1.2.1 Условия эксплуатации сварных соединений трубопроводов
В зависимости от назначения и условий работы к трубам и их соединениям предъявляют определенные требования, установленные ГОСТом или специальными техническими условиями. В настоящее время наша промышленность выпускает сварные и бесшовные (цельнокатаные) трубы, при этом производство сварных труб как наиболее производительное и экономичное непрерывно возрастает. Сварные трубы, применяемые при прокладке магистральных и производственных (так называемых технологических) трубопроводов, изготовляют с наружным диаметром от 6 до 1400 мм при толщине стенки от 0,3 до 25 мм.
Сварные трубы изготовляют по ГОСТ 10704-63, 10705-63, 10706-76, 10707-73 и 8696-74. Их выпускают с прямым продольным сварным швом или со спиральным швом. Трубы с прямым продольным швом изготовляют из листовой стали. Горячекатаные листы правят в обычных валковых правильных машинах. Затем на специальных дробеструйных установках зачищают свариваемые кромки от ржавчины и окалины на ширину 30 ...50 мм.
Разделку кромок под сварку производят на кромкострогальных станках. При этом скашивают кромки так, чтобы после формовки образовался угол разделки в пределах от 30° до 60° в зависимости от толщины заготовки. При двустороннем сварном шве угол внутренней разделки несколько больше угла наружной разделки, а притупление кромок составляет 3 ... 5 мм.
Формовку листов под сварку производят на листозагибочных вальцах или прессах. Затем заготовку подают к сварочному стану. Соединение кромок заготовки можно производить либо автоматической сваркой под флюсом, либо контактной сваркой сопротивлением или оплавлением. Чаще всего применяют стан автоматической сварки под флюсом, который имеет устройство для сближения кромок заготовки и подачи ее под сварку, сварочную головку и устройство для подачи флюса в разделку кромок шва и отсоса неиспользованного флюса.
При соединении кромок тонкостенных труб часто применяют прессовую сварку с индукционным нагревом свариваемых кромок заготовки. Трубы со спирально-сварным швом диаметром до 1200 мм изготовляют из узкого листа. Это имеет большое экономическое значение, так как снижается себестоимость производства труб. Важным преимуществом спирально-сварных труб являются высокие механические свойства, позволяющие изготовлять трубы из более тонкой листовой заготовки. При этом экономия металла по сравнению с прямошовными трубами достигает 30 ... 35%.
1.3.1 Влияние элементов на свойства стали в горячекатаном и нормализованном состояниях
Легирующие элементы, изменяя параметры решетки железа, упрочняют феррит (кроме хрома), незначительно влияют на характеристики пластичности (кроме элементов образующих растворы внедрения) и обычно понижают вязкому (за исключением никеля и хрома). Степень влияния отдельных элементов зависит от типа образуемого твердого раствора, различия атомных радиусов железа и растворенного элемента, а также взаимодействия их электронных оболочек. Авторами проведен систематические исследования влияния элементов на свойства низкоуглеродистых низколегированных сталей в различных структурных состояниях. Основная часть плавок отлита фракционно с варьированием содержания основных и дополнительных легирующих элементов.
Основные легирующие элементы (углерод, марганец, кремний) оказывают
монотонно упрочняющее влияние, причем интенсивность влияния углерода выше (0,1% С повышает σв на 40 Н/мм2), чем у марганца и кремния (~20 Н/мм2) [ 5 ]. При повышенном содержании углерод выделяется в виде карбидной фазы. Углерод оказывает значительно большое влияние на временное сопротивление, чем на предел текучести, поэтому он уменьшает отношение σт/σв (рис. 3). Упрочнение за счет углерода связано с увеличение количества перлита и явлением постепенного измельчения зерна, что видно из приведенных данных для стали с 0,8 % Mn:
Содержание С, %.................................................0,01 0,05 0,10 0,16 0,20
σт, Н/мм2................................................................220 222 248 259 303
Количество перлита, %............................................0 3,3 4,6 13,1 16,1
Диаметр зерна, мм-1/2……………………………5,6 5,3 6,5 8,8 9,9
При содержании углерода более 0,25 % наблюдается обратная тенденция и зерно феррита несколько упрочняется. Повышение содержания углерода сопровождается уменьшением значений ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, повышения порога хладноломкости.
