УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
2. СТАЛИ ДЛЯ ТРУБ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ Во второй половине XX в. магистральные трубопроводы динамично развивались по всем основным параметрам; диа- 25 метру труб, величине рабочего давления, дальности перекачки. Заметно снизилась температура транспортируемого газа, резко возросла мощность газопроводов. В короткий исторический срок была создана новая, важ- ная отрасль народного хозяйства — трубопроводный транс- порт, предназначенный для доставки нефти, газа и их продук- тов на дальние расстояния. Причем нефть и газ становятся од- ним из основных источников энергии и сырья для многих от- раслей народного хозяйства, а их доля в топливно- энергетическом балансе страны составляет примерно 70 %. Бурное развитие трубопроводного транспорта потребова- ло высоконадежных труб и соответствующего развития метал- лургической промышленности, как в количественном, так и в качественном отношении. Влияние магистральных трубопроводов на развитие ме- таллургической промышленности особое. Можно без большо- го преувеличения сказать, что требования, выдвигаемые этой отраслью, способствовали коренному усовершенствованию технологии производства стали в части методов ее легирова- ния и очистки от вредных примесей и разработки нового про- цесса прокатки. Применение контролируемой прокатки обес- печило широкую возможность управлять структурной и свой- ствами стали. Нефтяная и газовая отрасли промышленности как веду- щие в народном хозяйстве являются крупными потребителями стали и труб. Надежная работа магистральных трубопроводов оказывает большое влияние на многие отрасли промышленно- сти, особенно на работу предприятий с непрерывным циклом производства, потребляющих транспортируемые по трубопро- водам продукты в качестве сырья и источников энергии. Раз- рушения трубопроводов крайне опасны для близко располо- женных сооружений, людей и окружающей природы. Напри- мер, разрушение нефтепровода может нарушить экологиче- ское равновесие крупного района на продолжительный срок. Все изложенное обусловливает особо жесткие требова- ния, которые предъявляются к надежной, безотказной работе 26 магистральных трубопроводов в течение многих лет их экс- плуатации. Большое народнохозяйственное значение магист- ральных газонефтепроводов, необходимость исключения хрупких разрушений «лавинного» типа и протяженных вязких разрывов потребовали производства стали высокой вязкости и хладостойкости. Таких требований не предъявляли к метал- лургической промышленности никакие другие потребители. Сложность производства высококачественных сталей усугублялась большой потребностью нефтяной и газовой от- раслей промышленности в трубах, измеряемой несколькими миллионами тонн в год. Необходима не только качественная, по и дешевая массовая сталь, которую можно поставлять в больших количествах, не прибегая к ее легированию дорого- стоящими и дефицитными элементами. Примерно до 1960 г., когда диаметр магистральных тру- бопроводов не превышал 820 мм, а рабочее давление — 5,5 МПа и строительство осуществлялось в средней и южной по- лосе страны, производство сталей для труб не представляло особой сложности. Трубы изготавливали при диаметре менее 500 мм из стандартных углеродистых сталей различных марок, а при диаметре 530—820 мм — из простых горячекатаных низколегированных или нормализованных сталей. Много вни- мания уделяли получению наиболее дешевых труб, в частно- сти труб из полуспокойных сталей и наиболее простых по со- ставу марганцевистых сталей типа 19Г. В этот период требо- вания по вязкости сталей для труб не предъявлялись. Однако с конца 50-х годов после широкого распространения метода производства прямошовных труб на прессах и правки их в экспандерах когда наклеп и связанное с ним повышение пре- дела текучести и временного сопротивления разрыву рассмат- ривали как способ повышения прочности стали труб, резко возросло число разрушений по основному металлу труб при испытании их на прочность и в процессе эксплуатации. С уве- личением диаметра газонефтепроводов до 1020 мм потребова- лось повысить надежность труб, повысить прочность и вяз- кость стали, так как простые марганцевистые стали, не позво- 27 лили надежно решить эту проблему. В 60-70 х. годах прошлого столетия были проведены большие работы по созданию недорогих низколегированных сталей с гарантированной вязкостью на основе легирования их марганцем и кремнием. Лучшей из них была сталь типа 17Г1С и ее модификации. Были улучшены методы выплавки и рас- кисления стали в целях повышения ее однородности и сниже- ния вредных примесей. Листопрокатные цехи перешли на по- перечную прокатку металла, когда лист раскатывался в на- правлении, перпендикулярном к оси слитка. Была разработана технология обработки стали синтетическими шлаками, что значительно повышало характеристики ее по вязкости и пла- стичности. В это же время были разработаны и опробованы при производстве труб первые нормализованные дисперсион- но-упрочненные стали типа 15Г2СФ и другие, однако для их выплавки уже требовался ванадий и другие карбидо- и нитри- дообразующие элементы. В результате проведенных работ временное сопротивле- ние разрыву металла труб было повышено с 480 до 520—540 МПа, введены сдаточные требования по ударной вязкости (KCU- 40 ≥0,3 МДж/м 2 ). Полученные стали, позволили доста- точно надежно обеспечить работоспособность труб диаметром до 1020 мм при положительной температуре перекачки газа. Однако даже высококачественные нормализованные ста- ли не обеспечивали удовлетворительное сопротивление хруп- кому распространению разрушений по газопроводу при тем- пературе эксплуатации от —5 до —15 °С, что необходимо для газопроводов, эксплуатирующихся в северных районах стра- ны. В связи с переходом в начале 70-х годов на строительство газопроводов диаметром 1420 мм с рабочим давлением 7,5 МПа потребовалась разработка принципиально новых типов сталей, получаемых методом контролируемой прокатки. В на- стоящее время это основной тип стали для труб диаметром 1020— 1420 мм при давлении 7,5 МПа. Изложенное показывает, что стали, применяемые для из- 28 готовления труб магистральных газонефтепроводов и промы- словых сетей, можно укрупнено свести к трем основным ти- пам: углеродистые; низколегированные на базе марганца и кремния; стали контролируемой прокатки. В настоящей главе показаны технические возможности различных типов сталей и рациональные области их примене- ния в газонефтепроводах. 2.1. Основные понятия о стали Сталь — сплав железа с углеродом, включающий ряд примесей. Например, строительная углеродистая сталь может содержать углерода 0,04—0,3 %, марганца 0,1 — 1 %, кремния до 0,4%, серы и фосфора обычно не более 0,04%. В низколе- гированную сталь вводят специальные легирующие элементы с целью получения определенных ее свойств. В строительные низколегированные стали вводят марганец, кремний, а также микролегирующие элементы — ванадий, ниобий, титан и др. Низколегированная сталь маркируется цифрами и буквами. Например, в стали, маркированной шифром 09Г2ФБ, первые цифры 09 показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, первая буква Г — основной легирующий эле- мент (в данном случае марганец), причем следующая за бук- вой цифра показывает его количество — до 2%, буквы Ф и Б —другие легирующие элементы (в данном случае ванадий и ниобий), а так как цифр за ними не стоит, то их количество со- ставляет менее 1%. При маркировке сталей приняты сле- дующие обозначения элементов: С — кремний, X —хром, Т — титан, М — молибден, