MX2014008504A - Acero de baja aleacion. - Google Patents

Abstract

Un acero de baja aleación, que contiene, en por ciento en masa, C: 0.01 a 0.15%, Si: 3% o menos, Mn: 3% o menos, B: 0.005 a 0.050%, y A1: 0.08% o menos, y el resto que es Fe e impurezas, en donde las impurezas, N: 0.01% o menos, P: 0.05% o menos, S: 0.03% o menos, y O: 0.03% o menos. En el acero de baja aleación, una HAZ tiene excelente resistencia a fragilización atribuible a hidrógeno tal como agrietamiento inducido por hidrógeno en medios de sulfuro de hidrógeno húmedo.

Description

ACERO DE BAJA ALEACIÓN Campo de la Invención La presente invención se refiere a un acero de baja aleación.

Antecedentes de la Invención En el desarrollo de campos petroleros submarinos, una tubería de acero llamada tubería ascendente, tubería de flujo o conducto principal se usa para la transmisión de petróleo crudo o gas natural entre un pozo petrolero o pozo de gas localizado en el fondo del océano y una plataforma en el océano o entre la plataforma y una estación de refinería en la tierra. Por otro lado, con el agotamiento por todo el mundo de combustibles fósiles, se han desarrollado activamente campos petroleros que contienen mucho sulfuro de hidrógeno que tienen corrosividad. Una tubería de acero para transmitir petróleo crudo o gas natural explotado de campos petroleros que contienen un gas corrosivo algunas veces se fractura por fragilización atribuible al hidrógeno formado a partir de una reacción de corrosión llamada agrietamiento inducido por hidrógeno (en lo sucesivo, referido como "HIC", por sus siglas en inglés) y fisura de corrosión por estrés (en lo sucesivo, referido como "SSC", por sus siglas en ingles) . Se han propuesto de manera tradicional varios aceros desarrollados desde el punto de vista de mejorar la resistencia a HIC y la resistencia a SSC.

Por ejemplo, el documento de patente 1 (JP5-255746A) propone un acero provisto con una excelente resistencia a HIC al definir el historial de calor y las condiciones de tratamiento térmico al momento de producción sin que contenga de manera sustancial Ni, Cu y Ca. También, el documento de patente 2 ( JP6-336639A) propone un acero provisto con una resistencia a HIC y resistencia a SSC al adicionar esencialmente Cr, Ni y Cu. Además, el documento de patente 3 ( JP2002-60894A) propone un acero en el cual se mejoran la resistencia a HIC y la resistencia a SSC al definir los intervalos específicos de cantidades de C, Ti, N, V y 0.

Cuando una estructura se monta al usar cualquiera de estos aceros, por ejemplo, cuando se coloca una tubería de acero que consiste de cualquiera de estos aceros, se realiza en general el trabajo de soldadura. Desafortunadamente, por ejemplo, como se describe en el documento no de patente 1, se sabe ampliamente que la susceptibilidad a SSC se incrementa al incrementar la dureza. Cuando un acero se somete a calentamiento debido a la soldadura, se produce una porción endurecida en una llamada zona de soldadura afectada por calor (en lo sucesivo, referido como una "HAZ: zona afectada por calor"). Como resultado, por más que sean mejoradas la resistencia a HIC y resistencia a SSC del acero, no se puede lograr en muchos casos un rendimiento prácticamente suficiente de una estructura soldada.

Por lo tanto, en años recientes, como se describe en el documento de patente 4 ( JP2010-24504A) , también se ha propuesto un acero de alta resistencia en el cual, al reducir las cantidades de C y n y al adicionar 0.5% o más de Mo, se logra el endurecimiento de la zona soldada afectada por calor, y tanto la resistencia a HIC como la resistencia a SSC del metal común y HAZ.

