Трубы 1420x17,5 мм из нормализованной стали 15Г2АФЮ испытывались гидравлически до разрушения в целях оценки конструктивной прочности. Испытания двух труб показали удовлетворительные результаты. Коэффициент использования прочности стали составлял 0,99, что характерно для прямошовных труб. Удлинение периметра труб в центре разрушения было более 5 %. Пневмогидравлические испытания с запасом воздуха до 15 % объема трубы при давлении разрушения 6,8 МПа показали, что даже при таком ограниченном запасе упругой энергии температура перехода металла 15Г2АФЮ в хрупкое состояние составляла —3, —5 °С.
Теоретические основы технологии производства сталей контролируемой прокатки (СКП), т. е. прошедших термомеханическую обработку в процессе производства, разработаны давно. Влияние контролируемой прокатки на свойства и работоспособность сталей изучены подробно в России и за рубежом.
Промышленное производство СКП началось в начале 70-х годов, когда возникла острая необходимость в высоковязких, хладостойких сталях для изготовления труб диаметром 1420 мм для мощных магистральных газопроводов. В короткий срок СКП как высокоэкономичный тип сталей становятся практически основным видом проката ответственного назначения, изготавливаемого во многих странах мира. Область применения СКП быстро расширяется, но сейчас основной опыт их применения накоплен строителями магистральных газопроводов в России. В нашей стране построены (в основном из СКП) и успешно эксплуатируются в различных климатических условиях, включая районы Крайнего Севера, около 30 тыс. км газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа.
В последние годы метод контролируемой прокатки усовершенствован и дополнен ускоренным регулируемым охлаждением (УРО), что позволяет дополнительно повысить прочность СКП до 650—700 МПа, практически не изменяя сопротивление разрушению и хладостойкость стали. По мнению ряда специалистов, для улучшения комплекса свойств листовой СКП более рационально применять УРО, чем легирование молибденом (молибден—наиболее эффективный упрочняющий элемент). УРО позволяет получить наилучший комплекс свойств при прокатке сталей с низким углеродом, поэтому и свариваемость сталей, прошедших обработку УРО, улучшается, что важно для сварных конструкций.
Как известно, упрочнение стали в результате легирования, достигается вследствие упрочнения твердого раствора и измельчения структуры. Измельчение структуры особо эффективно протекает, когда создается 2—3-фазное состояние за счет выделения карбидов, нитридов или карбонитридов. Однако в нормализованной стали влияние карбонитридного упрочнения на свойства стали ограниченно. Эффект упрочнения может быть резко повышен в результате механического дробления зерна при контролируемом деформировании горячей стали и управлении процессом выделения второй фазы, что имеет место при контролируемой прокатке.
В СКП повышение пластичности и вязкости достигается путем измельчения зерна, формирования однородной структуры и субструктуры с минимальным содержанием вредных примесей.
Однородность стали, отсутствие в ней крупных неметаллических включений затрудняют образование больших локальных напряжений, что в значительной степени препятствует зарождению в металле микротрещин — источника будущих разрушений. Для получения СКП с заданной структурой и высокими свойствами в их состав должны быть введены карбидообразующие элементы, а прокатка выполнена на мощном оборудовании, с тем, чтобы основное обжатие металла можно было выполнить при относительно низкой температуре.
В результате разработки технологии производства и соответствующего оборудования были созданы марки стали, сочетающие при ограниченном микролегировании высокие предел прочности (до 600 МПа) и предел текучести (470 МПа), стабильно высокую вязкость (KCV-15,-20= 1—1,2 МДж/м2), хладостойкость и хорошую свариваемость.
Производство СКП — сложный комплексный процесс, который потребовал перестроить и усовершенствовать многие процессы производства и разливки стали, очистки ее от вредных примесей и практически заново разработать технологию и оборудование для прокатки. В настоящее время убедительно доказаны большие технико-экономические преимущества СКП по сравнению с другими типами сталей для труб мощных северных газопроводов. Процесс разработки технологии производства СКП еще не полностью завершен, по основа его осуществлена. Появилась реальная возможность дальнейшего повышения свойств СКП путем дополнительного ускоренного регулируемого охлаждения. Разработка УРО началась относительно недавно, но эффективность его уже доказана. Ведутся работы по удешевлению легирования СКП, максимальному исключению дефицитных легирующих элементов, Все это позволяет рассчитывать, что технико-экономические показатели СКП повысятся, расширится объем их производства и применения.
Производство малоперлитных сталей контролируемой прокатки для магистральных газопроводов почти во всех странах началось на основе легирования стали марганцем, молибденом и ниобием при содержании углерода менее 0,1 % и серы менее 0,006%.
Молибден является одним из лучших легирующих элементов для сталей контролируемой прокатки, однако его потребность относительно большая — 0,2—0,4 %. В то же время это дорогостоящий и дефицитный элемент.
Ниобий не только способствует изменению структуры и улучшению свойств стали, но и значительно повышает технологичность стали в процессе ее производства, улучшает качество поверхности листа, повышает выход годного высококачественного металла. Поэтому несмотря на дефицитность, ниобий сложнее заменить в составе стали, не ухудшая ее качество, чем молибден. Расход ниобия на 1 т стали в 10 раз меньше, чем молибдена, и составляет лишь 0,02—0,04 %.
Отечественная металлургическая промышленность ориентировалась на сталь с молибденом для труб только как на эталон. Основное внимание уделялось более дешевым, не дефицитным химическим композициям на основе;
1. марганца, ванадия, алюминия;
2. марганца, ванадия, ниобия, титана.
Использование этих элементов потребовало производить прокатку стали в более узком интервале температур, повысить чистоту стали путем обработки ее синтетическими шлаками, а также выполнять обработку ее в ковше кальцием и редкоземельными металлами для уменьшения количества неметаллических включений и их глобуляризации. Все это позволило получить однородную, достаточно очищенную от серы и неметаллических включений сталь. В промышленном объеме было исследовано несколько марок СКП, мы рассмотрим результаты некоторых из них.
Стали 09Г2ФБ и 08Г2ФЮ изучены в трубах 1420x17 мм. В этих марках обеспечивались следующие значения характеристик: σв ≥5б0 МПа, σ0,2 ≥460 МПа, Т80 —15, —20 °С, KCV-15>0,8 МДж/м2. СКП марки 09Г2ФБ и 08Г2ФЮ при расчетной температуре эксплуатации газопроводов —15 °С имели почти в 2 раза большее сопротивление вязкому разрушению (Ап = 2,5 кДж), оцениваемое энергией разрушения образцов ДWТТ, чем лучшие нормализованные стали (Ап =1,4 кДж), но меньшее, чем у СКП, легированных молибденом и ниобием (Ап = 5 кДж).
При натурных испытаниях полноразмерных труб скорость распространения вязкого разрушения в трубах из стали 09Г2ФБ и 08Г2ФЮ не превышала 200 м/с, температура перехода в хрупкое состояние была значительно ниже нормативной (—15 °С). Коэффициент использования прочности стали труб при их испытании до разрушения был равен 1. Полученные данные показывают, что трубы из сталей 09Г2ФБ и 08Г2ФЮ имеют высокий комплекс механических свойств, полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к стали газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа. Однако качество поверхности листов стали 08Г2ФЮ было хуже, чем при микролегировании ее ниобием. Поэтому основное применение получила сталь 09Г2ФБ.
Сталь 10Г2ФБ близка к стали 09Г2ФБ, но для повышения нормативной прочности до 600 МПа и других свойств состав ее скорректирован. Производство стали 10Г2ФБ проводилось примерно по той же технологии, что и 09Г2ФБ, с очисткой от серы и неметаллических включений. Промышленное изготовление стали и труб из нее размером 1420x15,7 мм было выполнено на отечественных заводах. Контрольные исследования труб и определение области их применения были выполнены во ВНИИСТе, испытаны трубы трех плавок. Химический состав (в %) стали следующий (в скобках указаны требования ТУ, не более): С = 0,10 (0,12), Mn= 1,55—1,65 (1,75), Si=0,33 (0,35), S = 0,004— 0,005 (0,010), Р = 0,020 (0,020), V = 0,096—0,099 (0,12), NВ = 0,023—0,027 (0,05), Ti=0,019—0,026 (0,035), Сэ = 0,38—0,40 (0,40). Основные свойства стали (в скобках указаны требования ТУ): σ0,2 = 500—530 (≥450) МПа, σв =620—660 (≥600) МПа, 5 =20(≥20)%, KCV-15=1,2—1,5 (≥0,8) МДж/м2, В = 100 (≥80) %, KCU-60=1,2—1,5 (≥0,55) МДж/м2, σ0,2/σв = 0,78—0,81 (≤0,85). Сталь обработана кальцием и церием.
Оценка хладостойкости стали проводилась по количеству волокнистой составляющей в изломе образцов типа DWТТ в интервале температур от 0 до —60 °С. Установлено, что сталь имеет стабильную хладостойкость при температуре до —20, —30 оС (табл. 9).
Таблица 9
Вязкость и хладостойкость стали 10Г2ФБ
Температура испытания, оС |
В(DWTT), % |
KCV, МДж/м2 |
Ап (DWTT), кДж |
20 0 -5 -15 -40 -60 |
100 100 100 100 50-95 10 |
1,2-1,8 1,2-1,4 1,2-1,4 1,1-1,3 1,0-1,2 - |
- - 4,6-5,1 4,6-5,2 2,5-4,5 - |
Сопротивление стали вязкому разрушению оценивали по ударной вязкости на образцах Шарпи и по поглощенной энергии при разрушении образцов типа DWТТ в интервале температур от 20 до —40 °С. Результаты испытаний приведены в табл. 23. Поскольку в одной из плавок было установлено значительное снижение работы разрушения образцов DWТТ при температуре —40 оС, металл этой плавки был дополнительно испытан при температуре —30 °С, при этом работа разрушения составила 4,3—4,6 кДж. Следовательно, СКП марки 10Г2ФБ обеспечивают стабильное сопротивление вязкому разрушению в газопроводах до температуры —30 °С.
Полигонные испытания полноразмерных труб до разрушения были проведены с использованием труб из стали двух плавок. При этом была показана удовлетворительная конструктивная прочность труб. Коэффициент использования прочности стали в конструкции составляет 0,96—1,01, удлинение периметра труб в очаге разрушения 5,0—7,5 %.
Установленный комплекс свойств СКП марки 10Г2ФБ полностью удовлетворяет условиям надежной эксплуатации газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа при температуре эксплуатации до —20 °С. Сталь 10Г2ФБ стала основной при изготовлении труб диаметром 1420 мм в отечественной промышленности.