Рис. 2 Влияние углерода на механические свойства горячекатаных низколегированных сталей: сплошная линия – сталь: 1,4 %Mn, 0,3 %Si, 0,04 %V, 0,03 %Nb, 0,03 %S(температура нагрева под прокатку 1200 °С, окончание прокатки 850 °С); пунктирная линия – сталь с 1,35 %Mn, 0,45 %Si, 0,025 %Ti, 0,012 %S(температура нагрева под прокатку 1150 °С, окончание прокатки 760 °С).
При содержании углерода более 0,23 % наблюдается существенное повышение порога хладноломкости стали. Такое влияние углерода на ударную вязкость и хладостойкость стали следует объяснить тем, что в определенных условиях превалируют фактор повышения количества перлита, а в других – измельчения зерна. Чаще наблюдается измельчение проявление неблагоприятного влияния повышенного количества перлита. Степень влияния перлита на повышение переходной температуры зависит также от величины зерна стали: с ее уменьшением усиливается степень влияния перлита на переходную температуру. Отсюда следует, что использование сталей с низким содержанием углерода при наличии крупнозернистой структуры в отношении переходной температуры менее эффективно, чем в сталях с мелкозернистой структурой, в которых снижение содержания углерода сопровождается понижением переходной температуры. В сталях с очень низким содержанием углерода критическая температура хрупкости зависит от формы и характера распределения перлитной составляющей. Обычно снижение содержания углерода до низкого уровня (0,05 % и ниже) в марганцовистых горячекатаных сталях сопровождается существенным сдвигом переходной температуры в сторону более низких температур.
С повышением содержания углерода в нормализованной марганцовистой стали уменьшается способность металла сопротивляться развитию трещины, зависящая в основном от величины зерна.
Легирование марганцем сопровождается упрочнением и снижением ударной вязкости и хладостойкости, а легирование кремнием –ухудшением последних показателей при содержании его более 0,8 %. Резкое ухудшение пластических характеристик происходит при содержании марганца ~ 2 % и более и связано с образованием при содержании углерода 0,1 % и более чрезмерно большого количества продуктов промежуточного превращения. Характер изменения ударной вязкости, хладостойкости с повышением содержания марганца определяется соотношением структурных составляющих (феррит, перлит и продукты промежуточного превращения) и степенью воздействия этого элемента на величину зерна феррита. В нормализованной стали с 0,2% Введение марганца сопровождается увеличением доли перлитной составляющей без существенного измельчения структуры, поэтому сталь упрочняется с некоторым ухудшением вязкости и хладостойкости (рис. 2) В стали с меньшим содержанием углерода введение марганца до 1,5 % повышает сопротивление хрупкому разрушению. Это связанно с тем, что указанный элемент уменьшает блокировку дислокаций (снижает содержание азота в атмосферах Коттрелла) и обеспечивает получение продуктов распада аустенита повышенной дисперсности.
Упрочнение феррито–перлитной стали за счет повышения содержания кремния связано с искажением кристаллической решетки.
Рис. 3 Влияние легирующих элементов на свойства нормализованной низколегированной стали типа 20Г2 (1,5 % Mn).
Кремний не образует в стали каких-либо новых фаз и структурных составляющих, поэтому микроструктуру кремнесодержащих сталей феррито-перлитного класса не отличается от структуры бескремнистых сталей. Образующийся в кремнесодержащей стали цементит не содержит кремний, поскольку его сродство к углероду значительно ниже, чем сродство железа к углероду.
Небольшие количества кремния обнаруживаются а карбидах, которые образовались при изотермическом превращении в перлитной области. Следует считать, что более достоверны данные о незначительной растворимости кремния в цементите.
Межатомные силы связи кремния с железом сильнее, чем соответствующие силы связи кремния с углеродом, поэтому растворяясь в феррите, кремний ослабляет связь атомов железа с углеродом и способствует графитизации. Кремний измельчает блоки и увеличивает искажения. При содержании кремния более 1 % ударная вязкость нормализованного железа при комнатной температуре заметно снижается в силу особенностей межатомных связей твердого раствора железо – кремний. Кремний, кроме того, способствует укрупнению зерна (особенно при содержании более 0,5%).
Имеются сведения о том, что кремний в количества больших, чем это нужно для раскисления (0,2 – 0,5 %) уменьшает плотность подвижных дислокаций, что приводит к возрастанию сил трения в решетке и повышению сопротивления пластической деформации.