Lista de documento de la técnica anterior Documento de patente 1: JP5-255746A Documento de patente 2: JP6-336639A Documento de patente 3: JP2002-60894A Documento de patente 4: JP2010-24504A Documento no de patente 1: Masanori Kowaka, Corrosión damage and anticorrosión engineering of metal, 25 de Agosto de 1983, publicado por Agne Corporation, páginas 198 Breve Descripción de la Invención Problemas que se van a solucionar por la invención En la invención del documento de patente 4, es esencial Mo, el cual es un elemento costoso.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un acero de baja aleación en el cual una HAZ tiene excelente resistencia de fragilización por hidrógeno en medios de sulfuro de hidrógeno, húmedo o similar, sin que requiera mucho costo.

Medios para solucionar los problemas Los presentes inventores llevaron a cabo exámenes y estudios para optimizar la composición química capaz de mejorar la resistencia a la fragilización por hidrógeno de una zona de soldadura afectada por calor (HAZ: zona afectada por calor, en lo sucesivo, referida como una "HAZ") .

Se considera que la razón del porque la HAZ es altamente susceptible a fragilización por hidrógeno es como sigue. En el caso donde un acero se expone a un medio corrosivo que contiene sulfuro de hidrógeno, el hidrógeno se introduce al acero a causa de una reacción de corrosión. Este hidrógeno se puede mover libremente en la red cristalina del acero. Este hidrógeno es llamado hidrógeno difusible. Este hidrógeno se acumula en una dislocación o un hueco, el cual es de una clase de defectos en la red cristalina para fragilizar el acero. La HAZ es una estructura templada que se calienta a una alta temperatura por el historial de calor de soldadura, y se enfría rápidamente. Por lo tanto, en la HAZ, las dislocaciones y huecos en los cuales el hidrógeno se atrapa existen densamente en comparación con un metal común térmicamente refinado. Como resultado, se considera que la HAZ es altamente susceptible a fragilización de hidrógeno en comparación con el metal común.

Como resultado de estudios serios repetidos, se encontró que a fin de mejorar la susceptibilidad de fragilización por hidrógeno de la HAZ, fue muy efectivo que contenga B de forma positiva, específicamente, contenga 0.005 a 0.050% de B. La razón por lo que esto se considera es como sigue. Por tener un pequeño radio de átomo tal como hidrógeno, B existe en una red cristalina, y se puede mover en la red. Además, B tiene una tendencia a segregarse en un defecto de red y a existir de manera estable. Por lo tanto, para el acero que contiene mucho B, se considera que el hidrógeno puede impedir la acumulación en la dislocación o hueco introducido en la HAZ, y se pueda suprimir la fragilización .

La presente invención se ha realizado con base en los hallazgos descritos anteriormente, y la esencia de la misma son aceros de baja aleación descritos en los siguientes puntos (1) a (5). (1) Un acero de baja aleación, que contiene, en por ciento en masa, C: 0.01 a 0.15%, Si: 3% o menos, Mn: 3% o menos, B: 0.005 a 0.050%, y Al: 0.08% o menos, y el resto que es Fe e impurezas, en donde las impurezas, N: 0.01% o menos, P: 0.05% o menos, S: 0.03% o menos, y 0: 0.03% o menos . (2) El acero de baja aleación descrito en el punto (1), en donde el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de uno o más elementos seleccionados de Cr, Mo, Ni y Cu: 1.5% o menos en total en lugar de un parte de Fe. (3) El acero de aleación baja descrito en el punto (1) o (2), en donde el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de uno o más elementos seleccionados de Ti, V y Nb: 0.2% o menos en total, de en lugar de una parte de Fe. (4) El acero de baja aleación descrito en cualquiera de los puntos (1) a (3), en donde el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de Ca y/o Mg: 0.05% o menos en total en lugar de una parte de Fe. (5) El acero de baja aleación descrito en cualquiera de los puntos (1) a (4), en donde el contenido de B satisface la fórmula (1): 0.005xHv/300 + 0.0023 <_ B ... (1) donde, "Hv" en la fórmula significa el valor máximo de dureza Vickers de HAZ, y "B" significa el contenido de B (% en masa) .

