Материал: Технология металлов и трубопроводостроительных материалов. учебное пособие. Ткаченко Ю.С

2.4.2. Стали контролируемой прокатки импортной поставки

Импортные трубы больших диаметров поставляются в основном из СКП. Согласно техническим условиям, трубы диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа, поступающие со второй половины 70-х годов, имеют следующий химический состав (%): С = 0,11 — 0,12, Si = 0,50, Mn= 1,65—1,75, S = 0,015, Р = 0,025, Nb = 0,06, V =0,08, Мо = 0,30—0,35. Механические свойства труб из СКП: σ_в ≥600 МПа, σ_0,2 ≥47О МПа, ₅ ≥20 %, KCV_-15≥0,6— 0,8 МДж/м², KCU_-60≥0,4—0,6 МДж/м², В_DWTT при— 15°С составляет 80 %.

Контрольные исследования труб диаметром 1420 мм, поставляемых разными фирмами показывают, что вязкие свойства KCV_-15=1—1,2 МДж/м², А_п образцов DWTT составляет 4,5— 5,5 кДж, излом образцов DWTT при —15°С полностью вязкий и лишь в отдельных случаях В составляет 90 %. Таким образом, СКП, получаемые по импорту, имеют удовлетворительное соп­ротивление протяженному вязкому и хрупкому разрушению.

Проводившиеся отдельные испытания импортных труб до разрушения во всех случаях подтверждали удовлетворительное сопротивление их разрушению. Наблюдавшиеся случаи разрушений газопроводов, в том числе и из труб импортной поставки, показали, что требования СНиП 2,05.06—85, предъявляемые к трубной стали, находятся на минимально необходимом уровне, поскольку разрывы труб при вязком характере разрушения на отдельных коротких участках имели хрупкий излом.

Варианты химического состава основных марок СКП труб диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа, поставляемых по импорту, приведены в табл. 10.

Таблица 10

Химический состав СКП в трубах диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа импортной поставки

Можно выделить три временных периода поставки труб диаметром 1420 мм по импорту.

1. До 70-х годов трубы поставлялись из нормализованной стали типа 17Г2АФ. Однако пониженная свариваемость (эквивалент углерода составлял около 0,5%), недостаточная хладостойкость (эксплуатация только при положительных температурах, тогда как возникла необходимость строительства газопроводов в северных районах), повышение требований к ударной вязкости (KCV_-15 >0,8 МДж/м²) обусловили необходимость применения СКП.

2. Первые СКП были поставлены в 1971—1972 гг. на основе легирования марганцем, ниобием и молибденом (см. табл. 9, вариант I). Молибден — эффективный упрочнитель стали. Однако стоимость молибдена на мировом рынке быстро росла и за несколько лет увеличилась более чем в 10 раз. Это привело к необходимости в середине 70-х годов разрабатывать марки стали с пониженным содержанием молибдена (см. табл. 24, варианты II, Ш) и без молибдена (варианты IV, V, VI).

3. С конца 70-х годов СКП поставляются практически полностью без легирования молибденом. Сталь варианта V аналогична отечественной стали 10Г2ФБ. В 80-х годах СКП постав­ляются на основе легирования азотом и титаном, без молибдена и ниобия (см. табл. 24, вариант VI). Все СКП, поставляемые по импорту, обеспечивали σ_в ≥600 МПа, σ_0,2 ≥47О МПа, температуру хрупкости Т₈₀ = — 15 °С и ниже, ударную вязкость KCV_-15≥0,8 МДж/м². Зависимость ударной вязкости СКП от температуры испытания показана на рис. 9.

Рис. 9. Изменение ударной вязкости в зависимости

от температуры испытаний (образцы Шарпи) малоперлитных

сталей контролируемой прокатки труб импортной поставки

Минимальная температура полностью вязкого излома для этих сталей составляла —20, —30 °С. Технические показатели всех видов СКП, поставляемых по импорту в трубах диаметром 1420 мм, достаточно близки. Стали имеют удовлетворительное сопротивление разрушению, однако прочность их находится вблизи сдаточного минимума. Стоимость производства СКП от I варианта к VI снижается. Для обеспечения примерно одинаковых свойств у СКП разного химического состава промышленностью были проведены соответствующие работы по уточнению режимов контролируемой прокатки, в частности были определены температуры конца прокатки и введено УРО.

В связи с большим влиянием на свойства СКП температуры конца контролируемой прокатки, составляющей примерно 750 °С, термическая обработка сварных стыков труб для снятия внутренних напряжений при температуре выше 500—550 °С не должна производиться, так как это вызывает снижение прочностных свойств и может ухудшить хладостойкость.

В СКП, прошедших УРО, ко­торые обычно называют сталями бейнитного класса, или низкоуглеродистыми со структурой игольчатого феррита, формирование микроструктуры заканчивается при температурах 600—450 °С. Поэтому сварные соединения на этих сталях вообще не рекомендуется подвергать термообработке без риска ухудшить комплекс свойств стали.

Практически все сварные трубы большого диаметра поставляются по импорту из СКП, но отличаются они по классу прочности. Химический состав и свойства сталей для труб диаметром 720—1220 мм приведены в табл. 11. Дополнительные требования или уточнения сдаточных характеристик сталей должны огова­риваться техническими условиями или контрактом на поставку.

2.5. Перспективы производства сталей для труб мощных газопроводов

Краткий анализ производства нормализованных сталей с феррито-перлитной структурой показал, что рационально достижимый предел их свойств не превышает по временному сопротивлению 520—560 МПа, по ударной вязкости KCV_-5= 0,6 МДж/м², температуре хрупкости Т₈₀ не ниже 5 °С. В промышленных марках СКП обеспечивается временное сопротивление 600 МПа, ударная вязкость KCV_-20≥1 МДж/м², температура хрупкости Т₈₀ = — 20 °С. СКП обеспечивают надежную работу мощных подземных газопроводов при минимальных температурах эксплуатации до —15, —20 °С.

Таблица 11

Нормативные характеристики сталей в трубах различного класса прочности, поставляемых по импорту

Механические свойства на поперечных образцах (минимальные значения)

Вместе с тем для строительства более мощных газопроводов диаметром 1420 мм на рабочее давление до 10 МПа необходимы более прочные и более вязкие стали, обеспечивающие надежную работу газопроводов и снижение их металлоемкости. Поэтому возникает проблема совершенствования выпускаемых СКП в направлении повышения их прочности и увеличения работоспособности труб из них. Продолжающиеся исследовательские работы показывают реальность получения СКП с вязкостью KCV_-20=1,5 МДж/м² и более. Однако при высокой вязкости возможности одновременного повышения временного сопротивления СКП выше 600 МПа незначительны.

Перспективы производства сталей для труб, возможность дальнейшего повышения их технико-экономических показателей, снижения металлоемкости газонефтепроводов обусловлены развитием производства СКП в сочетании с ускоренным регулируемым охлаждением, а также с производством термически улучшенных труб.

Контролируемой прокаткой обеспечивают получение металла труб с высоким сопротивлением разрушению за счет дробления зерна в условиях высокотемпературного деформирования, Ускоренное регулируемое охлаждение в интервале температур от 800—700 до 600—450 °С завершает микроструктурные превра­щения в стали, дополнительно повышает прочность, практически не изменяя ее сопротивление разрушению, Такая технология позволяет получить высококачественные стали с временным сопротивлением более 650 МПа и с высокими характеристиками вязкости и хладостойкости.

Как отечественная, так и зарубежная металлургическая промышленность много внимания уделяют развитию этой новой технологии, которую начали разрабатывать в середине 70-х годов. Для осуществления процесса УРО были созданы несколько конструкций установок, которые размещаются в потоке листопрокатных станов за чистовой клетью. Установка УРО с принудительным охлаждением (роторная подача воды на лист с нижней стороны и струйное охлаждение сверху) позволяет создать скорости охлаждения порядка 10—15 °С/с. Установки с двусторонним принудительным охлаждением позволяют несколько повысить скорости охлаждения. Наибольшей скорости охлаждения порядка 25 °С/с достигают, когда за установками УРО последовательно размещают закалочные роликовые машины. В этом случае суммарная длина охлаждающих механизмов составляет 60—80 м.

Для гарантии стабильности свойств по всей площади листа, хорошего качества поверхности, предупреждения деформации металла в процессе охлаждения к конструкции установок УРО и управлению ее работой предъявляются жесткие требования в части обеспечения равномерного охлаждения листа, точного в широких пределах регулирования скорости охлаждения. Установки УРО полностью автоматизированы и управляются ЭВМ. Такие установки позволяют охлаждать листы толщиной примерно до 23 мм.

Влияние контролируемой прокатки и УРО на свойства готового листа были исследованы на двух типах сталей: упрочненных на основе кремния, марганца, ниобия, ванадия и других элементов, т. е, сталей с исходной феррито-перлитной структурой; сталей с исходной ферритной структурой с особо низким содержанием углерода (менее 0,04 %), высоким содержанием марганца при микролегировании ниобием, титаном, бором и другими элементами.

В феррито-перлитных сталях посредством УРО измельчают ферритное зерно, уменьшают количество перлита, отрицательно влияющего на свойства стали. При обеспечении достаточно высоких скоростей охлаждения перлитные элементы структуры полностью замещаются бейнитом. В ферритных сталях высокие скорости охлаждения повышают количество низкоуглеродистого бейнита. Наличие в стали нитридов титана уменьшает размер аустенитного зерна в нагретом слябе, способствует лучшему измельчению структуры при контролируемой прокатке и УРО, улучшает свойства готового листа.

Большой интерес представляют СКП, прошедшие УРО, микролегированные бором. Бористая сталь с особо низким содержанием углерода при толщинах до 20 мм имеет высокие механические свойства. В структуре стали доминирует игольчатый феррит, количество островков мартенсита менее 5%, полигональный феррит практически отсутствует. Этот тип стали имеет большие резервы по хладостойкости (—40, —60 °С) и по ударной вязкости (KCV_-20= 1,5—2 МДж/м²). Исследования технологических и технических возможностей промышленного выпуска сталей с бором начато относительно недавно. Некоторые данные о свойствах СКП, согласно исследованиям, приведены на рис. 10. Увеличение скорости охлаждения до 12 °С/с существенно повышает временное сопротивление стали. Временное сопротивление зависит также от величины конечной температуры УРО. Снижение конечной температуры способствует повышению σ_в, однако возможность коробления листа ограничивает нижнюю температуру применения УРО температурой 500—450 °С. С помощью контролируемой прокатки и УРО осуществляют регулирование структурных превращений на протяжении всего цикла, начиная с температуры нагрева сляба под прокатку до конечной температуры стали после УРО, Наиболее высокий комплекс свойств получают в сталях бейнитного класса с особо низким содержанием углерода. Такие стали имеют большие перспективы применения для изготовления труб мощных магистральных газонефтепроводов.

Рис. 10. Влияние скорости охлаждения листа при

контролируемой прокатке на прочностные свойства

и температуру хрупкости Г_Хр, соответствующую 50 %

волокна в изломе образцов ОШТТ, феррито-перлитной

стали (0,04 % МЬ 0,09 % V) с температурой нагрева

сляба 1250 °С (/) и 1100 °С (2)

Приведем данные испытания материала труб 1420х18,7 мм низкоуглеродистой стали контролируемой прокатки бейнитного класса, прошедшей УРО, зарубежной поставке.

Состав стали: углерод — менее 0,03 %. кремний 0,15%, марганец 1,85—1,95%, ниобий 0,04—0,05%, титан 0,02%, бор 0,001 %, азот и другие элементы. Согласно сертификатным данным, сталь в трубах имела временное сопротивление бо­лее 600 МПа, предел текучести 500 МПа, KCV_-20= 2 МДж/м², температуру Т₈₀ от —20 до —30 °С.

Проведенные контрольные испытания нескольких труб позволили установить, что фактические свойства стали в трубах составляли: σ_в = 634—644 МПа, σ_0,2= 575—600 МПа, ₅= 19—21 %, Т₈₀ от —15 до 30 °С. Хладостойкость стали и сопротивление вязкому разрушению оценивались при ударных испытаниях образцов Шарпи и полнотолщинных образцов в интервале температур от 20 до —60 °С (табл. 12).

Таблица 12

Вязкость и хладостойкость СКП, прошедшей УРО

Полученные данные показывают, что бейнитная сталь в трубах 1420x18,7 мм обеспечивает удовлетворительную хладостойкость при температуре до —30 °С, высокое сопротивление вязкому разрушению при температурах —20, —30 °С и удовлетворительные прочностные свойства.

Гидравлические испытания труб до разрушения показали их высокую конструктивную прочность: коэффициент использования прочности стали в трубах больше единицы, удлинение периметра труб в центре разрушения —4%. Разрывы происходили в 200 мм от продольного заводского шва при полном исчерпании прочности стали. Высокий комплекс свойств стали достигнут за счет максимального улучшения ее структуры при прокатке. Сталь микролегирована ниобием, титаном, бором и азотом, т. е. простыми, недорогими элементами. Это указывает на большие возможности, которые присущи легированной СКП, прошедшей УРО.