Способ производства толстолистового проката для изготовления электросварных газонефтепроводных труб большого диаметра категории прочности х42-х56, стойких против индуцированного водородом растрескивания в h2s -содержащих средах
Патент 2653954
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Способ производства толстолистового проката для изготовления электросварных газонефтепроводных труб большого диаметра категории прочности х42-х56, стойких против индуцированного водородом растрескивания в h2s -содержащих средах
Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой стойкости против разрушения в среде так называемого «кислого» газа: индуцированное водородом растрескивание и сульфидное растрескивание под напряжением, в сочетании с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью выплавляют сталь, содержащую мас. %: С 0,04-0,08, Si 0,10-0,35, Mn 0,8-1,3, Cr 0,015-0,5, Ni 0,01-0,5, Cu 0,1-0,5, Ca 0,0005-0,005, Al 0,015-0,05, Nb 0,02-0,06, V 0,005-0,05, Mo 0,01-0,02, Ti 0,005-0,025, S ≤0,002, P ≤0,015, N 0,004-0,012, Fe и неизбежные примеси и. H2 – остальное, при соотношении Ca/S=1,0+2,0, сумме Nb+Ti не более 0,06мас.%; Cr+Ni+Cu не более 0,6мас.%, углеродном эквиваленте Сэк не более 0,38, параметре трещиностойкости Pcm не более 0,21, подвергают сталь внепечной обработке и вакуумированию с обеспечением Н2 не более 2 ppm. Получают сляб и нагревают его до 1150-1250°C и подвергают предварительной деформации при 1000-1150°C с суммарным обжатием 50-70% в 3 стадии: с суммарным обжатием 10-25% в продольном направлении, 20-35% в поперечном направлении, 40-70% при частном обжатии не менее 15% в продольном направлении. Окончательную деформацию проводят с суммарным обжатием 60-80% в интервале от 950°C до Ar3+(30-50)°C, затем охлаждают до 400-550°C со скоростью 15-35°C/с, далее листы толщиной до 20 мм охлаждают со скоростью 0,05-0,15°C/с и 0,0015-0,0035°C/с в стопе в случае листов большей толщины. 3 табл., 1 пр.
Реферат
Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству толстолистовой низколегированной стали для изготовления электросварных труб большого диаметра классов прочности Х42-Х56 с повышенным сопротивлением сероводородному растрескиванию в среде углеводородов, содержащих примеси H2S.
В связи с постоянным увеличением объемов добычи природного газа и нефти из месторождений с высоким содержанием примесей сероводорода и повышением требований к надежности трубопроводов для их обустройства, значительно возрастает потребность в листовом прокате для изготовления газонефтепроводных труб большого диаметра с высоким сопротивлением растрескиванию в H2Sсодержащих средах.
Развитие технологии производства высокопрочных толстолистовых трубных сталей такого назначения, не уступающей зарубежным аналогам в отношении водородной и сероводородной стойкости, является важной технической задачей для отечественной металлургии.
Известен способ производства проката из низколегированной стали, включающий нагрев слябов до температуры 1220-1280°C, многопроходную черновую прокатку до промежуточной толщины, чистовую прокатку с температурой конца прокатки не выше 820-880°C и ускоренное охлаждение водой до температуры 580-660°C [Патент РФ №2262537, МПК C21D 8/02, С22С 38/46, 2005 г.] При этом низколегированная сталь имеет следующий состав, мас. %:
| Углерод | 0,12-0,17 |
| Марганец | 1,3-1,6 |
| Кремний | 0,3-0,6 |
| Ванадий и/или ниобий | 0,01-0,05 |
| Алюминий | 0,02-0,06 |
| Титан | 0,005-0,05 |
| Хром | не более 0,3 |
| Никель | не более 0,3 |
| Медь | не более 0,3 |
| Сера | не более 0,006 |
| Фосфор | не более 0,006 |
| Кальций | не более 0,02 |
| Азот | не более 0,010 |
| Железо | остальное |
Наиболее близким аналогом по совокупности признаков и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ производства проката из низколегированной стали следующего химического состава, мас. %:
| Углерод | 0,02-0,10 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Кремний | 0,10-0,50 |
| Ниобий | 0,01-0,10 |
| Алюминий | 0,01-0,05 |
| Титан | 0,005-0,05 |
| Молибден | 0,05-0,35 |
| Ванадий | 0,01-0,15 |
| Никель | 0,01-0,50 |
| Медь | 0,01-0,50 |
| Хром | 0,01-0,50 |
| Бор | 0,0005-0,005 |
| Азот | 0,003-0,012 |
| Сера | 0,002 и менее |
| Фосфор | 0,001-0,015 |
| Кальций | 0,002-0,005 |
| Железо | остальное |
при соотношении 0,03≤[С]×[Mn]≤0,12, где [С]×[Mn] - произведение содержания в стали углерода и марганца. При этом сумма элементов Mo, Ni, Cu и Cr не превышает 1,0%.