Descripción Detallada de la Invención De acuerdo a la presente invención, se puede proporcionar un acero de baja aleación en el cual una HAZ tiene excelente resistencia a fragilización atribuible a hidrógeno tal como fisura de corrosión por estrés en medios de sulfuro de hidrógeno húmedo. Este acero de baja aleación es lo más apropiado como materia prima de una tubería de acero para la transmisión de petróleo crudo o gas natural.

En virtud de la presente, se explica el intervalo de composición química del acero de baja aleación de acuerdo con la presente invención y la razón para restringir la composición química. En la siguiente explicación, "%" que representa el contenido de cada elemento significa "% en masa" .

C: 0.01 a 0.15% C (carbono) es un elemento efectivo en el mejoramiento de la templabilidad del acero e incrementa la resistencia del mismo. A fin de lograr estos efectos, debe estar contenido 0.01% o más de C. Sin embargo, si el contenido de C excede de 0.15%, la dureza en el estado templado se incrementa demasiado, y la HAZ se endurece, de modo que se mejora la susceptibilidad de fragilización por hidrógeno de la HAZ. Por lo tanto, el contenido de C se fija de 0.01 a 0.15%. El límite inferior de contenido de C es de manera preferente 0.02%, aún más preferente 0.03%. El contenido de C es de manera preferente 0.12% o menos, aún más preferente menos de 0.10%.

Si: 3% o menos Si (silicio) es un elemento efectivo para desoxidación, pero provoca una disminución en la rigidez, si está contenida en exceso. Por lo tanto, el contenido de Si se fija en 3% o menos. El contenido de Si es de manera preferente 2% o menos. El limite inferior del contenido de Si no se define de manera particular; sin embargo, incluso si se disminuye el contenido de Si, disminuye el efecto de desoxidación, la limpieza del acero se deteriora, y una disminución excesiva en el contenido de Si conduce a un incremento en el costo de producción. Por lo tanto, el contenido de Si es de manera preferente de 0.01% o más .

Mn: 3% o menos Al igual que Si, Mn (manganeso) es un elemento efectivo para la desoxidación, y también es un elemento que contribuye al mejoramiento de la templabilidad del acero y para el incremento de la resistencia del mismo. Sin embargo, si Mn está contenido de manera excesiva, se ocasiona un endurecimiento notable de la HAZ, y la susceptibilidad de fragilización de hidrógeno se mejora. Por lo tanto, el contenido de Mn se fija en 3% o menos. El limite inferior de contenido de Mn no se define de manera particular; sin embargo, a fin de lograr el efecto de incremento de resistencia Mn, Mn se contiene de manera preferente en 0.2% o más. El limite inferior del mismo es aun preferente 0.4%, y el limite superior preferible del mismo es 2.8%.

B: 0.005-0.050% B (boro) es un elemento que constituye los hallazgos, los cuales son la base de la presente invención. Como se describió anteriormente, B ocupa el sitio de acumulación de hidrógeno, tal como la dislocación o hueco en la HAZ. Por lo tanto, B es un elemento efectivo en el mejoramiento de la resistencia a la fragilización por hidrógeno. Además, cuando se produce un material de acero, B se segrega en los limites de grano, mejorando de este modo la templabilidad de manera indirecta, y contribuye a la mejora de la resistencia. A fin de lograr estos efectos, B debe estar contenido en 0.005% o más. Por otro lado, si B está contenido de manera excesiva, los boruros precipitan en grandes cantidades en la HAZ, la interfaz entre una matriz y los boruros actúa como el sitio de acumulación de hidrógeno, y se produce de manera inversa la fragilización. Por lo tanto, el contenido de B se fija de 0.005 a 0.050%. El limite inferior del contenido de B es de manera preferente 0.006%, aun más preferente 0.008%. El limite superior del mismo es de manera preferente 0.045%, aun más preferente 0.040%.

