Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, и способ ее изготовления

Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, и способ ее изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высокопрочной сварной стальной трубе для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью и пригодной для трубопровода, транспортирующего сырую нефть и природный газ.

Уровень техники

В связи с тем что стальная труба для трубопровода, используемого в магистральных линиях, имеет существенное значение, как и способы транспортировки сырой нефти, природного газа и других материалов по трубопроводу на большие расстояния, для трубопровода была предложена высокопрочная стальная труба с высокой вязкостью (например, Патентный документ 1). В настоящее время для трубопровода используют стальную трубу, изготовленную в соответствии со стандартом Х70 Американского Института Нефти (АИН) (предел прочности 564 МПа или выше), или стальную трубу с более высокой категорией прочности, вплоть до Х80 (предел прочности 620 МПа или выше), но с целью повышения эффективности транспортировки сырой нефти и природного газа были проведены исследования, связанные с увеличением внутреннего давления в трубопроводах. Наряду с этим, для трубопровода требуется высокопрочная стальная труба с категорией прочности Х70 или выше или, более того, с категорией прочности Х80 или выше, имеющая предел прочности 600 МПа или выше, чтобы дополнительно повысить прочность и увеличить толщину трубы.

Если говорить о более высокой прочности, то, к примеру, при использовании в трубопроводе труб с категорией прочности X120, имеющих предел прочности 900 МПа или выше, имеется возможность повысить внутреннее давление в трубопроводе, т.е. повысить давление сырой нефти или природного газа приблизительно вдвое по сравнению с трубопроводом, в котором используются трубы с категорией прочности Х65, благодаря чему становится возможным транспортировать приблизительно удвоенное количество сырой нефти или природного газа. Кроме того, если повысить прочность трубопровода и увеличить сопротивление внутреннему напору, то становится возможным сократить затраты на материал, транспортные расходы и затраты на сварку на месте, в то время как, если увеличивать толщину трубопровода, могут значительно возрасти затраты, связанные с прокладкой трубопровода.

Кроме того, трубопровод должен обладать превосходной низкотемпературной вязкостью, поскольку его прокладка часто ведется в холодных регионах. К тому же, во время прокладки трубопровода концы труб соединяют вместе, в связи с чем также требуется превосходная локальная свариваемость. Предложена, например, в японской патентной публикации JP (А) №2004-52104 стальная труба с категорией прочности X120 для трубопровода, соответствующая таким требованиям, и с более высокой прочностью по сравнению со стальной трубой для трубопровода, предложенной в японской патентной публикации JP (А) №62-4826. Микроструктура основного материала этой высокопрочной стальной трубы для трубопровода состоит, главным образом, из смеси бейнита и мартенсита. Дополнительно, для увеличения толщины трубы предложены способы изготовления толстолистовой стали со структурой металла, состоящей из мелкодисперсного бейнита, получаемой при регулируемой прокатке и регулируемом охлаждении, при этом сталь обладает хорошей прочностью и вязкостью (например, японская патентная публикация JP (А) №2000-256777, японская патентная публикация JP (А) №2004-76101 и японская патентная публикация JP (А) №2004-143509).

Стальную трубу для трубопровода изготавливают, придавая толстолистовой стали форму трубы в процессе UO, и, подведя края заготовки друг к другу, сваривают их роликовой сваркой. Когда требуется вязкость и надежность, как, например, для высокопрочной стальной трубы для трубопровода, вместо роликовой сварки предпочтительно применяют дуговую сварку под флюсом на внутренней и на внешней поверхностях трубы. При многократной сварке стального материала возникает проблема, связанная с тем, что зона термического влияния (называемая «ЗТВ»), структура которой огрублена в результате нагрева при первичной сварке, подвергается повторному нагреву при последующей сварке, в связи с чем вязкость падает.

В качестве технологии для улучшения низкотемпературной вязкости ЗТВ высокопрочной стальной трубы для трубопровода был предложен способ, основанный на внутризеренном превращении, для получения более мелкодисперсной структуры в ЗТВ (например, японская патентная публикация JP (А) №8-325635, японская патентная публикация JP (А) №2001-355039 и японская патентная публикация JP (А) №2003-138340). В способе, предложенном в японской патентной публикации JP (А) №8-325635, происходит формирование игольчатого феррита, являющегося зародышем для кристаллизации окислов. В соответствии со способами, предложенными в японской патентной публикации JP (А) №2001-355039 и японской патентной публикации JP (А) №2003-138340, происходит формирование внутризеренного бейнита с использованием в качестве зародышей кристаллизации смеси, состоящей из включений окислов и сульфидов.

