Сталь повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости
Обновлено: 05.05.2024
Для просмотра информации о патентах вам необходимо зарегистрироваться и оплатить 30-ти дневный доступ. Разовый платеж составит 149 рублей (НДС не облагается).
Способ термической обработки сварных труб
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении сварных труб различного назначения. Для снижения энергетических и временных затрат на производство сварных труб при сохранении хладостойкости и стойкости к водородному охрупчиванию труб в.
Способ получения биметаллического слитка
Изобретение относится к металлургии, конкретнее к области специальной электрометаллургии, а именно к производству биметаллических слитков с использованием электрошлаковой технологии. В способе размещают в качестве основного слоя биметаллического слитка стальную заготовку с зазором от стенки.
Железнодорожное колесо
Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к колесам железнодорожных транспортных средств. Для наружной поверхности колеса радиусы первой и второй наружных радиусных кривых составляют от 0,04 до 0,05 диаметра круга катания. Радиус третей наружной радиусной кривой.
Низкоуглеродистая сталь и прокат из низкоуглеродистой стали повышенной стойкости к водородному растрескиванию и повышенной хладостойкости
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низкоуглеродистым сталям для производства проката, используемого для изготовления сварных нефте- и газопроводов, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,03-0,08, кремний 0,10-0,90, марганец.
Способ получения металлического покрытия на режущих кромках почвообрабатывающей техники
Изобретение относится к сварочному производству. Способ включает изготовление присадочного материала в форме брикетов. Брикеты состоят из смеси порошков, в которой упрочняющие частицы в наноразмерном диапазоне составляют 0,1-0,4% от массы наплавляемого металла. Связующий компонент выполняют в.
Способ производства холоднокатаной стали для глубокой вытяжки
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству холоднокатаной полосы с высокими вытяжными свойствами для холодной штамповки, применяемой в автомобилестроении. Для повышения штампуемости полосы выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод 0,02-0,06, кремний 0,005-0,030.
Способ получения биметаллических слитков с износостойким наплавленным слоем
Изобретение относится к металлургии. Способ включает размещение металлической заготовки с зазором от стенки кристаллизатора, установку в зазоре расходуемых электродов, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемых электродов. Основной слой изготавливают из легированной стали.
Способ получения биметаллических листов с износостойким наплавленным слоем
Изобретение относится к металлургии, а именно к получению биметаллических листов с наплавленным (плакирующим) слоем из износостойкой стали и основным слоем из легированной стали. Способ включает получение биметаллического слитка наплавкой заготовки основного слоя плакирующим износостойким слоем.
Способ контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания под напряжением
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к контролю стойкости трубных сталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных (водородсодержащих) средах, оказывающих коррозионное воздействие на материалы. Способ контроля стойкости трубных сталей против коррозионного растрескивания.
Способ производства особонизкоуглеродистой стали
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству особонизкоуглеродистых сталей с внепечной обработкой и разливкой на установках непрерывной разливки стали. В способе осуществляют выпуск металла в сталь-ковш при окисленности металла не более 950 ppm, усреднительную.
сталь повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости
Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированной стали повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, применяемой для различного оборудования, в том числе для нефтяных резервуаров, электросварных труб повышенной коррозионной стойкости, используемых для строительства трубопроводов, транспортирующих агрессивные в коррозионном отношении жидкости, в частности водные среды, содержащие ионы хлора, сероводород, углекислый газ, механические примеси и другие компоненты. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,02-0,20, марганец 0,35-1,4, кремний 0,01-0,40, хром 0,01-0,40, никель 0,01-0,40, медь 0,10-0,30, фосфор 0,005-0,035, серу не более 0,005, алюминий 0,01-0,05, ниобий 0,02-0,05, кальций 0,0001-0,002, цинк, олово, мышьяк и свинец - не более 0,005 каждого, кислород не более 0,004, железо и неизбежные примеси - остальное. Содержание меди зависит от содержания серы в соответствии с условием: |Cu| 60|S|, где |Cu| и |S| - абсолютная величина содержания меди и серы. Максимально допустимое значение плотности коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ) на основе алюминатов кальция составляет 3 вкл./мм 2 площади микрошлифа, а максимально допустимое значение плотности КАНВ на основе алюминатов магния составляет 2 вкл./мм 2 площади микрошлифа. Повышается коррозионная стойкость, хладостойкость, свариваемость и качество поверхности при сохранении прочности и вязкости. 2 табл., 1 пр.
