Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения

 

Трубные стали - стали с определенным химическим составом и определенными служебными свойствами.

Как известно, при контролируемой прокатки за счет специально подобранных композиций стали (марок стали) и температурно-деформационных режимов обработки удается непосредственно после горячей прокатки получить заданное структурное состояние металла, обеспечивающее высокий комплекс механических свойств (прочности, вязкости, хладостойкости, свариваемости).

Как правило, для контролируемой прокатки применяют конверторную сталь, разлитую на МНЛЗ в слябы, нагреваемые в методических печах.

Нормативно-технические требования к стали, прокату (штрипсам) и трубам основаны на американском (API 5L) или европейском (ISO 3183 - 3 - 2006) согласованных между собой стандартах /3/.

В таблице 1 приведены принятые обозначения для характеристик групп прочности сталей в соответствии с ГОСТ Р 52079 - 2003.

 

Таблица 1 - Обозначения категории прочности стали в соответствии с разной нормативно-технической документацией.

Категории прочности в соответствии со стандартами
ISO 3183 - 2006	ARI 5L	ГОСТ Р 52079 - 2003
L245	В	К38 - 42
L290	Х42	К48
L360	Х52	К52
L415	Х60	К56
L450	Х65	К60
L485	Х70	-
L555	Х80	-

 

Этапы развития сталей по категориям прочности, содержанию основных элементов и видам термической обработки для магистральных трубопроводов показаны на рисунке 3.

 

Рисунок 3 - Этапы развития сталей для магистральных трубопроводов.

 

Производство штрипсов начинали практически со стали Ст3 (категории прочности К28 - К42), введя регламентацию температуры конца прокатки и степени деформации в последних проходах, а так же нормализацию листов с отдельного нагрева. Затем перешли на углеродомарганцовистые стали марок 17Г1С и 17Г1С - У (категории прочности К52), поставляемые в нормализованном состоянии. Основными недостатками таких сталей были:

1. Низкое сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по доли волокна в изломах (DWTT).

2. Недостаточная ударная вязкость при температурах эксплуатации и монтажа трубопроводов.

3. Ухудшенная свариваемость, обусловленная высоким углеродным эквивалентом (С_экв ≈ 0.46), что вызывало необходимость подогрева труб при сварке в полевых условиях.

4. Применение термической обработки - нормализации, что при высоких ценах на энергоносители существенно повышает себестоимость проката.

5. Повышенная химическая и структурная неоднородность, что способствовало появлению дефектов сплошности готового проката и других негативных дефектов.

Требования, предъявляемые к трубным сталям, возросли, что привело создание нового поколения низколегированных сталей, так называемых малоперлитных, обладающих уникальным сочетанием высокой хладностойкости, прочности, ударной вязкости и повышенной свариваемости. Прочностные и пластические характеристики основного металла зависят от категории стали (углеродистая, низколегированная, дисперсионно твердеющая или термически упрочненная), а вязкостные свойства зависят от структуры и субструктуры металла. Ударную вязкость основного металла необходимо определять при двух температурах: при температуре, соответствующей температуре наружного воздуха в процессе производства строительно-монтажных работ и при минимальной температуре эксплуатации трубы /4/.

Наиболее вредное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию горячих и холодных трещин, а так же определяющий уровень максимальной твердости. В обычных низколегированных сталях содержание углерода доходит до 0.2%. Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения и способствуют получению метастабильных структур в процессе охлаждения и могут привести к ухудшению свойств околошовной зоны. Улучшают свариваемость вводом в сталь элементов, препятствующих росту зерна аустенита (молибден, хром, никель, медь, марганец, кремний). Свариваемость различных низколегированных сталей оценивают по углеродному эквиваленту и термической жесткости сварного соединения. Концепция создания малоперлитных сталей с σ_в ≥ 550 - 590 Н/мм² предусматривала снижение величины углеродного эквивалента до ≤ 0.43% при расчете его по уравнению (1) путем уменьшения содержания углерода до С ≤ 0.1 - 0.13%, что значительно улучшает свариваемость /1/.

 

, (1)

 

где С, Mn, Сr и другие - процентное содержание элементов в стали.

Сера и фосфор - вредные примеси, они снижают механические свойства стали, поэтому их содержание ограничивают. Особо вредна сера, образующая пластичные сульфиды. Расплющиваясь в процессе деформации, они снижают ударную вязкость и повышают критическую температуру хрупкости, это явление называется красноломкость. Для предупреждения красноломкости в сталь добавляют марганец или цирконий. Фосфор полностью растворяется в феррите, при этом феррит упрочняется, и в то же время резко снижается его пластичность и особенно вязкость, то есть сталь становится более склонна к хрупкому разрушению. Фосфор повышает порог хладноломкости стали.