При повышении содержания Мо улучшается прокаливаемость большинства обычных высокопрочных стальных труб, применяемых для трубопровода, что является эффективным для повышения прочности, и образуется, главным образом, бейнитная структура металла, способствующая улучшению вязкости, но в настоящее время имеется тенденция к уменьшению содержания в стали дорогого элемента Мо. Однако при уменьшении содержания Мо несколько падает прокаливаемость и затрудняется получение внутризеренного бейнита, в связи с чем сложно обеспечить низкотемпературную вязкость ЗТВ. Однако максимальная толщина обычного высокопрочного трубопровода составляет менее 25 мм. Имеется потребность в трубопроводах с толщиной 25 мм или более либо 30 мм или более.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предложена недорогая высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, причем может быть обеспечена низкотемпературная вязкость ЗТВ, в частности, даже при ограниченном содержании Мо и предложен способ ее изготовления.

Для изготовления трубопровода авторы изготовили толстолистовую сталь с категорией прочности Х70 или Х80 или более, с толщиной листа 25 мм или более и пределом прочности при растяжении (ПР) 600 МПа или более. В результате было установлено, что проблемы, связанные с увеличением толщины толстолистовой стали, намного более серьезные, чем ожидалось. В частности, при регулируемой прокатке и регулируемой скорости охлаждения не обеспечивается достаточная прокатка центральной части по толщине листа, в связи с чем ее вязкость заметно падает относительно вязкости поверхностного слоя стального листа. Авторы исследовали дополнительно структуру металла в центральной части по толщине стального листа, в результате чего установили, что в центральной части по толщине листа высокопрочной толстолистовой стали для трубопровода чрезвычайно сложно создать мелкодисперсную бейнитную структуру.

В настоящем изобретении решены вышеуказанные проблемы и предложена недорогая толстостенная высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, в которой имеется возможность ограничить содержание Мо, даже при толщине трубы 25 мм или более либо 30 мм или более, и также предложен способ ее изготовления.

В соответствии с настоящим изобретением уменьшают содержание С и Al и вводят соответствующее количество Ti, которое способствует внутризеренному превращению, и, кроме того, для улучшения прокаливаемости добавляют соответствующее количество В, при этом регулируют параметр прокаливаемости посредством углеродного эквивалента Ceq и параметр свариваемости посредством параметра чувствительности к растрескиванию Pcm до оптимальных интервалов и создают мелкозернистую структуру основного материала и ЗТВ, содержащую, главным образом, бейнит, даже при ограниченном содержании Мо, и благодаря внутризеренному бейниту, сформированному при использовании окислов Ti в качестве зародышей кристаллизации, за счет увеличения мелкозернистости в ЗТВ, т.е. уменьшения действительного размера зерна, улучшают низкотемпературную вязкость ЗТВ, чтобы вследствие этого получить высокопрочную сварную стальную трубу для трубопровода, которая имеет увеличенную толщину. Сущность изобретения состоит в следующем.

(1) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, представляющая собой стальную трубу, полученную шовной сваркой основного материала стального листа, которому придана форма трубы, причем указанный основной материал стального листа содержит следующие компоненты, в мас.%: С: от 0,010 до 0,050%, Si: от 0,01 до 0,50%, Mn: от 0,50 до 2,00%, S: от 0,0001 до 0,0050%, Ti: от 0,003 до 0,030%, О: от 0,0001 до 0,0080%, и В: от 0,0003 до 0,0030%, при предельном содержании: Р до 0.050% или менее, Al до 0,020% или менее, и Мо до менее 0,10%, и остальное: железо и неизбежные примеси, при этом значение Ceq, полученное из нижеследующей формулы 1, составляет от 0,30 до 0,53, значение Pcm, полученное из нижеследующей формулы 2, составляет от 0,10 до 0,20, и структура металла указанного основного материала стального листа состоит из полигонального феррита, занимающего 20% площади или менее, и бейнита, занимающего 80% площади или более, причем действительный размер зерна в основном материале составляет 20 мкм или менее и действительный размер зерна в зоне термического влияния сварки составляет 150 мкм или менее:

где С, Si, Mn, Ni, Cu, Cr, Мо, V и В обозначают содержание отдельных компонентов (в мас.%).