Формула изобретения
Сталь повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, фосфор, серу, алюминий, ниобий, кальций, железо и неизбежные примеси, в том числе кислород, олово, цинк, мышьяк и свинец, при ограничении максимально допустимого значения плотности коррозионно-активных неметаллических включений в стали, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,02-0,20 |
| марганец | 0,35-1,4 |
| кремний | 0,01-0,40 |
| хром | 0,01-0,40 |
| никель | 0,01-0,40 |
| медь | 0,10-0,30 |
| фосфор | 0,005-0,035 |
| сера | не более 0,005 |
| алюминий | 0,01-0,05 |
| ниобий | 0,02-0,05 |
| кальций | 0,0001-0,002 |
| цинк, олово, мышьяк и свинец | не более 0,005 каждого |
| кислород | не более 0,004 |
| железо и неизбежные примеси | остальное, |
причем содержание меди определено в зависимости от содержания серы в соответствии с условием:
|Cu| 60|S|,
где |Cu| и |S| - абсолютные величины содержания меди и серы соответственно,
при этом максимально допустимое значение плотности коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ) на основе алюминатов кальция составляет 3 вкл./мм 2 площади микрошлифа, а максимально допустимое значение плотности КАНВ на основе алюминатов магния составляет 2 вкл./мм 2 площади микрошлифа.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии, а именно к производству низколегированных сталей для различных видов оборудования, в том числе для нефтяных резервуаров, электросварных труб повышенной коррозионной стойкости, которые могут быть использованы для строительства трубопроводов, транспортирующих агрессивные в коррозионном отношении жидкости, в частности водные среды, содержащие ионы хлора, сероводород, углекислый газ, механические примеси и другие компоненты. Такие трубы могут быть использованы для строительства, для трубопроводов систем нефтесбора, тепловых сетей и для других назначений. Обычные стали в таких условиях могут быть подвержены общей и локальной коррозии, коррозионному растрескиванию под напряжением, водородному охрупчиванию, коррозионной эрозии, что приводит к сквозным коррозионным повреждениям трубопровода. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к таким сталям, должны быть их высокая стойкость против различных видов коррозионного и коррозионно-механического разрушения при достаточной прочности, необходимой, в частности, для трубопроводов, работающих под давлением, а также удовлетворительной свариваемости, вязкости и хладостойкости. При обеспечении указанных требований рассматриваемые стали могут быть использованы для многих условий эксплуатации, обеспечивая повышенный ресурс эксплуатации. Учитывая, что многие виды металлопродукции в настоящее время используются после нанесения на них защитных покрытий (цинковых, лакокрасочных, битумных и других) дополнительным требованием к таким сталям является высокое качество поверхности, которое должно сохраняться как в процессе подготовки стали к нанесению покрытия, так и непосредственно при его нанесении. Кроме того, в наиболее жестких условиях эксплуатации такие стали целесообразно использовать в качестве основного слоя листов и труб, плакированных высоколегированными коррозионно-стойкими сталями. Для качественного соединения основного и плакирующего слоев также требуется качественная поверхность основы, а также высокая чистота стали основного слоя по примесям, которые в процессе высокотемпературного нанесения плакирующего слоя могут переходить в граничную зону и снижать качество соединения слоев.
Известна сталь для газо- и нефтепроводов, содержащая следующие компоненты, мас.%:
серу - не более 0,010,
фосфор - не более 0,012,
кальций + барий + магний - 0,07-0,10,
железо и неизбежные примеси - остальное.
Сталь обеспечивает высокий уровень механических свойств и стойкость против водородного растрескивания в сероводородсодержащих средах (Патент RU № 2222630, МПК C22C 38/128, опубл. 27.01.2004). Однако такая сталь не обладает требуемой стойкостью против локальной коррозии в виде язв и питтингов в водных средах, содержащих ионы хлора, а также в атмосферных условиях. Следствием этого могут быть коррозионные повреждения, которые уменьшают ресурс эксплуатации оборудования, а также снижают качество поверхности перед нанесением защитных покрытий или плакирующего слоя, ухудшая качество соединения.
Известна углеродистая низколегированная сталь для электросварных труб повышенной коррозионной стойкости (Патент RU № 2203342, МПК C22C 38/42, опубл. 27.04.2003), содержащая следующие компоненты, мас.%:
фосфор - не более 0,035,
серу - не более 0,025,
железо и неизбежные примеси - остальное,
причем содержание марганца соответствует соотношению |Mn|×|S| 0,015,
где |Мn| и |S| - содержание марганца и серы, соответственно, выраженное в массовых процентах,
при этом плотность коррозионно-активных неметаллических включений в стали составляет не более 5 штук в 1 мм 3 .
Сталь дополнительно содержит кальций в количестве 0,0001-0,008%.
Сталь содержит структурно свободный феррит с номером зерна не менее 8. Сталь имеет удовлетворительную стойкость против локальной коррозии, в частности в водных средах с повышенным содержанием ионов хлора, прочность, вязкость и свариваемость. Однако стойкость ее против общей коррозии, а также стойкость против атмосферной коррозии может быть недостаточной. Ударная вязкость такой стали при отрицательных температурах (особенно при -40°С и ниже) может быть низка, что свидетельствует о недостаточной хладостойкости.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является «Сталь повышенной коррозионной стойкости» (Патент RU № 2344194, МПК C22C 38/58, опубл. 10.04.2008 - прототип). Сталь содержит следующие компоненты, мас.%:
кислород - не более 0,005,
причем содержание марганца определяется в зависимости от содержания серы в соответствии с условием:
где |Мn| и |S| - абсолютные величины содержания марганца и серы соответственно, при этом максимально допустимое значение плотности коррозионно-активных неметаллических включений в стали N КАНВ , включения/мм 2 , определяется в зависимости от содержания кислорода в стали в соответствии с условием:
|N КАНВ | 7-1000|O 2 |,
где |N КАНВ | - абсолютная величина плотности коррозионно-активных неметаллических включений,
|О 2 | - абсолютная величина содержания кислорода.
Сталь дополнительно содержит ниобий в количестве 0,01-0,07% или ванадий в количестве 0,01-0,10%, а также кальций в количестве 0,0001-0,008%.
Сталь имеет удовлетворительную стойкость против общей и локальной коррозии, в частности в водных средах с повышенным содержанием ионов хлора, прочность, вязкость и свариваемость. Однако такая сталь может иметь низкую стойкость против атмосферной коррозии, что является причиной появления дефектов на поверхности, снижающих качество нанесения защитных покрытий или плакирующего слоя. Ударная вязкость такой стали и ее сварных соединений при отрицательных температурах (особенно при -60°C и ниже) может быть низка, что свидетельствует о недостаточной хладостойкости и свариваемости.
Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении коррозионной стойкости, прочности, вязкости, хладостойкости и свариваемости стали при высоком качестве поверхности.
Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости, хладостойкости, свариваемости и качества поверхности низколегированной стали при сохранении прочности и вязкости.
Технический результат достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, фосфор, серу, алюминий, ниобий, кальций, железо и неизбежные примеси, в том числе кислород, олово, цинк, мышьяк и свинец, при ограничении максимально допустимого значения плотности коррозионно-активных неметаллических включений в стали согласно изобретению содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
серу - не более 0,005,
цинк, олово, мышьяк и свинец - не более 0,005 каждого,
кислород - не более 0,004,
причем содержание меди определяется в зависимости от содержания серы в соответствии с условием:
где |Cu| и |S| - абсолютные величины содержания меди и серы, соответственно, при этом максимально допустимое значение плотности КАНВ на основе алюминатов кальция составляет 3 вкл./мм 2 площади микрошлифа, а максимально допустимое значение плотности КАНВ на основе алюминатов магния составляет 2 вкл./мм 2 площади микрошлифа.
Содержание углерода и марганца в предлагаемых пределах позволяет получать требуемый уровень прочности стали без снижения ее коррозионной стойкости. При более низком содержании указанных элементов может не обеспечиваться требуемая прочность стали. При более высоком их содержании снижается коррозионная стойкость и свариваемость.
Содержание кремния, алюминия в предлагаемых пределах определяет необходимую степень раскисленности стали при ограниченном количестве оксидов, отрицательно влияющих на коррозионную стойкость стали. При меньшем их содержании затруднительно получить требуемое содержание кислорода в стали. Кроме того, присутствие кремния в твердом растворе вносит определенный вклад в повышение прочностных характеристик. К этому же приводит определенное содержание алюминия в стали, который, связывая азот в частицы нитрида алюминия, сдерживает рост зерна и, тем самым, также приводит к повышению прочности и вязкости. Более высокое значение указанных элементов, чем предусмотренное формулой изобретения, снижает коррозионную стойкость стали.
Присутствие в стали хрома, никеля и меди положительно влияет на стойкость стали против общей коррозии и против питтинговой коррозии в некоторых средах. С этим связано ограничение нижнего предела их содержания в стали. Более высокие значения содержания указанных элементов, чем предусмотренные формулой изобретения, приводят к снижению свариваемости стали.
Микролегирование стали ниобием приводит к повышению прочности, вязкости и хладостойкости стали из-за выделения мелкодисперсных частиц карбонитридов или карбидов, в том числе, на заключительной стадии горячей прокатки и из-за соответствующего измельчения зерненной структуры.
Ограничение верхних пределов содержания фосфора и серы связано с необходимостью обеспечить определенный уровень вязкости и хладостойкости стали. Ограничение нижнего предела содержания фосфора связано с тем, что фосфор, повышая активность углерода, способствует более интенсивному выделению частиц карбонитрида ниобия в процессе горячей прокатки, что повышает прочность стали.
Ограничение содержания кислорода в стали приводит к повышению стойкости против общей коррозии.
При содержании цинка, олова, мышьяка и свинца более 0,005% каждого снижается ударная вязкость сварного соединения, особенно при отрицательных температурах.
Дополнительное ограничение содержания меди в зависимости от содержания серы (см. уравнение 1) позволяет сформировать благоприятную морфологию сульфидных выделений, которые кроме марганца и серы содержат медь. При этом существенно повышается стойкость против питтинговой коррозии, вязкость и хладостойкость стали.
Ограничение плотности коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ) на основе алюминатов кальция, выявляемых специальными методами (Патент RU № 2149400, МПК G01N 33/20, опубл. 20.05.2000), в наибольшей степени ускоряющих локальную коррозию в водных средах, содержащих ионы хлора, а также процессы коррозионной эрозии, позволяет существенно уменьшить скорости указанных процессов и повысить долговечность трубопроводов. При этом допустимое значение плотности КАНВ не должно превышать 3 вкл./мм 2 .
КАНВ на основе алюминатов магния, образование которых стало возможным путем восстановления магния из футеровки или из шлака в процессе обработки стали в ковше при низком уровне окисленности металла и шлака, оказывают отрицательное влияние на стойкость стали против общей и локальной коррозии в водных хлорсодержащих средах, в атмосферных условиях на качество поверхности, а следовательно, на качество нанесения защитных покрытий и плакирующего слоя. Допустимое значение плотности КАНВ на основе алюминатов магния не должно превышать 2 вкл./мм 2 .
При обработке стали кальцием в количестве, обеспечивающем его содержание в указанных в формуле пределах, происходит модифицирование включений сульфида марганца, а также включений на основе алюминатов магния, что повышает характеристики вязкости и хладостойкости стального проката и труб. При меньшем содержании кальция достаточного модифицирования неметаллических включений не происходит. При большем его содержании повышается загрязненность стали КАНВ на основе алюминатов кальция.
Примеры конкретного выполнения способа.
Восемь вариантов низколегированных сталей были выплавлены в лабораторной печи и разлиты в листовые сутунки, которые затем прокатывали на стане на полосы толщиной 5 мм.
Химический состав восьми исследованных плавок стали, зависимость содержания меди от содержания серы и плотность КАНВ приведены в таблице 1.
Из стального проката указанных вариантов сваркой токами высокой частоты изготавливали образцы сварных соединений. На образцах, отобранных от проката и от сварных соединений, проводили комплексные механические и коррозионные испытания - на растяжение по ГОСТ 1497, на ударную вязкость при температуре минус 60°C и минус 10°C по ГОСТ 9455, а также специальные коррозионные испытания по методике, заключающейся в определении массы образцов в результате коррозионных натурных испытаний в водной среде, содержащей 0,17 моль/л NaCl, 0,13 моль/л KСl, 8 моль/л NaHCO 3 и 0,8 моль/л Na 2 SO 4 , в течение 90 суток (методика 1). Кроме того, скорость локальной коррозии определяли по методике 2 (Липовских В.М., Кашинский В.И., Реформатская И.И., Флорианович Г.М., Подобаев А.И. и Ащеулова И.И. Зависимость коррозионной стойкости теплопроводов из углеродистой стали от водного режима теплосети. Защита металлов. 1999, т.35, № 6, с.653-655): определяли скорость развития питтингов в горячей воде (паре) при температуре 135±15°C, содержащей 50 мг/л хлор-иона, 50 мг/л сульфат-иона и 20 мг/л кислорода, pH 8,5-9,5, длительность натурных испытаний - 3 месяца.
Кроме того, оценивали наличие дефектов (коррозионных поражений) на поверхности проката после вылеживания в течение 1 месяца в атмосферных условиях.
Результаты определения предела текучести, временного сопротивления, ударной вязкости при минус 60°C и минус 10°C, скорости локальной и общей коррозии (методики 1 и 2, соответственно), а также наличие дефектов на поверхности проката для исследованных плавок представлены в таблице 2.
Видно, что варианты 1 и 2, соответствующие формуле изобретения, обеспечивают высокие механические характеристики и коррозионную стойкость стального проката и труб.
Пониженное, по сравнению с предусмотренным формулой изобретения, содержание меди в плавке 3, а также невыполнение условия |Cu| 60|S| в плавках 3 и 4 приводит к снижению стойкости стали против общей коррозии (плавка 3), против питтинговой коррозии в некоторых средах и к снижению хладостойкости. Кроме того, пониженное содержание меди в плавке 3 стало причиной появления дефектов на поверхности.
Повышенное, по сравнению с расчетным, содержание цинка и олова в плавке 5 приводит к снижению ударной вязкости стали.
Содержание фосфора ниже минимально допустимого в плавке 6 приводит к снижению прочностных характеристик стали.
Повышенное, по сравнению с расчетным, содержание кальция в плавке 7 приводит к повышенной загрязненности стали КАНВ на основе алюминатов кальция (7 вместо 3 вкл./мм 2 ). Это, в свою очередь, резко увеличивает скорость как общей, так и локальной коррозии.
При наличии в стали значительного количества КАНВ на основе алюминатов магния - 4 включения вместо 1 (плавка 8), скорость локальной коррозии возрастает более чем в 2 раза, скорость общей коррозии - более чем в 1,5 раза, появляются дефекты на поверхности.
Пониженная коррозионная стойкость стали в присутствии коррозионно-активных неметаллических включений и является основной причиной досрочных выходов из строя трубопроводов систем нефтесбора и теплотрасс, особенно при повышенном содержании кислорода и серы.
Таким образом, использование настоящего изобретения существенно повышает коррозионную стойкость и хладостойкость низколегированных сталей при сохранении их прочности, вязкости и свариваемости. В конечном итоге это приведет к значительному повышению срока безаварийной эксплуатации трубопроводов.
Материалы для Арктики. Коррозионностойкая высокопрочная литейная хладостойкая аустенитная сталь для деталей и конструкций, используемых в высоких широтах и на шельфе
Вопрос выбора конструкционных материалов, необходимых для длительной безотказной работы машин и конструкций, приобретает особую актуальность при добыче углеводородного сырья в зоне морского шельфа, поэтому к таким материалам предъявляются повышенные требования. В статье приведена информация о новой литейной стали аустенитного класса, разработанной в ИМЕТ РАН. Сталь нечувствительна к надрезам, превосходит применяющиеся в РФ литейные аустенитные стали по пределу текучести, ударной вязкости и твердости, что позволяет уменьшать толщину сечений отливок без ущерба для надежности и долговечности.
Материалы, используемые в конструкциях для работы на северном шельфе, подвергаются воздействию высоких статических, циклических, а зачастую и ударных нагрузок, коррозионному воздействию морского воздуха и воды; иногда – трению, приводящему к износу; большую часть времени они эксплуатируются при низких и очень низких температурах.
Последний фактор, действуя совместно со всеми перечисленными, может привести к достаточно быстрому разрушению материала узлов и конструкций. Это связано с хорошо изученной закономерностью: с понижением температуры прочность сталей, независимо от их структурного класса, возрастает, однако характеристики вязкости и трещиностойкости значительно снижаются [1], т.е. стали охрупчиваются. Неправильный выбор материала чреват тем, что, например, ударное воздействие на конструкцию при низкой температуре вызовет быстрое катастрофическое распространение трещины, зародившейся в материале в критическом сечении под воздействием предшествующих циклических нагрузок. Особенно важен учет возможности низкотемпературного охрупчивания для изделий сложной формы, изготавливаемых методом литья, с крупными зернами, вытянутыми в направлении теплоотвода, где трещина может очень быстро распространяться именно по таким границам.
Сочетания свойств коррозионной и износостойкости с высокой прочностью при наличии аустенитной структуры можно достичь за счет легирования сталей азотом [2 – 4]. Говоря о литейных сталях именно аустенитного класса, как наиболее коррозионностойких, следует отметить следующее. Зарубежными стандартами предусмотрено производство по крайней мере пяти литейных марок сталей аустенитного класса с содержанием азота 0,1 – 0,4 % [4]. Это Cr-Mn-Ni, Cr-Mn-Ni-Mo, Cr-Ni-Mo стали с высоким содержанием никеля (от 9 до 25 %), в структуре которых допускается до 20 % феррита, с величиной эквивалента питтингостойкости ЭСП = PREN = % Cr + 3,3 · % Mo + 16 · % N до 30 – 34. (У обычной «нержавейки», легированной только 18 % Cr, из числа указанных в этой формуле элементов, этот индекс равен соответственно лишь 18). Эти марки сталей способны обеспечить предел текучести 0,2 вплоть до 290 МПа (против 196 МПа у стали 12Х18Н9ТЛ) за счет легирования азотом и повышения доли феррита в структуре стали, увеличивающего долю границ зерен в литом материале. В нашей стране известны разработанные к 1969 году марки литейных Cr-Mn-Ni-сталей аустенитного класса 0Х20Н4АГ10 (НН-3) и 0Х18Г11Н4АФ (НН-3Ф), с концентрацией азота 0,4 – 0,55 %, обеспечивающие предел текучести от 345 МПа, но с ЭСП ≤ 26 [5]. В стандарт РФ [6] на литейные стали данные марки сталей не включены, литье из них производится по специальным заказам, на основании выпущенной технической документации.
В статье приведена информация о новой литейной стали 05Х21АГ15Н8МФЛ с ~0,5 % N, аустенитного класса, разработанной в ИМЕТ РАН [7]. По комплексу свойств она отличается от аустенитных азотосодержащих сталей, описанных в [4, 5] и аустенитных сталей, описанных в [6]. Исследования, проведенные в 2018 – 2020 гг., показали, что эта сталь обладает не только высокой прочностью, коррозионной и износостойкостью, что нами было показано ранее, но и является свариваемым, хладостойким материалом. На наш взгляд, такое сочетание свойств у стали аустенитного класса является уникальным и делает сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ перспективным материалом для литых изделий сложной формы, с переменными сечениями и концентраторами напряжений, для длительной безотказной службы в регионах с температурами вплоть до нижнего порога климатических температур (принято считать, что это минус 70 °С). В статье содержатся, в т.ч., ссылки на собственные работы авторов в связи с необходимостью подтвердить методическую и научную достоверность приводимых данных.
Литейно-технологические свойства стали 05Х21АГ15Н8МФЛ
Сталь подтвердила свои свойства как литейного материала, способного при заливке в форму хорошо заполнять тонкие сечения [8]. Она обладает высокой жидкотекучестью, обусловленной наличием в ее составе марганца и азота. Она характеризуется температурами ликвидус tL =1385 °С и солидус tS = 1330 1340°С. На основе измерений температуры металла в процессе его кристаллизации и охлаждения в форме из ХТС был определен коэффициент затвердевания – К ≈ 7,5 мм/мин1/2, рассчитано время затвердевания металла в сечениях литейной формы разной толщины, построена графическая зависимость, позволяющая при разработке технологии литья оценивать время затвердевания прибыльной части, стенок и узлов отливок [8].
Структура и фазовый состав отливок
В ступенях плоской ступенчатой модельной отливки сечением от 1 – 2 до 40 мм была изучена структура отливок. Величина дендритного параметра (расстояния между осями дендритов второго порядка) в них изменялась от 5,56 до 47,5 мкм соответственно. Размер неравноосных литых зерен не оценивали, т.к., как правило, он был существенно больше 500 мкм (рис. 1). Наблюдали типичную крупнозернистую текстурированную структуру литого металла с характерными для строения слитков зонами. После гомогенизирующего отжига с охлаждением в воде в аустените присутствуют упрочняющие наноразмерные нитриды CrN (по данным просвечивающей электронной микроскопии), феррит (от ~0 до ~8 %) и неметаллические включения (НВ) (рис. 1). Количество феррита в стали регулируется термообработкой [9]. Далее в статье свойства стали описаны именно для термически обработанного состояния.