Способ включает нагрев до температуры 1100-1300°C, предварительную прокатку с общей степенью деформацией 50-70% в направлении, перпендикулярном оси сляба, а затем в области температур 900-750°C в направлении, продольном оси сляба, с суммарной деформацией 65-80%, после чего прокат ускоренно охлаждают в области температур (Ar3±30°C)-(600-400°C), причем вначале до температур 600-500°C со скоростью 15-30 град./с, а затем со скоростью 10-15°C/с; после чего с температуры 400°C до комнатной температуры охлаждают замедленно со скоростью 0,05-0,15°C /с [Патент РФ №2471003, МПК C21D 8/02, С22С 38/14, 2012 г. - прототип].
Основным недостатком известных способов производства листового проката является в первом случае недостаточно высокое сопротивление водородному и сероводородному растрескиванию под напряжением, оцениваемое согласно NACE ТМ-0284 и NACE ТМ-00177, а также невысокая стойкость к хрупкому разрушению при температурах ниже -60°C при комплексе прочностных характеристик, соответствующих категории прочности Х56.
Согласно предлагаемому изобретению листовой прокат для изготовления хладостойких газонефтепроводных труб классов прочности Х42-Х56, предназначенных для транспортировки сероводородсодержащих углеводородов, должен отвечать следующему комплексу свойств (табл. 1):
Техническим результатом данного изобретения является получение листового проката для газонефтепроводных труб категории прочности Х42-Х56 с повышенными показателями сопротивления водородному и сероводородному растрескиванию под напряжением, а также низкотемпературной вязкостью с температурой вязкохрупкого перехода (Т50) менее -80°C и величиной ударной вязкости (KCV-80) более 250 Дж/см2.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства толстолистового проката из хладостойкой низколегированной трубной стали, включающей выплавку стали, непрерывную разливку на заготовки, нагрев слябов, предварительную и окончательную прокатку с ускоренным охлаждением. Согласно изобретению прокат производят из стали следующего химического состава, мас. %:
| Углерод | 0,04-0,08 |
| Марганец | 0,8-1,3 |
| Кремний | 0,10-0,35 |
| Ниобий | 0,02-0,06 |
| Молибден | 0,01-0,02 |
| Алюминий | 0,015-0,05 |
| Титан | 0,01-0,02 |
| Никель | 0,05-0,5 |
| Медь | 0,1-0,5 |
| Хром | 0,05-0,5 |
| Азот | 0,004-0,012 |
| Сера | не более 0,002 |
| Фосфор | не более 0,015 |
| Кальций | 0,0005-0,005 |
| Железо и неизбежные примеси, в т.ч. водород | остальное |
при соотношении Ca/S=1,0÷2,0, где Са, S - концентрации соответствующих элементов в стали.
При этом величина углеродного эквивалента, рассчитываемого по формуле Сэкв=С+Mn/6+(Cr+(Nb+Ti)/15+(Cu+Ni)/15 не более 0,38; параметр стойкости против растрескивания Pcm, рассчитываемый по формуле Pcm=С+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15, не более 0,21, а сумма элементов Nb+Ti не более 0,06%; Cr+Ni+Cu не более 0,6%.
Внепечная обработка жидкой стали производится с использованием средств вакуумирования с целью достижения содержания водорода в стали не более 2 ppm.
Нагрев слябов производится до температур 1150-1250°C. Предварительная деформация осуществляется при температурах 1000-1150°C с величиной суммарного обжатия 50-70% в 3 стадии по следующей схеме:
- с суммарным обжатием 10-25% в продольном направлении относительно оси сляба;
- с суммарным обжатием 20-35% в поперечном направлении относительно оси сляба;
- с суммарным обжатием 40-70% и величиной частного обжатия не менее 15% в продольном направлении относительно оси сляба.
Окончательную деформацию с суммарным обжатием 60-80% проводят в интервале температур от 950°C до TAr3+30÷50°C, затем ускоренно охлаждают до температур 400-550°C со скоростью 15-35°C/с, далее листы толщиной до 20 мм охлаждают на спокойном воздухе со скоростью 0,05-0,15°C/с и 0,0015-0,0035°C/с в стопе в случае листов большей толщины.
Заявленные пределы содержания углерода и аустенитообразующих элементов, таких как марганец, никель, хром и медь, в сочетании с карбонитридообразующими элементами титаном, молибденом и ниобием обеспечивают в готовом листовом прокате, произведенном по предлагаемым режимам прокатки и последеформационного охлаждения, комплекс свойств, характеризующихся сочетанием требуемого комплекса прочностных характеристик, пластичности и высокого уровня хладостойкости материала, а также высокого сопротивления водородному разрушению и сульфидному растрескиванию под напряжением. Добавки в сталь раскисляющих элементов кремния и алюминия в указанных пределах позволяют обеспечить необходимую чистоту стали по неметаллическим включениям. Ограничение в химическом составе стали такого элемента, как водород, позволяет увеличить стойкость материала к разрушениям в сероводородсодержащих средах.
Модифицирующая добавка кальция в сочетании с низкими содержаниями марганца и серы способствует повышению стойкости к разрушению, инициированному водородом, за счет снижения содержания сульфидных неметаллических включений и изменения их морфологии из строчечного в глобулярный тип.