(2) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (1), характеризующаяся тем, что толщина основного материала стального листа составляет от 25 до 40 мм.

(3) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (1) или (2), характеризующаяся тем, что предел прочности при растяжении указанного основного материала стального листа в направлении по окружности указанной стальной трубы составляет от 600 до 800 МПа.

(4) Высокопрочная сварная стальная, труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно любому из пунктов (1)-(3), характеризующаяся тем, что указанный основной материал стального листа дополнительно содержит, в мас.%, один или оба из следующих компонентов: Cu: от 0,05 до 1,50% и Ni: от 0,05 до 5,00%.

(5) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно любому из пунктов (1)-(4), характеризующаяся тем, что указанный основной материал стального листа дополнительно содержит, в мас.%, один или более из следующих компонентов: Cr: от 0,02 до 1.50%, V: от 0,010 до 0,100% Nb: 0,001 до 0,200%, Zr: от 0,0001 до 0,0500%, и Та: от 0,0001 до 0,0500%.

(6) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, согласно любому из пунктов (1)-(5), характеризующаяся тем, что указанный основной материал стального листа дополнительно содержит, в мас.%, один или более из следующих компонентов: Mg: от 0,0001 до 0,0100%, Са: от 0,0001 до 0,0050%, РЗМ: от 0,0001 до 0,0050%, Y: от 0,0001 до 0,0050%, Hf: от 0,0001 до 0,0050%, Re: от 0,0001 до 0,0050%, и W: от 0,01 до 0,50%.

(7) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно любому из пунктов (1)-(6), характеризующаяся тем, что металл сварного шва содержит, в мас.%: С: от 0,010 до 0,100%, Si: от 0,01 до 0,50%, Mn: от 1,0 до 2,0%, Al: от 0,001 до 0,100%, Ti: от 0,003 до 0,050%, и О: от 0,0001 до 0,0500%, при предельном содержании: Р до 0,010% или менее и S до 0,010% или менее, и остальное: железо и неизбежные примеси.

(8) Высокопрочная сварная стальная труба для трубопровода, обладающая превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (7), характеризующаяся тем, что указанный металл сварного шва дополнительно содержит, в мас.%, один или все следующие компоненты:

Ni: от 0,2 до 3,2% и

Cr+Mo+V: от 0,2 до 2,5%.

(9) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, характеризующийся изготовлением стали, при котором для предварительного раскисления вводят Si и Mn, потом вводят Ti, чтобы состав стали соответствовал составам, согласно любому из пунктов (1) и (4)-(6), затем сталь отливают и полученный стальной сляб подвергают горячей прокатке, далее полученному стальному листу придают форму трубы и проводят шовную сварку стыковых участков.

(10) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (9), характеризующийся тем, что указанный стальной сляб нагревают до температуры 1000°С или выше, проводят его горячую прокатку при относительном обжатии 2,5 или более в области температур, предшествующих рекристаллизации, и прекращают водяное охлаждение при температуре 600°С или ниже.

(11) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пунктам (9) или (10), характеризующийся тем, что указанному стальному листу придают форму трубы в процессе UO, стыковые участки внутренних и внешних поверхностей трубы сваривают с применением дуговой сварки под флюсом, при использовании сварной проволоки и флюса спекаемого или плавленого типа, с последующей раскаткой трубы.

(12) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (11), характеризующийся тем, что подводимое тепло при указанной дуговой сварке под флюсом составляет от 4,0 до 10,0 кДж/мм.

(13) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно любому из пунктов (9)-(12), характеризующийся тем, что зоны сварного шва подвергают термической обработке.

(14) Способ изготовления высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода, обладающей превосходной низкотемпературной вязкостью, согласно пункту (13), характеризующийся тем, что зону сварного шва подвергают термической обработке в диапазоне температур от 300 до 500°С.