Статическая прочность. Чувствительность к надрезу и хладостойкость
В этом разделе уместно напомнить, что размер зерна металла оказывает влияние на предел текучести, сопротивление хрупкому разрушению и температуру вязко-хрупкого перехода; измельчение зерна способствует снижению критической температуры хрупкости [10]. Однако металл изученных отливок был крупнозернистым (см. выше), и в отношении него механизм упрочнения согласно закону Холла-Петча (предел текучести обратно пропорционален квадратному корню из величины размера зерна) не эффективен. (Специальные известные методы для измельчения размера зерна при кристаллизации не применялись.)
Испытания на растяжение и ударный изгиб проводили согласно действующим в РФ стандартам. Сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ имеет высокий уровень механических свойств благодаря твердорастворному упрочнению азотом [9], причем не только при + 20 °С (табл. 1). В таблице 1 приведены результаты ее испытаний на растяжение и ударный изгиб при температурах от + 20 до - 70 °С (хладостойкость принято оценивать по изменению ударной вязкости образцов с надрезом с понижением температуры испытаний). Следует отметить, что эта сталь практически не чувствительна к острому надрезу. По данным проведенных нами исследований, средний уровень KCV+20 = 240 Дж/ см2, при этом разница в значениях между KCU и KCV (по результатам не менее 10 испытаний на точку для каждого вида надреза) не превышает разброса значений, характерного для литой структуры. Построение температурной зависимости ударной вязкости стали 05Х21АГ15Н8МФЛ в интервале + 20…- 160 °С показало, что сталь характеризуется широким интервалом температур вязко-хрупкого перехода c температурой такого перехода, равной - 75 °C, при которой KCV = 120 ± 10 Дж/ см2 (т.е. 1/2 от KCV+20) [11]. Эта литейная сталь не подвержена хладноломкости и при охлаждении до -70 °С. Большую роль в этом играет повышенная прочность упрочненного азотом аустенита, обеспечивающего предел текучести вдвое более высокий, чем у традиционных аустенитных литейных сталей (табл. 1).
Критической температурой хрупкости для нее признана температура -110 °С [11], т.к. при дальнейшем снижении температуры испытаний ударная вязкость достигает значений: KCV-140 = 44 Дж/см2, KCV-160 = 25 Дж/см2.
В таблице 1 приведены литературные данные по хладостойкости сталей сравнения. Поскольку сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ – сталь аустенитного класса, логично сравнение ее механических свойств со свойствами традиционных аустенитных литейных сталей. Однако, если деформируемые аустенитные стали – это криогенный материал, то в литейном варианте они в качестве хладостойких не рассматриваются [6, 10]. У стали 12Х18Н9ТЛ низкими являются и прочность, и ударная вязкость [6]; у стали 12Х18Н10Т 1 , не входящей в стандарт [6], в литом состоянии ударная вязкость более чем в два раза ниже, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ при +20 °С, и низкая при температуре -196 °С [10]; ее ЭСП = 18 против 33 у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ. Хорошее сочетание прочности, пластичности и вязкости, высоких литейных свойств и коррозионной стойкости имеет свариваемая сталь 07Х13Г28АНФЛ [10, 13], не входящая в стандарт. При -196 °С ее КСV = 90 Дж/см2, т.е. выше, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ при -160 °С [11]. Однако сталь 07Х13Г28АНФЛ при +20 °С имеет предел текучести 300 МПа и КСV = 140 Дж/см2, уступая стали 05Х21АГ15Н8МФЛ по этим характеристикам. У нее также низкая питтингостойкость (ЭСП 14); она содержит очень много марганца (почти вдвое выше, чем у стали 05Х21АГ15Н8МФЛ).
Если не требовать наличия у стали сравнения аустенитной структуры и удовлетвориться принадлежностью стали к числу коррозионностойких при наличии прочности и хладостойкости, то можно провести сравнение со сталью 08Х15Н4ДМЛ [10], относящейся к мартенситно- аустенитному классу. Она является хладостойкой при климатических температурах и превосходит в силу наличия мартенсита аустенитную сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ по пределу текучести (но не по пределу прочности), уступая ей по ударной вязкости и пластичности (таблица 1), а также по величине ЭСП ( 18). Кроме того, эта сталь имеет ограниченную свариваемость.
Влияние феррита и НВ в структуре стали 05Х21АГ15Н8МФЛ на механические свойства и хладостойкость
Следует отметить, что испытания на ударный изгиб при -160 °С в работе [11] были проведены на образце с максимальным количеством феррита, что негативно сказалось на полученном значении ударной вязкости. Было показано, что при этой температуре феррит в стали 05Х21АГ15Н8МФЛ находится ниже порога хладноломкости, трещины зарождаются в осях 1 и 2 порядка ферритных кристаллов. Поэтому резервом повышения хладостойкости новой стали 05Х21АГ15Н8МФЛ является получение литого металла без феррита, что возможно.
Негативного влияния частиц НВ в структуре этой литой стали на механические свойства не наблюдается, согласно результатам проведенного нами в 2020 – 2021 гг. исследования 2 .