С железом никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Температура распада аустенита никельсодержащих сталей ниже, чем у безникелевых сталей, поэтому этот элемент в количестве до 1 % способствует получению дисперсной структуры, а при больших количествах – структуры игольчатого феррита. Никель оказывает слабое влияние на стандартные механические свойства марганецсодержащей низколегированной стали. Образующийся при содержании никеля > 1,3 % продукты превращения повышают температуру перехода в хрупкое состояние, в то время как при меньших количествах данный элемент благоприятно влияет на этот показатель, а также на работу развития трещины. При введении в сталь до 0,9 % Ni– сохраняется феррито-перлитная структура, а при больших концентрациях появляются продукты промежуточного превращения.
В феррито-перлитных сталях хром находится в основном в растворе. Упрочнение от наличия хрома значительно слабее, чем от других легирующих элементов. В марганецсодержащей стали (0,2 % С) хром до 0,7 % слабо влияет на ее стандартные свойства и не изменяет соотношения структурных составляющих. При больших количествах хрома появляются продукты промежуточного превращения, что сопровождается резким повышением прочности и существенным снижением пластичности стали (рис. 3).
Этот элемент снимает абсолютные значения ударной вязкости (сильнее при содержании более 0,7 %) и ухудшает хладностойкость. Работа развития трещины также уменьшается при увеличении содержания хрома, причем наиболее резко при количествах более 0,7 %.
В феррито-перлитных низкоуглеродистых сталях (0,09 % С, 0,42 % Mn, 0,25 % Si) молибдена преимущественно находится в твердом растворе и практически не оказывает влияния на их механические свойства в нормализованном состоянии. Только при комплексном легировании молибденом и бором образуется бейнитная структура, существенно повышающая прочность с уменьшением пластичности. При повышенном содержании углерода (0,2 %) и марганца (1,5 %) молибден обеспечивает получение продуктов промежуточного превращения без наличия бора, что сопровождается существенным повышением прочности, снижением ударной вязкости, хладостойкости и работы развития трещины.
Медь обладает крайне ограниченной растворимостью в α –железе и при повышенных количествах (≥ 0,4 %) вызывает дисперсионное твердение. Эффект упрочнения от растворения меди находится практически на уровне, наблюдаемом для никеля.
Характер влияния меди на ударную вязкость и хладостойкость зависит от содержания и распределения меди: при небольших количествах ее влияние подобно никелю, а при больших, вызывающее дисперсионное твердение, этот элемент снижает ударную вязкость и хладостойкость низколегированных сталей.
Сера и фосфор являются постоянными примесями в низколегированных сталях и их присутствие не желательно. Сера практически не влияет на прочность, но уменьшает пластичность и ударную вязкость (особенно в поперечном направлении к оси прокатки), в то время как фосфор существенно упрочняет феррит с соответствующим снижением пластических и вязких свойств. С уменьшением содержания серы значение ударной вязкости повышается, наиболее интенсивно при содержаниях серы менее 0,01 %. В то же время влияние серы на порог хладноломкости (Т50)неоднозначно. Установлен так называемый сульфидный эффект. С повышением содержания серы снижается величина ударной вязкости при вязком разрушении, однако температура, при котором вязкий излом сменяется хрупким, смещается в область более высоких температур. Это смещение свидетельствует о повышении хладостойкости стали с высокой серой.
С повышением содержания фосфора наблюдается непрерывное снижение ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, уменьшение волокнистости в изломе и работы развития трещины.
Считается что хрупкость сталей, содержащих фосфор, развивается в результате сегрегации фосфора по границам зерен. Вредное влияние фосфора ослабляется раскислением металла кремнием. Эффективнее кремния влияет алюминий, который в количестве 0,05 % обеспечивает получение стали с удовлетворительной ударной вязкости при наличии фоссфора до 0,12 %. Вредное влияние фосфора на хладостойкость связанно с огрублением структуры и охрупчиванием границ зерен из-за выделения железа.
Газы – кислород, водород и азот – являются обычными примесями в стали и обладают малой растворимостью в железе. Кислород считается одной из основных примесей, охрупчивающих сталь. С увеличением содержания этой примеси критическая температура хрупкости смещается в сторону высоких температур.
По характеру влияния водорода на ударную вязкость и сопротивление разрушению имеются противоречивые данные, причем в большинстве случаев не отмечается влияние этого элемента на хладноломкость. Из низколегированных сталей водород относительно легко удаляется благодаря повышению диффузии.
Азот отрицательно влияет на ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению низколегированных сталей при растворении его в твердом растворе или при образовании нитрида железа, вызывающем явление деформационного старения.