Центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Полезная модель относится к трубам, предназначенным для транспортировки агрессивных сред, и может быть использована при изготовлении коррозионно-стойких труб для нефтегазопроводов. Труба изготовлена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, содержащего по массе 3,0-4,0% углерода, 3,0-3,5% кремния, 0,40-0,60% марганца, 0,030-0,045% магния, 0,03-0,10% ванадия, подвергнута отжигу при температуре 890-950°С и последующему отпуску при температуре 670-700°С. Обеспечивается механическая прочность труб, коррозионная стойкость в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ, и хладостойкость.
Полезная модель относится к трубам, предназначенным для транспортировки агрессивных сред, и может быть использована при изготовлении коррозионно-стойких труб для нефтегазопроводов.
Известна чугунная горячедеформированная бесшовная труба, выполненная из высокопрочного чугуна, содержащего наряду с другими элементами по массе 2,1-3,8% углерода; 1,0-3,5% кремния; 0,05-0,80% марганца (патент РФ 2243046, МПК F16L 9/02). Однако чугунные горячедеформированные трубы, как показала практика их использования, не обладают необходимой коррозионной стойкостью в нефтепромысловых средах.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, подвергнутая отжигу при температуре 840-870°С и последующему регламентированному охлаждению (патент РФ 2175986, МПК C21D 9/08). Такие трубы имеют высокие прочностные и пластические свойства, но не обладают достаточными для нефтегазопроводов коррозионной стойкостью и ударной вязкостью.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение качества центробежно-литых чугунных труб за счет повышения их коррозионной стойкости в различных агрессивных средах и хладостойкости, а также расширение имеющегося арсенала труб для строительства нефтегазопроводов.
Поставленная задача решается путем того, что центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, подвергнутая отжигу, в отличие от прототипа выполнена из чугуна, содержащего по массе 3,0-4,0% углерода, 3,0-3,5% кремния, 0,40-0,60% марганца, 0,030-0,045% магния, 0,03-0,10% ванадия, подвергнута отжигу при температуре 890-950°С и последующему отпуску при температуре 670-700°С.
Технический результат, обеспечиваемый при осуществлении данного технического решения, заключается в следующем.
Выполнение предложенной трубы из чугуна указанного химического состава позволяет повысить ее коррозионную стойкость в различных агрессивных средах. При этом содержание кремния в пределах 3,0-3,5 мас.% способствует насыщению (до 16% Si) поверхностного слоя на границе металл - коррозионная среда, т.е. наблюдается эффект естественного силицирования, препятствующий дальнейшей коррозии вглубь металла. При содержании кремния в количествах менее 3,0 мас.% не обеспечивается необходимый уровень коррозионной стойкости, а при содержании кремния более 3,5 мас.% происходит охрупчивание чугуна и потеря пластических свойств. Ограничение содержания марганца до 0,60 мас.% объясняется тем, что большее количество марганца способствует образованию перлитной основы и отбеливанию чугуна. Проведенные исследования показали также, что микролегирование чугуна магнием совместно с ванадием в указанных количествах приводит к улучшению вязко-пластических свойств Магний раскисляет и модифицирует чугун, обеспечивая глобуляризацию графита. Однако, содержание магния менее 0,03 мас.% недостаточно для образования графита компактной шаровидной формы и получения высоких вязко-пластических свойств, а увеличение количества магния свыше 0,045 мас.% приводит к снижению пластичности чугуна. При производстве чугуна в расплаве неизбежно наличие растворенных газов: кислорода, водорода, азота. Атомарный водород поглощается графитом, кислород оседает на графитных включениях в виде оксидов, азот остается в твердом растворе. Поскольку ванадий является сильным нитридообразующим элементом, его введение в присутствии растворенного в расплаве чугуна азота приводит к образованию мелкодисперсных включений нитридов, что повышает прочность и, кроме того, способствует повышению вязко-пластических свойств и хладостойкости. При этом ванадия менее 0,03 мас.% недостаточно для связывания азота в нитриды, а его содержание в количестве свыше 0,10 мас.% способствует отбелу чугуна с образованием в структуре цементита ледебурита.