Нами была также изучена циклическая прочность новой литейной стали 05Х21АГ15Н8МФЛ в диапазоне напряжений от 225 до 600 Мпа 3 (рис. 2) [14]. В условиях малоцикловой усталости (до ~ N = 6 · 104 циклов) литая сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ не уступает горячедеформированному прототипу [15], а до ~ N = 5 · 105 циклов превосходит классические аустенитные деформируемые стали SUS 304N и SUS 304. Как видно из рис. 2, литейная сталь 12Х18Н10ТЛ не подлежит испытаниям на усталостную прочность ввиду начала пластического течения уже при 196 МПа, тогда как образцы азотосодержащей литейной стали при напряжении 225 МПа выдерживают 107 циклов повторного растяжения. Мартенситно-аустенитная сталь 08Х15Н4ДМЛ имеет более высокое значение предела усталостной прочности.
Твердость. Исследования твердости показали, что благодаря твердорастворному упрочнению азотом исследованная литейная сталь тверже традиционных аустенитных литейных сталей: HBср = 204 (180 213), тогда как для сталей 12Х18Н9ТЛ и 12Х18Н12М3ТЛ HBср = 156 (129 183).
Костина Мария Владимировна
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), доцент, д.т.н.
Ригина Людмила Георгиевна
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), АО «Научно-производственное объединение "Центральный научно- исследовательский институт технологии машиностроения"» (ОАО НПО ЦНИИТМАШ), к.т.н.
Мурадян Саркис Ованесович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), к.т.н.
Костина Валентина Сергеевна
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), к.т.н.
Кудряшов Александр Эдуардович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Марки сталей бесшовных нефтегазопроводных труб
Предназначены для строительства нефтегазопроводов, транспортирующих как обычные, так сероводородосодержащие и коррозионно-активные среды, для газлифтных систем, обустройства месторождений, в том числе и в условиях Крайнего Севера.
Стандарты
Нормативные документы
Наружный диаметр, мм
Марка стали
Группа (категория)
прочности
ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8732-78
«Трубы стальные бесшовные горячедеформированные»
09Г2С, 30ХГСА, 15Х5М и т.д.
«Трубы стальные бесшовные горячедеформированные для газопроводов, газлифтных систем и обустройства газовых месторождений»
«Трубы бесшовные горячедеформированные для газопроводов газлифтных систем и обустройства нефтяных и газовых месторождений северных районов»
ТУ 14-3-1963-95
«Трубы бесшовные сероводородостойкие»
ТУ 14-3-1971-97
«Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности из углеродистой стали (сталь марки 20 и ее модификации)»
ТУ 14-3-1972-97
«Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости»
«Трубы стальные бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные из микролегированных сталей с увеличенным ресурсом эксплуатации»
ТУ 1317-214-0147016-02
«Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной надежности при эксплуатации для месторождений ТПП «Когалымнефтегаз»
ТУ 1317-204-0147016-01
«Трубы стальные бесшовные нефтегазопроводные хладостойкие, повышенной коррозионной стойкости»
ТУ 1381-159-0147016-01
«Трубы стальные бесшовные нефтегазопроводные с улучшенной поверхностью для нанесения антикоррозионного покрытия»
09ГСФ, 06Х1, 06ХФ
ТУ 14-156-37-97
«Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной хладостойкости и коррозионной стойкости для месторождений ОАО «Сургутнефтегаз»
API 5L
ТУ 14-162-14-96 Трубы стальные бесшовные горячеде- формированные нефтегазопроводные повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости
20А, 20ЮЧА, 08ХМЧА
ТУ 14-162-20-97 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтепроводные повышенной хладостойкости и коррозионной стойкости для месторождений ОАО "Сургутнефтегаз"
20А, 20ЮЧА, 08ХМЧА, 09СФА
ТУ 14-162-24-97 Трубы бесшовные горячедеформированные для трубопроводов с резьбой ТРТ и муфты к ним
10, 20, 60, 65, 40Х, 17Г1С, 30ХГСА, 09Г2С, 15А, 20А, 20ЮЧА, 08ХМЧА, 09СФА
ТУ 1317-214-0147016-2002 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной надежности при эксплуатации для месторождений ТПП "Когалымнефтегаз"
ТУ 14-3- 1600-89
Трубы горячедеформированные из стали 20ЮЧ.
133; 140; 146; 152; 159
ТУ 14-3-1 801 -92
Трубы стальные бесшовные горячедеформированные повышенного качества для газопроводов газлифтных систем и обустройства нефтяных и газовых месторождений северных районов.
ТУ 14-3-1 831 -92
Трубы бесшовные сероводородостойкие из стали марки 12ГФ-ПВ.
ТУ 14-1 61 -134-95
Трубы бесшовные горячедеформированные для газопроводов газлифтных систем.
10, 20, 35, 10Г2, 09Г2С
ТУ 14-161-174-97
Трубы бесшовные и горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной хладостойкости и коррозионной стойкости.
Трубы и соединительные части к ним из высокопрочного чугуна с резьбовым соединением и узлом уплотнения из полимерного материала для внутри промысловых трубопроводов.
Трубы нефтепроводные диаметром 200-300 мм из высокопрочного чугуна.