Краткое описание чертежей

На чертеже показан схематический вид структуры повторно нагретой ЗТВ.

Осуществление изобретения

В настоящем изобретении предложена сварная стальная труба, изготовленная из стального материала с пониженным содержанием С и со структурой металла, подвергнутой низкотемпературному превращению и содержащей, главным образом, бейнит для улучшения вязкости, в которой, при ограничении содержания Мо, устанавливают оптимальные диапазоны параметра прокаливаемости Ceq и параметра свариваемости Pcm и для улучшения прокаливаемости добавляют В и благодаря внутризеренному бейниту, в частности, уменьшают действительный размер зерна в ЗТВ и улучшают низкотемпературную вязкость. Таким образом, основными отличительными признаками настоящего изобретения являются: снижение содержания Al, регулирование содержания кислорода и введение соответствующего количества Ti для диспергирования мелких включений, которые чрезвычайно эффективны в качестве зародышей для внутризеренного превращения в структуре основного материала стального листа, и использование их в качестве зародышей для внутризеренного превращения, чтобы уменьшить действительный размер зерна. Следует отметить, что в нижеследующем описании основной материал стального листа также будет упоминаться просто как «стальной лист», и сварная стальная труба также будет упоминаться просто как «стальная труба».

Внутризеренный бейнит в структуре ЗТВ получен при превращении внутризеренного феррита, который сформирован в результате внутризеренного превращения, происходящего в стали при высокой температуре, с использованием во время охлаждения вышеупомянутых мелких включений в качестве зародышей. Согласно настоящему изобретению установление оптимальных диапазонов параметра прокаливаемости Ceq и параметра свариваемости Pcm является чрезвычайно эффективным для формирования внутризеренного бейнита в структуре ЗТВ стальной трубы, при ограничении количества добавляемого Мо. Благодаря формированию внутризеренного бейнита значительно улучшена низкотемпературная вязкость ЗТВ. Более того, внутризеренный бейнит может также способствовать подавлению разупрочнения ЗТВ стальной трубы.

Механизм формирования внутризеренного бейнита, как полагают, состоит в следующем: окислы типа анион-вакансия могут удерживать большие количества ионов Mn. Кроме того, соединение MnS легко осаждается на окислах. Поэтому вокруг окислов и сульфидов формируются слои, обедненные Mn. Эти слои, обедненные Mn, действуют в качестве зародышей при превращении, которое происходит при нагреве стали до высокой температуры, при этом структура металла становится аустенитной, после чего сталь охлаждают. Обычно формируется внутризеренный феррит лепестковой формы. Внутризеренный феррит имеет высокую степень переохлаждения при высокой скорости охлаждения или хорошей прокаливаемости. Во время охлаждения происходит превращение внутризеренного феррита в бейнит, который становится внутризеренным бейнитом.

Типичными окислами типа анион-вакансия являются мелкодисперсные окислы, содержащие, главным образом, Ti. При использовании этих окислов в качестве зародышей формируется внутризеренный бейнит лепестковой формы. Затем мелкодисперсные сульфиды, главным образом, содержащие Mn, осаждаются совместно с мелкодисперсными окислами, главным образом, содержащими Ti. Следует отметить, что в зависимости от химического состава стали иногда окислы могут включать один или более из компонентов Al, Si, Mn, Cr, Mg и Са и сульфиды могут включать один или более из компонентов Са, Cu и Mg. Размер включений, формирующих зародыши для внутризеренного бейнита, может быть измерен с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Предпочтительным является размер включений в диапазоне от 0,01 до 5 мкм.

Когда в структуре ЗТВ формируется большое количество внутризеренного бейнита, смесь мартенсита и аустенита (структурная составляющая мартенсит-аустенит, называемая «МА») становится более мелкодисперсной в том месте, где начинается разрушение, в связи с чем низкотемпературная вязкость значительно повышается. Если уменьшать содержание С до 0,05% или менее и диспергировать мелкие включения, при формировании внутризеренного бейнита становится мельче внутризеренная структура, и участок излома при испытании на ударную вязкость по Шарпи, т.е. действительный размер зерна, также становится меньше. Кроме того, внутризеренный бейнит является более прочным по сравнению с внутризеренным ферритом, в связи с чем формирование внутризеренного бейнита может подавить разупрочнение ЗТВ.