Заявленные режимы термомеханической обработки и ускоренного охлаждения в температурной области бейнитного превращения способствуют формированию как на стадии подготовки аустенитного зерна к фазовому превращению, так и на стадии формирования целевой микроструктуры в процессе охлаждения однородной бесполосчатой феррито-бейнитной структуры с высокими показателями прочности, хладостойкости и сопротивлением водородному (CLR≤3, CTR→0) и сероводородному растрескиванию (σпор.≤0,8σт).
Пример осуществления способа
Выплавка стали произведена в кислородном конвертере. После выпуска проведена обработка металла в ковше на участке внепечной обработки стали, включающей раскисление, легирование, дегазацию, рафинировку и модифицирование кальцием. Разливка жидкой стали проведена на МНЛЗ. В результате получена сталь следующих химических составов:
Прокатка слябов размером 250÷300÷2590 мм на листы толщиной 14,3 мм, 15,0 мм, 15,9 мм и 22,0 мм произведена на одноклетьевом реверсивном стане «5000». Нагрев слябов под прокатку произведен до температуры 1170±10°C. Предварительная деформация осуществлена с суммарным обжатием 10-25% в продольном направлении относительно оси сляба за 1 проход; с суммарным обжатием 20-35% в поперечном направлении относительно оси сляба за 2-4 прохода; с суммарным обжатием 40-70% и величиной частного обжатия не менее 15% в продольном направлении относительно оси сляба за 3 прохода. Кратность подката составляла 5,7 для листов 14,3 мм, 15,7 и 15,9 мм, 6,2 для 15,0 мм, 5,3 для 22,0 мм. Окончательная деформация с суммарным обжатием 60-80% проведена за 9-11 проходов в интервале температур от 950°C до 800°C. После завершения прокатки произведено ускоренное охлаждение проката толщиной менее 20,0 мм от температуры 800°C до 500-550°C со скоростью 30-35°C/с и 25-30°C/с для листов толщиной 22,0 мм. Далее листы толщиной до 20 мм охлаждены на спокойном воздухе со скоростью 0,01°C/с и 0,0026°C/с в стопе в случае толщины 22,0 мм.
Технологические параметры прокатки и комплекс достигнутых свойств представлены в таблицах 2 и 3.
Таким образом, предложенный способ позволяет получить прокат категорий прочности Х42-Х56 при высоком уровне хладостойкости, низкотемпературной вязкости с высоким сопротивлением водородному и сероводородному растрескиванию без ухудшения свариваемости.
Способ производства толстолистового проката для изготовления сероводородостойких электросварных газонефтепроводных труб большого диаметра категории прочности Х42-Х56, включающий выплавку, внепечную обработку, непрерывную разливку на слябы, нагрев слябов, термомеханическую обработку с предварительной и окончательной деформациями и ускоренным охлаждением, отличающийся тем, что слябы получают из стали, содержащей, мас. %:
| углерод | 0,04-0,08 |
| марганец | 0,8-1,3 |
| кремний | 0,10-0,35 |
| ниобий | 0,02-0,06 |
| ванадий | 0,005-0,05 |
| молибден | 0,01-0,02 |
| алюминий | 0,015-0,05 |
| титан | 0,005-0,025 |
| никель | 0,01-0,5 |
| медь | 0,1-0,5 |
| хром | 0,01-0,5 |
| азот | 0,004-0,012 |
| сера | не более 0,002 |
| фосфор | не более 0,015 |
| кальций | 0,0005-0,005 |
| железо и | |
| неизбежные примеси и водород | остальное |
при выполнении соотношения Ca/S=1,0÷2,0, где Ca, S - концентрации соответствующих элементов в стали, при величине углеродного эквивалента Сэкв не более 0,38, рассчитываемого по формуле Сэкв=С+Mn/6+(Cr+(Nb+Ti)/15+(Cu+Ni)/15, параметре стойкости против растрескивания Pcm не более 0,21, рассчитываемом по формуле Pcm=С+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+Ni/15, причем сумма Nb+Ti составляет не более 0,06 мас.%, Cr+Ni+Cu не более 0,6 мас.%, при этом внепечную обработку жидкой стали ведут с использованием средств вакуумирования с обеспечением содержания водорода в стали не более 2ppm, нагрев слябов осуществляют до температуры 1150-1250°C, предварительную деформацию осуществляют при температуре 1000-1150°C с суммарным обжатием 50-70% в три стадии, включающие:
суммарное обжатие 10-25% в продольном направлении относительно оси сляба,
суммарное обжатие 20-35% в поперечном направлении относительно оси сляба
суммарное обжатие 40-70% с величиной частного обжатия не менее 15% в продольном направлении относительно оси сляба, а окончательную деформацию проводят с суммарным обжатием 60-80% в интервале температур от 950°C до Ar3+(30-50)°C, затем ускоренно охлаждают до температур 400-550°C со скоростью 15-35°C/с, причем листы толщиной до 20 мм охлаждают на спокойном воздухе со скоростью 0,05-0,15°C/с, а листы большей толщины охлаждают в стопе со скоростью 0,0015-0,0035°C/с.