Трубы бесшовные и горячедеформированные нефтегазопроводные сероводородостойкие и хладостойкие.
ГОСТ 30564-98 Трубы бесшовные горячедеформированные из углеродистых и легированных сталей со специальными свойствами
ТУ 14-157-37-94 Трубы бесшовные горячедеформированные из стали марки 20 хладостойкие
ТУ 14-157-50-97 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные с повышенными эксплуатационными свойствами
20 «С» селект, 09ГСФА
ТУ 14-157-54-97 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные повышенной хладостойкости и коррозионной стойкости для месторождений ОАО «Сургутнефтегаэ»
20 «С» селект, 20ЮЧ, 09ГСФА
ТУ 14-157-60-98 Трубы бесшовные горячедеформированные нефтегазопроводные в сероводородостойком исполнении
для ОАО "ГАЗПРОМ"
Химический состав сталей
Нормативный
Документ
(гр.пр.)
C
Не более
Si
Mn
S
P
Cu
Ni
Cr
Al
V
ГОСТ 1050-88
ГОСТ 8731-74
ГОСТ 1050-88
ГОСТ 19281
ТУ 14-3-1971-97
ТУ 14-3-1972-97
ТУ 1381-214-0147016-02
ТУ 1381-204-0147016-01
ТУ 14-157-37-94
ТУ 14-162-14-96
ТУ 14-162-20-96
ТУ 14-157-50-97
ТУ 14-157-54-97
20 «С» селект
20ЮЧ
ТУ 14-157-60-98
Содержание элементов, не указанных в таблице:
Механические свойства
Нормативный документ
Гр. проч.
Предел прочности, sв, Н/мм 2
Предел теку-чести, sт, Н/мм 2
sв / sт
Относи-тельное длин- ение, d, %
НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ И ПРОКАТ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТИ К ВОДОРОДНОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ И ПОВЫШЕННОЙ ХЛАДОСТОЙКОСТИ
Устройство для переработки шлаковых расплавов
Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано при переработке металлургических шлаков. Устройство для переработки шлаковых расплавов содержит металлический барабан с наружными продольными ребрами и ребордами, установленный с возможностью вращения вокруг.
Сталь повышенной коррозионной стойкости и электросварные трубы, выполненные из нее
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной коррозионной стойкости для изготовления электросварных труб, используемых при строительстве трубопроводов, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред, в частности для.
Смесь для выплавки стали в электродуговой печи с получением сырьевого материала для цинковой промышленности
Изобретение относится к электросталеплавильному производству, в частности к составу смеси для выплавки стали в электродуговой печи. Смесь содержит, мас.%: пыль системы газоочистки электродуговой печи 60-90 и коксовую мелочь 10-40. Изобретение позволяет получить сырьевой материал для цинковой.
Способ производства толстолистового проката классов прочности к52-к60, х52-х70, l360-l485 для изготовления электросварных труб магистральных трубопроводов
Изобретение относится к металлургии, более точно к прокатному производству, и может быть использовано при производстве толстолистового проката классов прочности К52-К60, Х52-Х70, L385-L485 для изготовления электросварных труб магистральных трубопроводов. Способ включает получение.
Способ производства толстолистового проката классов прочности к65, х80, l555 для изготовления электросварных труб магистральных трубопроводов
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству на реверсивном толстолистовом стане листового проката толщиной 15-34 мм для изготовления труб магистральных трубопроводов диаметром до 1420 мм. Способ производства толстолистового проката для изготовления электросварных.
Способ оценки коррозионной стойкости углеродистых и низколегированных трубных сталей и труб, изготовленных из них
Изобретение относится к металлургии, конкретно к области оценки стойкости трубных марок стали и труб против коррозионного разрушения. Способ контроля качества стальных изделий путем определения их коррозионной стойкости, заключающийся в том, что от изделий отбирают пробы. Затем изготавливают.
Способ производства толстолистового проката классов прочности k80, x100, l690 для изготовления электросварных труб магистральных трубопроводов
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству проката толщиной 14-31 мм для изготовления труб магистральных трубопроводов. Для обеспечения требований по прочностным, пластическим и вязким свойствам, характерным для проката прочности К80, Х100, L690, получают сталь.
Способ производства толстолистового проката с повышенной деформационной способностью, толстолистовой прокат
Изобретение относится к области металлургии, в частности для производства толстолистового проката. Для повышения деформационной способности проката, хладостойкости за счет создания феррито-мартенсито/бейнитной структуры способ включает получение непрерывнолитой заготовки из стали, содержащей.
Способ производства сварных прямошовных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов
Изобретение относится к области производства стальных сварных прямошовных труб для магистральных трубопроводов. Способ включает приварку технологических планок к исходной заготовке, обработку ее продольных кромок, подгибку продольных кромок заготовки, формовку трубной заготовки, сборку.
Гильза кристаллизатора для непрерывной разливки сталей
Изобретение относится к области металлургии. Гильза кристаллизатора для непрерывной разливки стали содержит стенку из меди или медных сплавов с покрытием из хрома и/или никеля. С внутренней стороны стенки выполнены первый участок и второй расположенный в нижней части стенки в ее продольном.
Читайте также: