуры. Уникальный химический состав сталей в соответствии с настоящим изобретением позволяет выполнять отпуск в широком диапазоне, приблизительно от 400 до 650^oС (750-1200^oF), без какой-либо значительной потери прочности, полученной при закалке. Отпуск толстого стального листа выполняют предпочтительно при температуре отпуска от приблизительно выше 400^oС (752^oF) до температуры ниже температуры превращения A_c1 в течение периода времени, достаточного для обеспечения выделений упрочняющих частиц (как описано здесь). Данная технология обработки способствует превращению микроструктуры стального листа преимущественно в отпущенный мелкозернистый пластинчатый мартенсит, отпущенный мелкозернистый нижний бейнит или их смеси. Кроме того, период времени, достаточный для обеспечения выделений упрочняющих частиц, зависит главным образом от толщины стального листа, химического состава стального листа и температуры отпуска и может быть определен специалистом в данной области техники.

Второй пример сталей Как описано выше, в одновременно поданной заявке на предварительный патент США, имеющей приоритет от 19 декабря 1997 г., под названием "Сверхвысокопрочные состаренные в аустенитном состоянии стали с повышенной вязкостью разрушения при криогенных температурах", зарегистрированной Ведомством США по патентам и товарным знакам под номером заявки 60/068252; приведено описание других сталей, подходящих для использования в настоящем изобретении. Предложен способ получения толстого листа из сверхвысокопрочных сталей, имеющих микрослоистую микроструктуру, содержащую приблизительно от 2 до 10 об.% тонких слоев аустенита и приблизительно от 90 до 98 об.% пластинок преимущественно мелкозернистого мартенсита и мелкозернистого нижнего бейнита, причем этот способ включает этапы: (а) нагрева стального сляба до температуры предварительного нагрева, достаточно высокой, чтобы (i) по существу гомогенизировать стальной сляб, (ii) растворить по существу все карбиды и карбонитриды ниобия и ванадия в стальном слябе и (iii) получить в стальном слябе первичный мелкозернистый аустенит; (b) обжатия стального сляба для получения толстого стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки в первом температурном диапазоне, в котором происходит рекристаллизация аустенита; (с) последующего обжатия толстого стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки во втором температурном диапазоне ниже приблизительно температуры Т_nr и выше приблизительно температуры превращения А_r3; (d) закалки толстого стального листа со скоростью охлаждения приблизительно от 10^oС в секунду до 40^oС в секунду (18-72^oF/с) до температуры конца закалки ниже приблизительно температуры превращения M_s плюс 100^oС (180^oF) и приблизительно выше температуры превращения М_s; и (е) окончания закалки. В одном варианте способ получения сталей этого второго примера включает этап охлаждения толстого стального листа на воздухе от температуры конца закалки (QST) до температуры окружающей среды. В другом варианте способ получения сталей этого второго примера, кроме того, содержит этап выдержки толстого стального листа по существу в изотермических условиях при температуре конца прокатки (QST) в течение приблизительно до 5 минут перед охлаждением стального листа на воздухе до температуры окружающей среды. В еще одном варианте способ получения сталей этого второго примера, кроме того, содержит этап медленного охлаждения стального листа от температуры конца прокатки (QST) со скоростью ниже приблизительно 1,0^oС в секунду (1,8^oF/с) в течение приблизительно до 5 минут перед охлаждением стального листа на воздухе до температуры окружающей среды. В еще одном варианте способ в соответствии с настоящим изобретением, кроме того, содержит этап медленного охлаждения стального листа от тем