2.3. Низколегированные феррито-перлитные стали

При изготовлении труб для магистральных газонефтепроводов применяется несколько марок низколегированных сталей, поставляемых в горячекатаном или в нормализованном состоянии. Для труб диаметром 530—820 им используется горячекатаная сталь 17ГС, а также стали 09Г2, 10Г2С в различных модификациях, для труб диаметром 1020—1220 мм — простые нормализованные стали 17Г1С-У и в опытном порядке стали 15Г2АФЮ, упрочненные нитридами алюминия, и 13Г2АФ, упрочненные нитридами ванадия и др.

2.3.1 Влияние химических элементов на свойства феррито-перлитных сталей

Как уже указывалось, основными элементами, применяемыми при производстве стали для труб, являются углерод, марганец и кремний, а также раскисляющие и микролегирующие элементы — ванадий, ниобий, титан, алюминий и редкоземельные металлы. Кроме названных элементов, в состав стали неизбежно входят вредные примеси — сера и фосфор, а также газы — кислород, азот и водород. Рассмотрим влияние различных элементов на свойства стали. За последнее время хотя и появились новые марки стали для труб, но подход к созданию и производству нормализованных низколегированных сталей не изменился, а принципиально новые типы сталей, получаемые контролируемой прокаткой, будут рассмотрены ниже.

Прежде чем рассматривать влияние химических элементов на свойства стали, уточнить понятие «хладостойкость». Многие специалисты под хладостойкостью понимают обеспечение определенной величины ударной вязкости на образцах Менаже (KCU) или Шарпи (KCV) при заданной температуре. Для стали труб магистральных газопроводов такое понятие недостаточно, так как металл труб должен предупреждать образование протяженных вязких разрушений, а также хрупких разрушений лавинного типа. Поэтому хладостойкостью стали в газопроводах следует считать способность металла при заданной температуре обеспечивать вязкий характер излома труб в условиях высокоскоростного распространения разрушения. Хладостойкость стали труб обычно оценивают количеством вязкой составляющей в изломе полнотолщинных крупноразмерных образцов типа ДWТТ, а при толщине стенки труб менее 10 мм — на стандартных ударных образцах. Сопротивление стали протяженному вязкому разрушению определяют по работе, поглощенной образцом ДWТТ при разрушении, или по величине ударной вязкости на образцах с острым надрезом, испытанных при минимальной температуре эксплуатации газопроводов.

Углерод повышает прочность стали, но снижает ее вязкость и ухудшает свариваемость. Поэтому количество углерода в низколегированных сталях для труб строго регламентируется— не более 0,20—0,22 %. Однако во многих марках стали для труб в зависимости от содержания марганца и кремния количество углерода принимают значительно меньшим. Влияние углерода на вязкость стали зависит от состояния металла, особенно от вида термической обработки. Неблагоприятное влияние углерода на вязкость усиливается после отжига, а нормализация и термическое улучшение повышают вязкость. Отрицательное влияние углерода также может быть уменьшено путем повышения однородности металла раскислением и модификацией в ковше, т. е. уменьшением развития ликвационных процессов при кристаллизации стали, обеспечением максимально дисперсного строения.

Марганец повышает прочность стали и в определенных пре­делах улучшает вязкость. Марганец способствует измельчению зерна и повышает дисперсность карбидов. Положительное влияние марганца может быть усилено введением в сталь карбидообразующих элементов, обычно титана или ниобия, которые в определенной концентрации повышают ее прочностные характеристики и вязкость.

Влияние марганца необходимо рассматривать совместно с углеродом. В сталях для труб содержание марганца практически во всех марках ограничено 2%. При введении в сталь марганца более 2 % наблюдается заметное снижение вязкости. Положительное влияние марганца особенно хорошо проявляется при пониженном содержании углерода, поэтому такие марки стали, как 10Г2С и особенно 09Г2, применяются для производства труб в северном исполнении. Наиболее высокую вязкость имеют стали при отношении количества марганца к углероду более 7.

Кремний в количестве до 0,2—0,3 % применяется как раскислитель стали в процессе плавки. Кремний связывает кисло­род и способствует повышению прочности и вязкости стали. Опыт применения кремения для упрочнения низколегированных сталей труб неоднозначен. Считают, что содержание кремния более 0,5—0,6 % снижает вязкость и ухудшает свариваемость стали. В то же время имеется многолетний опыт производства и применения стали МК (в новой маркировке 09Г2СД) с содержанием кремния до 0,8 % в газонефтепроводах диаметром 530—620 мм. Большое применение находят стали 17ГС с содержанием кремния до 0,6%. Следовательно, при рациональном сочетании углерода, марганца и кремния можно получать качественные стали повышенной прочности и вязкости. Известны также марки стали для труб с содержанием кремния до 1 %. Однако в газонефтепроводах они не применяются. Дальнейшее повышение вязкости стали, легированной кремнием, может быть достигнуто путем совершенствования процессов выплавки, раскисления и модификации, более полной очистки стали от вредных примесей и усовершенствованием методов прокатки.

Алюминий является сильным раскислителем и одновременно оказывает эффективное модифицирующее действие на сталь. Последнее связано с выделением нитридов в процессе охлаждения стали. Алюминий в отличие от таких модификаторов, как титан, ниобий, ванадий, не образует карбидов. Нитриды алюминия препятствуют росту аустенитного зерна и приводят к образованию мелкозернистой вторичной структуры. Связывая свободный азот, алюминий снижает склонность стали к старению. Раскисление алюминием снижает температуру перехода в хрупкое состояние, повышает прочность и улучшает свариваемость стали. Оно особенно эффективно, когда выполняется вместе с кремнием. Важным преимуществом раскисления алюминием является то, что при этом практически не повышается стоимость стали.

Количество вводимого алюминия должно быть строго ограничено. Остаточное количество его в стали не должно превышать 0,05%. При большем количестве алюминия наблюдается увеличение неметаллических строчечных включений. В отдельных исследованиях, выполненных применительно к стали типа 17ГС, указывается, что оптимальное количество остаточного алюминия в стали находится в пределах 0,01—0,38%. Фактически все исследователи считают весьма желательным применение алюминия для раскисления и модифицирования низколегированной стали, однако нормы его количественного содержания по данным разных работ несколько расходятся.

Титан обычно используют в сочетании с алюминием в ограниченных количествах (примерно 0,02—0,03%), что позволяет несколько повысить прочность низколегированной нормализованной стали, измельчить структуру металла, улучшить свариваемость. Однако при использовании титана могут возникать технологические трудности в процессе производства стали, может снижаться ее пластичность. Поэтому металлургическая промышленность не всегда применяет титан. Отечественная промышленность имеет определенный опыт использования титана для модификации низколегированных сталей, в частности, титан предпочитают ванадию по экономическим соображениям. Применение титана имеет то преимущество, что его сульфиды при обычных температурах горячей прокатки менее деформируются, чем сульфиды марганца. Их вытяжка едва заметна, что препятствует образованию строчечных вытянутых включений. Титан как модификатор хорошо усваивается сталью,

стабильно ограничивает рост зерна. Опыты по применению титана в количествах примерно 0,15 % для упрочнения стали показали, что в листах толщиной до 7 мм временное сопротивление разрыву и предел текучести увеличиваются со­ответственно на 60 и 90 МПа, однако при этом снижается вязкость и повышается чувствительность к перегреву. В ре­зультате исследований было сделано заключение о неэффек­тивности использования титана как упрочнителя в нормализо­ванных сталях.

Ванадий широко используется для улучшения углеродистых сталей, измельчения зерна и повышения прочности низколегированных сталей, улучшения их свариваемости. Количество применяемого ванадия строго ограничено (менее 0,1 %). При содержании ванадия 0,1—0,15 % дальнейшего измельчения зерна не наблюдается, ударная вязкость при низких температурах уменьшается. Экспериментальные исследования [13] показали, что нормализованная сталь 17ГС при содержании 0,04—0,1% ванадия, 0,011—0,022% титана и обычном содержании углерода, марганца и кремния в трубах диаметром 1020 мм обеспечивает прирост временного сопротивления на 20—30 МПа, ударной вязкости КСU_-40 на 0,1—0,3 МДж/м². При этом качество заводских сварных швов труб не ухуд­шается. В низколегированных сталях для труб ванадий вво­дится в количестве до 0,1 %.

Ниобий — слабый раскислитель стали и сильный карбидообразующий элемент. При наличии в стали азота образует нитриды или карбонитриды. Ниобий является эффективным модификатором стали, он не вызывает ее загрязнения оксидами, улучшает технологичность стали при ее производстве, способствует улучшению свариваемости. Исследования стали, содержавшей 0,2 % углерода, 1,2 % марганца, 0,08 % кремния со ступенчато изменяющимся количеством ниобия от 0 до 0,1 %, показали, что при повышении содержания ниобия, количество выделившихся карбонитридов увеличивается, а их размер не изменяется, в результате чего получается необычайно тонкая вторичная структура (размер зерна в среднем в 3 раза меньше, чем у стали без ниобия). Предел текучести увеличивается на 80 МПа. Наиболее благоприятно действие ниобия проявляется в малых количествах (примерно 0,02— 0,03%), особенно в сочетании с алюминием (около 0,02%). В этом случае повышается предел текучести и временное сопротивление разрыву (примерно на 40 МПа), снижается склонность к старению, вязкость стали практически не меняется. Степень упрочнения стали ниобием увеличивается с понижением количества углерода. Так, у стали 10Г2 предел текучести повышается примерно на 30%, у стали 15Г2 — на 17%, а у стали 30Г2 —на 10%. Однако пластичность и вязкость стали несколько понижаются, а критическая температура хрупкости незначительно повышается.

В целом микролегирование низколегированной нормализованной стали карбидо- и нитридообразующими элементами мало повышает комплекс их служебных свойств. Применение этих элементов в сталях контролируемой прокатки позволяет получить несравнимо более высокие свойства по всем показателям.

Редкоземельные металлы. Присадка в металл ферроцерия в количествах 0,04—0,1 % приводит к глобуляризации неметаллических включений, количество оксидов уменьшается. Положительное влияние церия на вязкость связано с его воздействием на форму и количество неметаллических включений, а также с некоторым измельчением зерна. Механизм влияния редкоземельных металлов (РЗМ) на свойства стали изучен недостаточно. Однако положительное влияние РЗМ на форму неметаллических включений, на свариваемость стали сомнений не вызывает. Обработка церием в количествах 0,01— 0,03 % высококачественных сталей для сварных конструкций высокой ответственности является обязательной технологической операцией.

Сера. Отрицательное влияние серы на свойства стали (особенно стали для сварных конструкций) широко известно. Сера в металле присутствует в виде неметаллических включений, преимущественно сульфидов марганца. Повышение содержания серы на 0,01 % в диапазоне от 0,02—0,05 % сдвигает критическую температуру хрупкости в область положительных температур на 15 °С. Количество серы в нормализованных сталях стараются снизить до 0,02%, а в сталях контролируемой прокатки—до 0,004% и ниже. Снижение содержания серы в стали контролируемой прокатки с 0,05 до 0,004 % повышает ударную вязкость по Шарпи практически вдвое. Низкое содержание серы (менее 0,005%) заметно повышает эффект обработки стали кальцием, увеличивая ее вязкость.

Газы в сталях. В процессе плавки жидкая сталь поглощает газы. Частично они выделяются во время кристаллизации металла и его прокатки и охлаждения. Однако оставшиеся газы заметно влияют на свойства сталей, особенно углеродистых. Газы в сталях находятся в растворенном состоянии или образуют химические соединения.

Наличие кислорода в стали снижает ее временное сопротивление и ударную вязкость. Поэтому повышение степени раскисления стали заметно влияет на ее свойства. Влияние кислорода на свойства стали определяется его количеством, составом и расположением включений. Наиболее отрицательно влияют включения, располагающиеся в виде пленок или нитей вокруг зерен металла.

Наличие азота в стали обусловлено рядом причин, в том числе чистотой кислорода, применяемого для продувки конверторной стали. Присутствие в стали свободного азота повышает склонность металла к старению. В то же время азот в виде твердой мелкодисперсной фазы — нитридов упрочняет сталь, измельчает ее структуру. Поэтому азот в стали может быть и легирующим элементом. Тогда в состав стали вводят специальные элементы, например алюминий, образующий с азотом нитриды.

Водород в стали может находиться в молекулярном состоянии, создавая внутрикристаллитные полости, заполненные газом, в атомарном состоянии, а также образовывать твердый раствор внедрения. Наличие водорода в стали резко снижает ее сопротивление хрупкому разрушению.

Прокатка. Изучение влияния продольной и поперечной прокатки листов нескольких марок низколегированной стали на качество труб было выполнено на ряде металлургических заводов вместе с институтами черной металлургии. Под поперечной прокаткой понимается схема, при которой продольная ось листа соответствует поперечной оси сляба. Установлено, что поперечная прокатка позволяет обеспечивать более равномер­ное соотношение продольной и поперечной вытяжки. При продольной прокатке продольная вытяжка в 10—20 раз и более превышает поперечную, а при поперечной это соотношение уменьшается в 2—6 раз, что резко снижает анизотропию свойств в листовой стали в поперечном и продольном направлениях. Основным преимуществом поперечной прокатки по сравнению с продольной при производстве листов труб является повышение стабильности и средней величины ударной вязкости — на поперечных образцах—на 20—40 %, относительного удлинения на 1—3 % при практически одинаковых прочностных характеристиках стали. Повышение указанных свойств объясняется более равномерной структурой металла при поперечной прокатке, снижением балла полосчатости, благоприятной формой и равномерным распределением неметаллических включений по поперечному сечению листа. Вместе с тем, поскольку наиболее загрязненная осевая часть слитка после прокатки выходит на продольную кромку листа, при поперечной прокатке полнее выявляются расслои. Их можно обнаружить визуально без контроля сплошности стали неразрушающими методами, что стимулирует улучшение качества листа. При поперечной прокатке по мере освоения ее заводами обнаружились некоторые экономические преимущества по сравнению с продольной — уменьшились примерно на 1 % от­ходы при обрезке листов, повысилась производительность про­катных станов, уменьшился процент отсортировки листов по дефектам.