В центральной части по толщине высокопрочной сварной стальной трубы для трубопровода в ЗТВ (около участка 1/2 толщины, называемого «участок 1/2t») грубая смесь МА, как показано схематично на фиг.1, присутствует в структуре вдоль старых границ зерна аустенита повторно нагретой ЗТВ и становится местом начала разрушения, при этом иногда снижается вязкость. На фиг.1 цифрой 1 обозначена повторно нагретая ЗТВ, цифрой 2 обозначена смесь мартенсита и аустенита и цифрой 3 обозначена старая граница зерна аустенита. «Повторно нагретая ЗТВ» представляет собой участок металла сварного шва и ЗТВ около линии оплавления при предшествующей сварке, повторно нагреваемый при последующей сварке. В зависимости от подводимого тепла во время сварки ЗТВ может несколько изменяться в размерах, однако обычно она представляет собой участок в пределах 10 мм от линии оплавления. Если на испытательных образцах выполняют надрезы, например, на расстоянии 1 мм или 2 мм от линии оплавления, то при испытании на ударную вязкость по Шарпи при температуре -40°С поглощенная энергия иногда становится меньше 50 Дж.

Авторы провели интенсивные исследования с целью изучения низкотемпературной вязкости основного материала стального листа и ЗТВ сварной стальной трубы и в результате обнаружили следующее. Для формирования внутризеренного бейнита в структуре ЗТВ эффективны, главным образом, мелкодисперсные окислы Ti, сложные окислы и сложные сульфиды, и, кроме того, они также являются полезными для уменьшения действительного размера зерна основного материала. Благодаря этому, действительный размер зерна в структуре ЗТВ может составлять 150 мкм или менее и действительный размер зерна в структуре основного материала стального листа может составлять 20 мкм или менее.

Кроме того, если при ограничении содержания Мо до менее 0,10% установить параметр прокаливаемости посредством углеродного эквивалента Ceq от 0,30 до 0,53 и установить параметр свариваемости посредством параметра чувствительности к растрескиванию Pcm от 0,10 до 0,20, то феррит в структуре основного материала стального листа будет занимать 20% площади или менее, а бейнит будет занимать 80% площади или более, и внутризеренная структура в ЗТВ в результате превращения становится внутризеренным бейнитом. Благодаря этому, предел прочности сварного соединения, выполненного шовной сваркой, достигает 600 МПа или более.

В частности, если лист имеет толщину 25 мм или более либо 30 мм или более, вязкость участка 1/2t основного материала стального листа иногда падает, но структуру основного материала стального листа можно сделать более мелкодисперсной, т.е. уменьшить действительный размер зерна, благодаря, главным образом, мелкодисперсным окислам Ti, сложным окислам и сложным сульфидам. Причина, как полагают, состоит в следующем. Во-первых, когда прокатка выполнена в области температур, предшествующих рекристаллизации, то это способствует превращению на обычных границах зерна, в связи с чем внутризеренное превращение на окислах, сложных окислах и сложных сульфидах становится затруднительным. Как полагают, это происходит потому, что если в результате прокатки размер зерна становится меньше, чем размер зерна, получаемый при внутризеренном превращении, то скорость роста бейнита, сформированного из зародышей на границах зерна, становится слишком большой. Таким образом, считается, что до внутризеренного превращения прекращается превращение на границах зерна, являясь завершенным.

С другой стороны, когда относительное обжатие в области температур, предшествующих рекристаллизации, недостаточно, размер зерна увеличивается, в частности, в центральной части по толщине листа, в связи с чем рост бейнита, сформированного на границе зерна, также замедляется. Поэтому считается, что действительный размер зерна уменьшается в результате внутризеренного превращения, главным образом на окислах Ti, сложных окислах и сложных сульфидах. Более того, считается, что мелкодисперсные окислы действуют в качестве скрепляющих частиц и подавляют рост кристаллических зерен, что является также действенным для уменьшения действительного размера зерна в структуре основного материала стального листа.

