Учебное пособие 800195

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

70

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

71

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 спо-

72

собствует повышению σв, 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 ГХр, 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 бей-

73

нитного 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 тру-

бах составляли: σв = 634—644 МПа, σ0,2= 575—600 МПа, 5= 19—21 %, Т80 от —15 до 30 °С. Хладостойкость стали и сопро-

тивление 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

74

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.

Несмотря па небольшую величину эквивалента углерода (Сэ = 0,34) и простой химический состав стали, для сварки труб на трассе должна быть разработана специальная технология, обеспечивающая равнопрочность со сталью (σв ≥650 МПа)

идеформативную способность металла кольцевого шва. Разработка такой технологии не должна вызвать особых затруднений, так как по химическому составу эти стали мало склонны к образованию технологических трещин.

Для сталей контролируемой прокатки, прошедших УРО, требуются уточнения сдаточного значения ударной вязкости, поскольку рост вязкости стали в значительной степени происходит за счет сопротивления металла зарождению трещины. Следовательно, чтобы иметь удовлетворительное сопротивление распространению вязкому разрушению, требования к сдаточному значению ударной вязкости или работе разрушения полнотолщинных образцов должны быть повышены.

Кратко изложенные данные о СКП, прошедших УРО, показывают перспективность этих сталей, возможность варьирования химическим составом и свойствами. Все это указывает на большие возможности термомеханической обработки СКП

ина перспективность этого метода производства стали для труб мощных магистральных газопроводов, строящихся и эксплуатирующихся в любой климатической зоне России и госу-

75

дарств на территории которых осуществляется строительство нефтегазопроводов из данным материалов.

3. ТРУБЫ

Для магистральных и промысловых трубопроводов высокого давления могут применяться бесшовные горячедеформированные трубы и их модификации, сварные прямошовные и спиралешовные трубы из рулонной или листовой стали и трубы специальных конструкций — дву- и многослойные.

Инженеры, технологи, проектировщики и строители нефтяной и газовой промышленности не всегда имеют достаточно полные данные о работоспособности различных типов труб и руководствуются в своей работе соответствующими инструкциями и указаниями. В то же время нормативные документы имеют достаточно широкое назначение и часто рекомендуют большое разнообразие труб. Наша задача — показать принципиальное влияние технологии изготовления труб, заготовок для труб, а в отдельных случаях и используемого оборудования на свойства стали в изделии и на точность размеров труб с тем, чтобы помочь в практической работе специалистам при выборе труб.

В настоящее время для строительства трубопроводов применяют трубы, изготовляемые по двум принципиально различным технологическим процессам: 1) малого диаметра (менее 530 мм), в основном бесшовные трубы, получаемые методом горячего деформирования; 2) сварные трубы большого диаметра, получаемые методами холодного деформирования и последующей сварки. Трубы малых диаметров могут проходить вторичную горячую или холодную деформацию с целью получения более высококачественной поверхности и повышения точности их размеров.

Для обеспечения стабильной работоспособности труб в сооружении большое внимание уделяется контролю труб на заводах, особенно технологическому контролю с широким ис-

76

пользованием ЭВМ, управлению качеством производства труб. Задача заводского контроля не отбраковывать дефектные трубы, а максимально предупреждать брак на всех стадиях прокатки, формовки или сварки труб, а также отделки. По данным механических испытаний заполняются сертификаты, удостоверяющие соответствие изготовленных труб требованиям стандартов или технических условий на их постановку и фиксирующие фактические (поправочно) свойства стали в готовых трубах.

3.1. Бесшовные трубы

Бесшовные трубы общего назначения в ряде случаев применяются для строительства трубопроводов и поставляются по ГОСТ 8731—74 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные; технические требования» и по ГОСТ 8732— 78 «Сортамент». В ограниченных объемах применяются стальные холоднодеформированные и теплодеформированные трубы по ГОСТ 8733—74 группы «Б», т. е. с гарантией содержания химического состава и механических свойств, и трубы бесшовные повышенной точности, поставляемые по ГОСТ 9567—-75 «Сортамент и требования к точности размеров».

Преобладающее большинство бесшовных горячекатаных труб производится из слитка круглой или многогранной формы, в ограниченных объемах производятся трубы из катаной заготовки или из полых трубных гильз, полученных методами центробежного непрерывного литья или другими способами.

