Учебное пособие 800195

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.

ВСКП 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.

Врезультате 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

60

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 %.

2.4.1. Отечественные марки сталей контролируемой прокатки

Отечественная металлургическая промышленность ориентировалась на сталь с молибденом для труб только как на эталон. Основное внимание уделялось более дешевым, не де-

61

фицитным 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 харак-

теристик: 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

62

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 требо-

вания 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

63

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.

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. Механи-

ческие свойства труб из СКП: σв ≥600 МПа, σ0,2 ≥47О МПа, 5

≥20 %, KCV-15≥0,6— 0,8 МДж/м2, KCU-60≥0,4—0,6 МДж/м2,

64

ВDWTT 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, Ап 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.

65

Таблица 10 Химический состав СКП в трубах диаметром 1420 мм на дав-

ление 7,5 МПа импортной поставки

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

66

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 газо-

проводов 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 σв ≥600 МПа, σ0,2 ≥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.

67

ние прочностных свойств и может ухудшить хладостойкость. В СКП, прошедших УРО, которые обычно называют ста-

лями 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 фер- рито-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.

69