Согласно настоящему изобретению, в частности, даже, если толщина листа составляет 25 мм или более, можно добиться того, чтобы действительный размер зерна основного материала стального листа составлял 20 мкм или менее. Добиваясь того, чтобы в структуре стального листа полигональный феррит занимал 20% площади или менее и бейнит занимал 80% площади или более, при испытании образца на ударную вязкость по Шарли при температуре -40°С, вырезанного близко от поверхности, т.е. на расстоянии около от 2 до 12 мм от поверхности стального материала, можно получить поглощенную энергию 200 Дж или более. Поглощенная энергия при испытании образца на ударную вязкость по Шарпи, вырезанного из участка 1/2t, т.е., по существу, из центра по толщине листа, может составлять 100 Дж или более.

В настоящем изобретении контроль содержания кислорода при производстве стали чрезвычайно важен для формирования, главным образом, мелкодисперсных окислов Ti, сложных окислов и сложных сульфидов. В частности, при регулировании химического состава стали необходимо для предварительного раскисления вводить Si и Mn в количестве, находящемся в вышеупомянутом диапазоне, затем вводить Ti. Концентрация кислорода в стали при введении Ti предпочтительно составляет от 0,001 до 0,003%. Благодаря этому, имеется возможность диспергировать окислы Ti, в частности Ti₂O₃, с получением размера зерна от 0,01 до 10 мкм в количестве, составляющем от 10 до 1000/мм² на площади 1 мкм². В результате этого стимулируется внутризеренное превращение и структура основного материала стального листа и структура в ЗТВ сварной стальной трубы становится более мелкозернистой, т.е. действительный размер зерна уменьшается.

Регулируя химический состав при таком процессе производства стали, проводя горячую прокатку стального сляба и добиваясь относительного обжатия 2,5 или более, предпочтительно 3,0 или более, в интервале температур от 900°С до конца прокатки, имеется возможность получить действительный размер зерна в структуре основного материала стального листа 20 мкм или менее.

В качестве действительного размера зерна принимают значение, которое получено при изображении структуры при обратном рассеянии электронов с помощью преобразования области, окруженной границами, имеющими разориентацию кристаллов, составляющую 15° или более, в круг эквивалентного диаметра. Более того, «полигональный феррит» выглядит как белые структуры в виде скоплений, не включающие грубый цементит, МА или другие грубые отложения в зернах, наблюдаемые в структуре под оптическим микроскопом. Структура основного материала стального листа, наблюдаемая под оптическим микроскопом, содержит полигональный феррит и бейнит, и остальное, иногда включающее мартенсит, остаточный аустенит и МА.

В настоящем изобретении бейнит определен как структура, при формировании которой карбиды осаждаются между пластинками или скоплениями феррита либо карбиды осаждаются на пластинках. Кроме того, мартенсит является структурой, при формировании которой карбиды не осаждаются между пластинками или на пластинках. Остаточный аустенит является аустенитом, сформированным при высокой температуре, который сохраняется в структуре основного материала стального листа или сварной стальной трубы.

Далее, благодаря термической обработке зоны сварки, грубая смесь МА, сформированная вдоль старых границ зерна аустенита ЗТВ, распадается на мелкодисперсный цементит, благодаря чему повышается низкотемпературная вязкость. В результате этого на соответствующем участке 1/2t листа или на соответствующем участке +1 мм от него, повышается низкотемпературная вязкость. Например, если нагревать зону сварки до температуры в диапазоне от 300 до 500°С, то при испытании на ударную вязкость по Шарпи при низкой температуре -40°С образца с V-образным надрезом поглощенная энергия может составлять 50 Дж или более. Поэтому материал, применяемый при чрезвычайно низкой температуре -40°С или ниже, в структуре которого сформирован внутризеренный бейнит, предпочтительно дополнительно подвергать термической обработке для получения смешанной структуры внутризеренного бейнита и цементита.

Ниже будут объяснены причины ограничения химического состава основного материала стального листа согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что ЗТВ является околошовной зоной, которая во время сварки не расплавляется, таким образом, компоненты, входящие в состав ЗТВ, те же самые, что и в основном материале.