En este caso donde se incrementa la dureza de la HAZ, la densidad de dislocación incrementa, de modo que es preferible que, a fin de alcanzar suficiente resistencia de fragilización por hidrógeno, el limite inferior del contenido de B se controla de acuerdo a la mayor dureza de HAZ. Es decir, a fin de alcanzar suficiente resistencia de fragilización de hidrógeno, el contenido de B está de manera preferente en el intervalo que satisface la fórmula (1) en la relación con el valor máximo de la dureza Vickers de la HAZ: 0.005xHv/300 + 0.0023 <_ B ... (1) donde, "Hv" en la fórmula significa el valor máximo de la dureza Vickers de HAZ, y "B" significa el contenido de B (% en masa) . El valor máximo de la dureza Vickers de HAZ es un valor que se termina por una prueba Vickers en la cual la fuerza de prueba es de 98.07N de conformidad con JIS Z2244.

Al: 0.08% o menos Al (aluminio) es un elemento efectivo para desoxidación, pero si está contenido de manera excesiva, el efecto se satura, y también se disminuye la rigidez. Por lo tanto, el contenido de Al se fija en 0.08% o menos. El contenido de Al es de manera preferente 0.06% o menos. El limite inferior del contenido de Al no se define de manera particular; sin embargo, una disminución excesiva en el contenido de Al no logra de manera suficiente el efecto de desoxidación, deteriora la limpieza del acero, y también incrementa el costo de producción. Por lo tanto, Al está contenido de manera preferente en 0.001% o más. El contenido de Al en la presente invención significa el contenido de Al soluble en ácido (llamado "sol. Al").

El acero de baja aleación de acuerdo con la presente invención contiene los elementos descritos anteriormente, y el resto consiste de Fe e impurezas. Las "impurezas" significan componentes que se mezclan debido a varios factores que incluyen materias primas tales como minerales o materiales de desecho cuando un material de acero se produce a una escala industrial. De las impurezas, en relación con los elementos descritos más adelante, el contenido de los mismos se debe limitar estrictamente. : 0.01% o menos N (nitrógeno) existe en el acero como una impureza. El nitrógeno produce fragilización cuando se forman carbonitruros puros, y disminuye la rigidez incluso cuando se está disolviendo. Por lo tanto, el contenido de N se debe limitar a 0.01% o menos. El contenido de N es de manera preferente 0.008% o menos. El limite inferior del contenido de N no se define de manera particular; sin embargo, una disminución excesiva en el contenido de N conduce a un incremento notable en el costo de producción. Por lo tanto, el limite inferior del contenido de N es de manera preferente 0.0001%.

P: 0.05% o menos P (fósforo) existe en el acero como una impureza.

El fósforo se segrega en los limites de grano en la HAZ, y disminuye la rigidez. Por lo tanto, el contenido de P se limita a 0.05% o menos. El limite inferior del contenido de P no se define de manera particular; sin embargo, una disminución excesiva en el contenido de P conduce a un incremento notable en el costo de producción. Por lo tanto, el limite inferior del contenido de P es de manera preferente 0.001%.

S: 0.03% o menos Al igual que P, S (azufre) existe en el acero como una impureza. El azufre forma sulfuros en un material de acero, y ya que la interfaz con una matriz actúa como un sitio de acumulación de hidrógeno, S mejora la susceptibilidad de fragilización por hidrógeno, y también disminuye la rigidez de la HAZ. Por lo tanto, el contenido de S se limita a 0.03% o menos, con mayor severidad que P. El limite inferior del contenido de S no se define de manera particular; sin embargo, una disminución excesiva en el contenido de S conduce a un incremento notable en el costo de producción. Por lo tanto, el limite inferior del contenido de S es de manera preferente 0.0001%.

O: 0.03% o menos O (oxigeno) existe en el acero como una impureza. Si está contenido mucho O, se forman grandes cantidades de óxidos, y se deterioran la viabilidad y ductilidad. Por lo tanto, el contenido de 0 se debe fijar a 0.03% o menos. El contenido de O es de manera preferente 0.025% o menos. El limite inferior del contenido de O no se necesita definir de manera particular; sin embargo, una disminución excesiva en el contenido de O conduce a un incremento notable en el costo de producción. Por lo tanto, el contenido de O es de manera preferente 0.0005% o más.

El acero de baja aleación de acuerdo con la presente invención puede contener los elementos descritos más adelante en lugar de una parte de Fe.

Uno o más elementos seleccionados de Cr, o, Ni y Cu: 1.5% o menos en total Uno o más elementos seleccionados de Cr (cromo) , Mo (molibdeno) , Ni (níquel) y Cu (cobre) se puede contener debido a que estos elementos mejoran la templabilidad y contribuyen a la mejora en la resistencia. Sin embargo, si los contenidos de los mismos son excesivamente altos, la HAZ se endurece de manera notable, y por lo tanto la susceptibilidad de fragilización por hidrógeno se puede mejorar. Por lo tanto, si uno o más elementos de estos elementos se contienen, el contenido de los mismos se fija a 1.5% o menos en total. El límite inferior de los contenidos de estos elementos es de manera preferente 0.02%, aún más preferente 0.05%. El límite superior del mismo es de manera preferente 1.2%.

Uno o más elementos seleccionados de Ti, V y Nb: 0.2% o menos en total Uno o más elementos seleccionados de Ti (titanio) , V (vanadio) y Nb (niobio) se pueden contener debido a que estos elementos son elementos que forman carbonitruros puros y contribuyen a la mejora en la resistencia, y también complementan de forma estable el hidrógeno difusible, y producen un efecto considerable de la reducción de la susceptibilidad de fragilización de hidrógeno. Sin embargo, si los contenidos de los mismos son excesivamente altos, la formación de carbonitruros llega a ser excesiva, y por lo tanto, se puede disminuir la rigidez. Por lo tanto, si uno o más elementos de estos elementos se contienen, el contenido de los mismos se fija a 0.2% o menos en total. El limite inferior de los contenidos de estos elementos es de manera preferente 0.001%, aun más preferente 0.003%. El limite superior del mismo es de manera preferente 0.15%.

Ca y/o Mg: 0.05% o menos en total Al menos uno de Ca (calcio) y Mg (magnesio) puede estar contenido debido a que estos elementos mejoran la facilidad de trabajo en caliente del acero. Sin embargo, si los contenidos de los mismos son excesivamente altos, estos elementos se combinan con oxigeno para disminuir de manera notable la limpieza, de modo que la facilidad de trabajo en caliente se puede deteriorar bastante. Por lo tanto, si al menos un tipo de estos elementos está contenido, los contenidos de los mismos se fijan en 0.05% o menos en total. El límite inferior de los contenidos de Ca y/o Mg es de manera preferente 0.0005%, aun más preferente 0.001%. El límite superior del mismo es de manera preferente 0.03%.

Ejemplos Para confirmar los efectos de la presente invención, se llevaron a cabo los experimentos descritos más adelante. Un material de prueba se preparó al maquinar una lámina de acero de baja aleación de 12 iran de grosor que tiene la composición química dada en la tabla 1 en un cuadrado de 12 mm y una longitud de 100 mm. El material se sometió a un ciclo térmico simulado de HAZ en el cual el material de prueba se calentó a una temperatura de 1350°C, en el cual el endurecimiento de HAZ fue notable, durante 3 segundos al calentar por inducción de alta frecuencia, y después de eso se enfrió rápidamente. Al usar este material de prueba, se llevaron a cabo las pruebas descritas más adelante .

Prueba de tensión De conformidad con JIS Z2241, una muestra de ensayo de tensión de barra redonda que tiene un diámetro de parte paralela de 6 mm y una longitud de parte paralela de 10 mm se tomó como muestra a partir del material de prueba obtenido, y se llevó a cabo una prueba de tensión a temperatura normal.

Prueba Vickers De conformidad con JIS Z2244, la sección transversal del material de prueba obtenido se hizo aparecer, y se llevó a cabo una prueba Vickers en la cual la fuerza de prueba fue de 98.07N para medir la dureza Vickers. Prueba de resistencia a SCC Una muestra de prueba que tiene un espesor de 2 mm, un ancho de 10 mm, y una longitud de 75 mm se tomó como muestra a partir del material de prueba obtenido, y la se evaluó resistencia de SCC por una prueba de flexión de cuatro puntos en conformidad con EFC16 especificada por la Federación Europea de Corrosión. En la prueba, después de una tensión que corresponde a 50% de 0.2% del limite elástico, que se derivó a partir de la prueba de tensión, se había aplicado a la muestra de prueba muestreada por la flexión de cuatro puntos, la muestra de prueba se sumergió en sal común al 5% + solución acuosa de ácido acético al 0.5% de temperatura normal (24°C), en la cual se satura a 1 atmósfera de sulfuro de hidrógeno en gas, por 336 horas, por lo cual se examinó la presencia de ocurrencia de SSC. Además, la misma prueba se llevó a cabo en una sal común al 5% + solución acuosa de ácido acético al 0.5% de 4°C, cuya temperatura es más estricta como un ambiente SSC. El No. de prueba en la cual no ocurrió SSC se hizo aceptable, y el No. prueba en la cual ocurrió SSC se hizo inaceptable, Estos resultados de prueba se dan en la tabla 2 Tabla 1 *indica que no satisface el intervalo reivindicado Tabla 2 Como se muestra en la tabla 2, debido a que contenido de B contenido en el acero fue menor que 0.005% en los números de prueba Bl a B3, y debido a que el contenido de B contenido en el acero excede 0.050% en el No. de prueba B5, se precipitaron grandes cantidades de boruros en la HAZ, y ya que los boruros precipitados llegaron a ser el punto de inicio de fragilización, ocurrió SSC en la prueba de flexión de cuatro puntos a temperatura normal. También, en el No. de prueba B4, aunque el contenido de B fue tan bajo como 0.0048%, y no ocurrió SSC a temperatura normal, ocurrió SSC, bajo la condición más estricta de 4°C. Por el contrario, en los Nos. de prueba Al a A8 en los cuales los requerimientos de la presente invención se cumplieron, la ocurrencia de SSC no se reconoció en la prueba de flexión de cuatro puntos bajo ambas de las condiciones de prueba de temperatura normal y 4°C.

Aplicabilidad industrial De acuerdo a la presente invención, se puede proporcionar un acero de baja aleación en el cual una HAZ (área afectada por calor) tenga una excelente resistencia a fragilización atribuible a hidrógeno tal como agrietamiento inducido por hidrógeno en medios de sulfuro de hidrógeno húmedo. Este acero de baja aleación es lo más apropiado como una materia prima de una tubería de acero para la transmisión de petróleo crudo o gas natural.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Un acero de baja aleación, caracterizado porque contiene; en por ciento en masa, C: 0.01 a 0.15%, Si: 3% o menos, Mn: 3% o menos, B: 0.005-0.050%, y Al: 0.08% o menos, y el resto que es Fe e impurezas, en donde las impurezas, N: 0.01% o menos, P: 0.05% o menos, S : 0.03% o menos, y O: 0.03% o menos.

2. El acero de baja aleación de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de uno o más elementos seleccionados de Cr, o, Ni y Cu: 1.5% o menos en total en lugar de una parte de Fe.

3. El acero de aleación baja de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de uno o más elementos seleccionados de Ti, V y Nb: 0.2% o menos en total en lugar de una parte de Fe.

4. El acero de baja aleación de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el acero de baja aleación contiene, en por ciento en masa, de Ca y/o Mg: 0.05% o menos en total en lugar de una parte de Fe.

5. El acero de aleación baja de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el contenido de B satisface la fórmula (1) : 0.005xHv/300 + 0.0023 <_B ... (1) donde, "Hv" en la fórmula, significa el valor máximo de la dureza Vickers de la HAZ, y VB" significa el contenido de B (% en masa) .