Качество заготовки определяет и последующее качество бесшовных труб. В частности, при производстве труб из слитка вследствие неоднородности его структуры качество бесшовных труб также неоднородно. Трубы, прокатанные из головной части слитка, часто имеют закаты, плену, нестабильный химический состав. Производство труб из катаной заготовки всегда способствует улучшению свойств стали и предупреждает металлургические дефекты в трубах, улучшает качество их поверхности. Поэтому при заказе труб ответственного

77

назначения необходимо оговаривать в технических условиях на их поставку тип заготовки, используемый для производства бесшовных труб. Бесшовные трубы поставляются в горячекатаном состоянии или при соответствующем оформлении в термообработанном состоянии. Прокатка труб (вытяжка заготовки в готовое изделие) производится на станах: пилигримовом, автоматическом, двухили трехвалковом, непрерывной прокатки и других конструкций. Тип стана определяет точность размеров и качество труб.

На пилигримовом стане вытяжка заготовки в трубы осуществляется путем циклической прокатки на валках с переменным радиусом ручья по окружности — приблизительно на одной половине окружности валка имеется рабочий ручей, па второй половине — холостой ручей большего радиуса. Процесс горячей прокатки труб осуществляется в следующем порядке. Нагретая до заданной температуры литая или катаная заготовка прошивается и вытягивается в гильзу. Толстостенная гильза на длинной цилиндрической оправке вводится специальным устройством в пилигримовые валки. В соответствии с направлением вращения пилигримовых валков гильза при каждом цикле прокатки смещается назад, образуя короткий отрезок готовой трубы. Рабочий цикл прокатки труб прерывается холостой частью валков. За это время гильза на штанге продвигается вперед и одновременно поворачивается (кантуется) на 1,57 рад. После этого цикл прокатки повторяется, и так до тех пор, пока гильза не будет раскатана в трубу по всей длине.

Нераскатаная пилигримовая головка и неравномерно раскатанный передний конец труб после прокатки отрезаются. Окончательная отделка и получение готовой продукции осуществляются на калибровочном или редукционном трубопрокатном стане. Бесшовным трубам, прокатанным на пилигримовых станах, присуща повышенная разнотолщинность стенок. В трубах, полученных из слитка, часто наблюдаются металлургические дефекты. Бесшовные трубы общего назначения являются наиболее массовыми по производству. Однако применение их для трубопроводов высокого давления, осо-

78

бенно использование труб из слитка, должно быть максимально ограничено.

На автоматических станах прокатывают бесшовные трубы диаметром до 406 мм. В качестве исходного материала используют катаную круглую заготовку. Вытяжка прошитой гильзы на автоматическом стане осуществляется в одно- и многоручьевом валках двухвалкового стана. Горячая гильза надвигается с помощью рабочих валков на короткую оправку, которая установлена на штанге. Для получения окончательного размера трубы требуется 2—3 прохода. При каждом последующем проходе применяется оправка большего диаметра и трубная заготовка поворачивается (кантуется) вокруг своей оси на 1,57 рад. Диаметр последней оправки равен диаметру готовой трубы. Окончательную отделку и калибровку размеров труб производят на стане винтовой прокатки. Автоматические станы позволяют получить до 3 труб за 1 мин с хорошим качеством поверхности, повышенной точностью размеров в сравнении с трубами, полученными на пилигримовых станах. Бесшовные трубы ответственного назначения для нефтяной и газовой промышленности должны изготавливаться в основном на автоматических станах.

Прокатка труб на непрерывном стане производится до диаметра 160 мм на длинной гладкой оправке диаметром, равным диаметру готовой трубы. В непрерывном стане толстостенная гильза и оправка движутся вместе с высокой скоростью через систему клетей (7—9 шт.), последовательно раскатывающих (утоняющих) стенку. Прокатка завершается за один проход. Полученная трубная заготовка вторично нагревается и прокатывается до окончательного размера на редукционном или редукционно-растяжном трубопрокатном стане. Непрерывные станы в значительной степени автоматизированы и управляются с использованием компьютеров, что обеспечивает высокую производительность процесса и стабильное качество продукции. Полученные трубы имеют длину до 30 м. После редуцирования длина труб может достигать 180 м. Готовая длинная труба охлаждается и разрезается на мерные отрезки, а

79