С: С является элементом, повышающим прочность стали, но в настоящем изобретении содержание С ограничено для того, чтобы получить структуру металла, состоящую, главным образом, из бейнита, и достигнуть как высокой прочности, так и высокой вязкости. При содержании С менее 0,010% прочность материала является недостаточной. При содержании С более 0,050% наблюдается падение вязкости. Поэтому, согласно настоящему изобретению, оптимальное содержание С установлено в диапазоне от 0,010 до 0,050%.

Si: Si является раскисляющим элементом и имеет существенное значение в настоящем изобретении. Чтобы добиться эффекта раскисления в сталь требуется вводить Si в количестве 0,01% или более. С другой стороны, если содержание Si составляет более 0,50%, вязкость ЗТВ падает, таким образом, верхний предел Si установлен 0,50%.

Mn: Mn является элементом, используемым в качестве раскисляющей добавки, необходимой для того, чтобы обеспечить прочность и вязкость основного материала стального листа, и, кроме того, Mn формирует соединение MnS и другие сульфиды, эффективные в качестве зародышей для внутризеренного превращения. Это является весьма существенным в настоящем изобретении. Для достижения указанных эффектов необходимо вводить Mn в количестве 0,50%, однако при содержании Mn, превышающем 2,00%, вязкость ЗТВ снижается. Поэтому диапазон содержания Mn установлен от 0,50 до 2,00%. Следует отметить, что Mn является недорогим элементом, в связи с этим для обеспечения прокаливаемости стали его предпочтительно вводят в количестве 1,00% или более. Оптимальный нижний предел содержания Mn составляет 1,50% или более.

Р: Р является примесью и при его содержании, превышающем 0,050%, значительно снижается вязкость основного материала стального листа. Поэтому верхний предел содержания Р установлен 0,050%. С целью повышения вязкости ЗТВ содержание Р, предпочтительно, установлено 0,010% или менее.

S: S в настоящем изобретении является важным элементом для формирования соединения MnS и других сульфидов, эффективных в качестве зародышей для внутризеренного превращения. Если содержание S становится менее 0,0001%, количество сформированных сульфидов падает и не происходит заметное внутризеренное превращение, в связи с этим содержание S должно быть установлено 0,0001% или более. С другой стороны, если основной материал стального листа содержит S более 0,0050%, формируются грубые сульфиды и снижается вязкость, таким образом, верхний предел содержания S установлен 0,0050% или менее. Для повышения вязкости ЗТВ верхний предел содержания S предпочтительно установлен 0,0030% или менее.

Al: Al является раскисляющей добавкой, но в настоящем изобретении, для того чтобы сделать окислы Ti мелкодисперсными, чрезвычайно важно, чтобы верхний предел содержания Al составлял 0,020% или менее. К тому же, чтобы способствовать внутризеренному превращению, содержание Al предпочтительно должно составлять 0,010% или менее. Более того, предпочтительный верхний предел содержания Al составляет 0,008% или менее.

Ti: Ti в настоящем изобретении является чрезвычайно важным элементом для образования окислов Ti, которые мелко диспергируются и эффективно действуют в качестве зародышей для внутризеренного превращения. Однако при избыточном содержании Ti формируются карбонитриды, в связи с этим вязкость снижается. Поэтому согласно настоящему изобретению содержание Ti должно быть установлено от 0,003 до 0,030%. Кроме того, Ti является сильной раскисляющей добавкой, поэтому если Ti вводится при высоком содержании кислорода, то формируются грубые окислы. По этой причине при производстве стали необходимо заранее раскислять сталь введением Si и Mn и уменьшать содержание кислорода. Если окислы Ti становятся более грубыми, то внутризеренное превращение затрудняется и эффект закрепления границ зерен ослабляется, в связи с чем иногда увеличивается эффективный размер зерна в структуре основного материала стального листа и ЗТВ сварной стальной трубы.