Необходимая прочность стали достигается благодаря введению микродобавок ванадия, ниобия и титана в сумме, не превышающих 0.1 - 0.15%. Помимо дисперсного упрочнения за счет образования при охлаждении после прокатки очень мелких (≈2 - 10 нм) частиц карбонитридных фаз эти элементы понижают температуру вязкохрупкого перехода и повышают ударную вязкость стали.

Микродобавки карбонитридообразующих элементов - ниобия, титана, ванадия и в меньшей мере алюминия, оказывают воздействие на процессы формирования структуры в течение всего цикла контролируемой прокатки - от нагрева слябов перед прокаткой до завершающей стадии деформации и последующего охлаждения. Интенсивность и направление влияния ванадия, ниобия и титана на свойства малоперлитных сталей во многом различны и зависят как от их количественного содержания, так и от присутствия второго (или двух других) элементов этой группы. Они с разной степенью активности влияют на процессы роста зерна при нагреве под прокатку, кинетику рекристаллизации горячедеформированного аустенита, кинетику λ→α - превращений, размер зерна феррита, состояние α - твердого раствора.

Для увеличения прочности труб потребовалось достижение σ_в ≥ 640 - 690 Н/мм² (категории прочности Х75 - Х80), что обусловило переход от сталей перлитно-ферритного класса к сталям с микроструктурой, состоящей из смеси полигонального и игольчатого феррита (малоуглеродистого верхнего бейнита) или только из игольчатого феррита. Для получения только игольчатого феррита в трубных сталях подавляют распад аустенита в ферритно-перлитной области и смещают структурные превращения в верхнюю часть промежуточной области за счет легирования стали элементами, регулирующими кинетику превращения (молибден, никель, марганец, бор), или ускоренного охлаждения стали в области температур 800 - 650 Сº. Наличие субструктуры игольчатого феррита с высокой прочностью дислокаций, а так же упрочнение металла выделениями дисперсных частиц карбонитридных фаз придают стали высокую прочность. Игольчатый феррит формируется после контролируемой прокатки из рекристаллизованного мелкозернистого или нерекристаллизованного аустенита, что обеспечивает ему мелкозернистое строение и высокое сопротивление хрупкому разрушению /4/.

Вывод

 

Контролируемая прокатка обеспечивает значительное повышение комплекса механических свойств (прочности, пластичности, ударной вязкости, сопротивлении хрупкому разрушению) низколегированных сталей в горячекатаном состоянии. Одним из ее важнейших преимуществ является возможность получения вязких свойств на уровне, соответствующем нормализованному состоянию, при значениях прочностных характеристик, свойственных горячекатаной стали. В результате этого при контролируемой прокатке из технологического цикла исключается такой вид термической обработки как нормализация; снижается углеродный эквивалент низколегированных сталей при сохранении прочностных свойств на достаточно высоком уровне. В ряде случаев, например при обработке, малоперлитных сталей, контролируемая прокатка является необходимой операцией, поскольку иным способом не удается реализовать преимущества этих сталей.

Трубные стали в сейсмических опасных районах должны быть изготовлены из стали, которая не только обеспечивает их высокую прочность и вязкость, но и достаточную деформируемость при монтаже и эксплуатации трубопроводов.

Список используемой литературы

 

1. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка: Металлургия / В.И. Погоржельский, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов и др. 1979 г.184 с.

2. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла: Металлургия, 1986 г.151 с.

3. Коликов А.П. Производство стальных труб для магистральных трубопроводов в Росси // Черные металлы - 2008 г. - ноябрь - с.8 - 11.

4. Кичкин А.А. Влияние ускоренного охлаждения после контролируемой прокатки на структуру и свойства стали / А.А. Кичкин, М.Ю. Мотросов, И.В. Дубинин // Сталь - 2006 г. - № 11 - с.125 - 127.

5. Салганик В.М. Моделирование и разработка эффективной технологии контролируемой прокатки трубных сталей с заданным комплексом механических свойств / В.М. Салганик, О.Н. Сычев // Металлург - 2009 г. - № 5 - с.36 - 46.

6. Матросов М.Ю. Имитация процессов структурообразования в трубных сталях при контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением / М.Ю. Матросов, А.А. Кичкин, А.А. Ефимов // Металлург - 2007 г. - № 7 - с.59 - 64.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: