2.3.2. Основные марки феррито-перлитных сталей для труб нефтегазопроводов

Сталь 17ГС (17Г1С-У) — основная марка стали для труб диаметром 530—1220 мм на давление 5,5—6,4 МПа. Сталь 17ГС и ее модификации применяются уже более 20 лет. Со­гласно одним из первых технических условий ЧМТУ 3-58—67 и последним ТУ 14-3-1138—82, металл труб диаметром 1020— 1220 мм при толщинах стенок 9—14 мм обеспечивает свойства, приведенные в табл. 6.

Основа химического состава стали (С = 0,15—0,2 %; Mn = -1,15—1,55%; Si = 0,4—0,6%; S = 0,02%; Р = 0,025%) за многие годы применения практически не изменилась. В целях глобуляции неметаллических включений в сталь 17Г1С-У можно вводить кальций до 0,02 % или церий до 0,03 %. Сталь раскисляется, помимо кремния, алюминием и титаном в суммарном количестве 0,01—0,06%. К стали 17ГС указанные требования не предъявлялись, а количество серы допускалось до 0,04 %, Сдаточные свойства сталей 17ГС и 17Г1С-У за 20 лет изменились незначительно, однако почти вдвое возросла удар­ная вязкость и повысилась ее стабильность. Хладостойкость стали не нормируется. Фактически хладостойкость стали обеспечивается только при температуре выше 5 °С в зависимости от размера труб.

Трубы из стали 17ГС размером 1220x12,5 мм из нормализованной стали и 720x8 мм из горячекатаной многократно исследовали во ВНИИСТе. Установлено, что у труб из этой стали без обработки кальцием и церием запас надежности не всегда обеспечивался. Так, при гидравлических испытаниях труб до разрушений коэффициент использования прочности стали (отношение σ_p/σ_в) составлял 0,93—0,96 и только у отдельных труб доходил до 1, удлинение периметра труб в очаге разрушения 3,1—4,5% и у отдельных труб 8,7%. Ударная вяз­кость стали труб на поперечных образцах Менаже составляла (МДж/м²):

	KCU20	KCU0	KCU-20	KCU-40
Трубы 1220х12,5 мм Трубы 720х8 мм	0,75 0,60	0,55 0,55	0,45 0,35	0,35 0,30

По средним значениям ударная вязкость была относительно удовлетворительной, но стабильность свойств недостаточной

Таблица 6

Нормативные требования к стали 17ГС и 17Г1С-У в трубах диаметром 1020—1220 мм

ТУ и марка стали	σв, МПа	σ0,2, МПа	5, %	KCV0, МДж/м2	KCU-40, МДж/м2
ЧМТУ 3-58-67 17ГС ТУ 14-3-1138-82 17Г1С-У	500 520	360 370	18 20	- 0,3-0,4	0,25 0,40

Сопротивление горячекатаной стали 17ГС зарождению тре­щин при испытании на статический изгиб широких образцов с надрезом в отдельных случаях также было недостаточным. Повышение требований к качеству раскисления стали 17Г1С-У позволило улучшить эти показатели, однако полностью исключить разрушения труб пока не удалось.

Длительное применение стали 17ГС для изготовления труб не случайно. Это простая феррито-перлитная сталь, оптимально легированная по всем основным элементам: углероду, марганцу и кремнию, что позволяет при минимальных затратах получать достаточно высокий комплекс свойств, не прибегая к легированию никакими другими дефицитными и дорогими элементами.

Свойства и работоспособность стали в сварных конструкциях зависят не только от химического состава, степени раскисления, но и от многих других процессов ее производства. Требования к свойствам стали и ее составу должны быть достаточно жесткие и полные, в определенной степени обусловливать строгое соблюдение технологии производства на всех этапах передела и тем самым гарантировать стабильную работу металла в конструкции.

Переход в начале 60-х годов на производство труб из стали 17ГС, а затем 17Г1С-У позволил значительно повысить работоспособность труб, сократить число отказов на газонефтепроводах, связанных с качеством и свойствами металла труб, однако полностью устранить разрушения трубопроводов из стали 17Г1С не удалось. Поскольку сталь 17Г1С весьма экономична и для ряда типоразмеров труб она еще долго будет применяться, необходимо более тщательно пересмотреть документацию на ее производство и труб из нее.

Стали 13Г2АФ и 17Г2АФ. Феррито-перлитную сталь, упрочненную нитридами ванадия, а в некоторых марках и алюминием, применительно к изготовлению из нее труб изучали в ряде вариантов: сталь 13Г2АФ — для труб диаметром 1200 мм с рабочим давлением 5,5 МПа; сталь 15Г2АФЮ и 17Г2АФ—для труб диаметром 1420 мм па рабочее давление 7,5 МПа. Опробовали также и другие варианты.

Химический состав и механические свойства металла труб приведены в табл. 7. Сталь исследуемых труб выполнена по верхней половине содержания химических элементов. При этом две плавки недостаточно раскислены алюминием (0,004—0,014%). Механические свойства по большинству показателей соответствуют техническим условиям.

Таблица 7

Нормативный и фактический химический состав и механические свойства стали 13Г2АФ

Химический состав, %
C	Mn		Si		V		N	S		P		Al
Поставленные плавки
0,13-0,15	1,6-1,66		0,32-0,40		0,061-0,095		0,011-0,013	0,012-0,022		0,010-0,014		0,004-0,026
Требования ТУ 14-3-1138-82
0,11-0,17	1,1-1,70		0,20-0,40		0,060-0,100		0,010-0,020	0,020		0,025		0,015-0,050
Механические свойства
σв, МПа		σ0,2, МПа		5, %		KCV0, МДж/м2			KCU-40, МДж/м2		B при 0 оС, %
Фактические
566-601		400-460		21-27		0,48-0,73			0,49-0,65		25-100
Требования ТУ
540-640		370-470		Не менее 19		Не менее 0,4			Не менее 0,5		Не менее 60

Сталь 15Г2АФЮ предложена на основе больших и многолет­них работ по созданию высокопрочных строительных сталей, упрочненных нитридами и карбонитридами ванадия и алюми­ния. Теория упрочнения стали нитридообразующими элементами и зависимость ее механических свойств от структуры подробно рассмотрены в работе. Механизм упрочнения связан с обра­зованием дисперсных нитридов и карбонитридов, вызывающих резкое измельчение зерна феррита. Введение в сталь ванадия и алюминия позволяет уменьшить зерно в 3—5 раз, т. е. получить примерно 11 баллов зерна. При этом наблюдается рост предела текучести на 25—30 %, временного сопротивления на 15—20 %, заметно повышается вязкость. Однако повышения хладостойкости у нормализованных сталей практически не наблюдается.

Применительно к строительным высокопрочным марганцевистым сталям, упрочненным ванадием и алюминием, определен рациональный химический состав, %:

углерод -0,12-0,23, марганец— 1,3—1,7, азот —0,015—0,025, ванадий —0,08—0,15, алюминий — 0,02—0,05. Сталь такого состава в нормализован­ном состоянии характеризуется высокими показателями проч­ности, вязкости и пластичности, мало зависящими от толщины листа.

Сталь 14Г2АФ и 18Г2АФ много лет успешно применяется в ответственных несущих строительных конструкциях. Большой опыт применения послужил отправной точкой при разработке марганцевистой стали, упрочненной карбонитридами для труб газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа. Однако условия работы стали в мощных магистральных газопроводах существенно отличаются от условий работы металла в самых ответственных несущих строительных конструкций. Сталь труб должна не только надежно сопротивляться нагружению, создаваемому внутренним давлением, но и удовлетворительно сопротивляться протяженным вязким и хрупким разрушениям. Поэтому необходимо, чтобы помимо прочности и ударной вязкости на образцах Менаже (KCU_-40≥0,4—0,5 МДж/м²) сталь также обеспечивала ударную вязкость на образцах Шарпи (KCV_-5≥ 0,8 МДж/м²) и не менее 80 % волокна в изломе полнотолщинных образцов ДWTT.

В стали исследуемых труб содержание основных упрочняющих элементов — марганца, ванадия, алюминия и азота близко к верхнему пределу. При таком составе, близком к оптимальному, временное сопротивление не всегда соответствует требованиям технических условий (σ_в >560 МПа). Значения ударной вязкости по Менаже при —40 °С с запасом удовлетворяют требованиям ТУ.

Сдаточная характеристика KCV_-5 имеет отклонение от нормы, но поскольку при температуре —15 °С вязкость практически не снизилась, указанное отклонение можно считать допустимым. Хладостойкость стали, оцениваемая по данным испыта­ния полнотолщинных образцов ДWТТ, приведена в табл. 8.

Результаты исследований показывают, что в трубах 1420х17,5 мм на рабочее давление 7,5 МПа хладостойкость стали 15Г2АФЮ обеспечивается только при температуре 10 °С и выше. Эти результаты не являются случайными, они много раз проверялись на разных вариантах нормализованных сталей как на образцах, так и при испытании отдельных труб и отрезков газопроводов до разрушения. Во всех случаях температура хрупкости стали была выше 0 °С, хотя ударная вязкость у некоторых марок была высокая.

Таблица 8

Ударная вязкость и хладостойкость стали 15Г2АФЮ

Температура испытания, оС	KCU, МДж/м2 (образцы Менаже)	KCV, МДж/м2 (образцы Шарпи)	Волокно в изломе В, % (образцы DWTT)
20 0 -5 -15 -40 -60	1,2-2,0 - - 0,9-1,7 0,8-1,4 0,6-1,0	0,95-1,50 - 0,65-1,30 0,70-1,10 0,40-0,70 -	92-100 25-85 15-85 10 - -

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.