В: В является элементом, вызывающим увеличение прокаливаемости, если он содержится в твердом растворе стали, однако если он добавлен в избытке, то формируется грубое соединение BN, которое, в частности, вызывает снижение вязкости ЗТВ, таким образом, верхний предел содержания В установлен 0,0030%. Согласно настоящему изобретению в материал сварной стальной трубы добавляют В в количестве 0,0003% или более, который улучшает прокаливаемость, и регулируют в оптимальных диапазонах параметр прокаливаемости посредством углеродного эквивалента Ceq и параметр свариваемости посредством параметра чувствительности к растрескиванию Pcm, чтобы обеспечить прочность и свариваемость. Следует отметить, что добавка В в количестве 0,0003% или более также эффективна для того, чтобы подавить формирование феррита на границах зерна. Кроме того, при продуманном введении добавки В, если сформировано мелкодисперсное соединение BN, растворимость N в твердом растворе падает и, наряду с этим, повышается вязкость ЗТВ, поэтому предпочтительно установить содержание В более 0,0005%.

Мо: Мо является полезным элементом, улучшающим прокаливаемость, способствующим формированию внутризеренного бейнита в ЗТВ и, кроме того, формирующим карбонитриды для повышения прочности, но добавление его в количестве 0,10% или более приводит к повышению стоимости сплава. Поэтому согласно настоящему изобретению содержание дорогого Мо ограничено до менее 0,10%. В сварной стальной трубе согласно настоящему изобретению в оптимальных диапазонах регулируют параметр прокаливаемости посредством эквивалента углерода Ceq и параметр свариваемости посредством параметра чувствительностью к растрескиванию Pcm для того, чтобы обеспечить необходимую прокаливаемость, даже при уменьшенном содержании Мо.

О: Кислород является элементом, неизбежно присутствующим в составе стали, но согласно настоящему изобретению необходимо ограничить содержание О при формировании окислов, содержащих Ti. Содержание кислорода, остающегося в стали во время литья, т.е. содержание О в основном материале стального листа, должно быть установлено в диапазоне от 0,0001 до 0,0080%. Причина состоит в том, что при содержании О, составляющем менее 0,0001%, количество окисных частиц является недостаточным, тогда как при содержании О более 0,0080% увеличивается количество грубых окисных частиц и понижается прочность основного материала и снижается вязкость ЗТВ. Кроме того, если повышение содержания кислорода приводит к огрублению, главным образом, окислов Ti, то структура основного материала стального листа и структура ЗТВ сварной стальной трубы становится более грубой, т.е. увеличивается действительный размер зерна.

Более того, в качестве элементов, повышающих прочность и вязкость, также можно добавлять один или более из следующих элементов: Cu, Ni, Cr, V, Nb, Zr и Та. К тому же, когда содержание этих элементов ниже предпочтительных нижних пределов, они не оказывают никакого неблагоприятного влияния, таким образом, эти элементы можно считать примесями.

Cu и Ni: Cu и Ni являются эффективными элементами, повышающими прочность стали, при этом не наблюдается снижение вязкости. Для достижения этого эффекта нижний предел содержания Cu и нижний предел содержания Ni предпочтительно установлен 0,05% или более. С другой стороны, для подавления формирования трещин во время нагрева и сварки стального листа предпочтительно верхний предел содержания Cu составляет 1,50%. Верхний предел содержания Ni составляет предпочтительно 5,00%, поскольку при его избыточном содержании ухудшается свариваемость. Следует отметить, что Cu и Ni предпочтительно вводят в виде смеси для подавления формирования поверхностных дефектов. Кроме того, с точки зрения стоимости верхние пределы содержания Cu и Ni предпочтительно установлены 1,00% или менее.

Cr, V, Nb, Zr и Та: Cr, V, Nb, Zr и Та являются элементами, формирующими карбиды и нитриды и повышающими прочность стали при дисперсионном твердении. Можно вводить один или более из этих элементов. Для эффективного повышения прочности нижний предел содержания Cr составляет 0,02%, нижний предел содержания V составляет 0,010%, нижний предел содержания Nb составляет 0,001% и нижние пределы содержания Zr и Та составляют по 0,0001%. С другой стороны, при чрезмерном добавлении Cr вследствие повышения прокаливаемости возрастает прочность, а вязкость иногда снижается, таким образом, верхний предел содержания Cr предпочтительно установлен 1,50%. Кроме того, при чрезмерном добавлении V, Nb, Zr и Та карбиды и нитриды становится более грубыми, в результате чего вязкость иногда снижается. Таким образом, верхний предел содержания V предпочтительно установлен 0,100%, верхний предел содержания Nb предпочтительно устано