Учебное пособие 800195

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 углероди-

50

стых. 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

51

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.

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 мно-

гие 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 раскис-

52

ляется, 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 σp/σв) 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):

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

53

Таблица 6 Нормативные требования к стали 17ГС и 17Г1С-У в трубах

диаметром 1020—1220 мм

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 ра-

54

ботоспособность 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.

55

Таблица 7 Нормативный и фактический химический состав и механиче-

ские свойства стали 13Г2АФ

Химический состав, %

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 марган-

56

цевистым 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 (σв >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

57

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

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 ограничен-

58

ном запасе упругой энергии температура перехода металла 15Г2АФЮ в хрупкое состояние составляла —3, —5 °С.

2.4. Стали контролируемой прокатки

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.

59