Совокупность необходимых механических свойств и коррозионной стойкости описываемой трубы обеспечивается также тем, что труба подвергнута указанной термической обработке. Центробежно-литые трубы из чугуна с шаровидным графитом имеют неоднородную микроструктуру и неравномерную графитизацию, что объясняется различной скоростью охлаждения: в поверхностных слоях, где скорость охлаждения выше, образуется больше цементита (ледебурита) и меньшее количество включений графита, чем в средней части стенки трубы. При отжиге в предложенном интервале температур происходит распад остаточного (эвтектического) цементита с образованием феррито-перлитной структуры с равномерной степенью графитизации по всему объему чугуна. В случае нагрева ниже указанной температуры 890°С полного распада ледебурита не происходит, что приводит к ухудшению пластичности и ударной вязкости. Увеличение температуры отжига выше 950°С приводит к росту аустенитного зерна и впоследствии к падению прочности и вязко-пластических характеристик. Отпуск при температуре 670-700°С обеспечивает распад цементита перлита на феррит и графит и позволяет сформировать ферритную структуру чугуна с равномерным распределением включений графита, что обуславливает значительное улучшение вязко-пластических свойств. При этом отпуск при температуре ниже 670°С не приводит к полному распаду цементита, а перегрев выше 700°С способствует снижению пластичности и вязкости.
Сущность заявляемой полезной модели и достигаемый технический результат поясняются примером конкретного выполнения и данными проведенных исследований. Были изготовлены центробежно-литые трубы диаметром 159 мм с толщиной стенки 10 мм из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, химический состав которого приведен в таблице 1. Трубы подвергались отжигу при температуре 950°С, выдержке при этой температуре в течение 2 часов, охлаждению на воздухе и последующему отпуску при температуре 680°С в течение 2 часов с охлаждением на воздухе. Результаты испытаний этих труб приведены в таблице 2 и свидетельствуют как о достаточной механической прочности предлагаемых труб, так и об их коррозионной стойкости в агрессивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ. Кроме этого, данные трубы в отличие от известных аналогов обладают повышенной хладостойкостью, что делает возможным их использование при строительстве нефтегазопроводов в районах с различными климатическими условиями.
| Таблица 1 | ||||||||
 п/п | Массовые доли элементов, % | |||||||
| С | Si | Mn | Mg | V | Fe и неизбеж. примеси | |||
| 1 | 4,0 | 3,5 | 0,60 | 0,035 | 0,03 | Остальное | ||
| 2 | 3,3 | 3,2 | 0,55 | 0,040 | 0,06 | |||
| 3 | 3,0 | 3,0 | 0,40 | 0,030 | 0,03 | |||
| 4 | 3,4 | 3,2 | 0,45 | 0,030 | 0,08 | |||
| 5 | 3,5 | 3,4 | 0,50 | 0,045 | 0,10 | |||
| Таблица 2 | ||||||||
| п/п | Механические свойства | Коррозионные свойства (по NACE TM0177 | ||||||
| Скорость коррозии в H2S-содерж. среде, мм/год | Скорость коррозии в СO2-содерж. среде, мм/год | Стойкость к СКРН (метод А) | ||||||
 в, МПа | т. МПа |  , % | KCV +20C, кгсм/см2 | KCV-60C, кгсм/см2 | Время разрушения, час. | Порогов, нагрузка от мин. гарантир. предела текучести, th, % | ||
| 1 | 605 | 545 | 7 | 2,0 | 0,5 | 0,1 | 150 | 70 |
| 2 | 513 | 427 | 21 | 5,5 | 4,0 | 0,3 | 720 | 70 |
| 3 | 475 | 365 | 13 | 2,3 | 1,0 | 1,0 | 320 | 70 |
| 4 | 520 | 400 | 10 | 1,2 | 0,7 | 0,25 | 400 | 70 |
| 5 | 540 | 490 | 15 | 2,0 | 1,0 | 0,3 | 110 | 70 |
Центробежно-литая труба из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, подвергнутая отжигу, отличающаяся тем, что она выполнена из чугуна, содержащего по массе 3,0-4,0% углерода, 3,0-3,5% кремния, 0,40-0,60% марганца, 0,030-0,045% магния, 0,03-0,10% ванадия, подвергнута отжигу при температуре 890-950°С и последующему отпуску при температуре 670-700°С.
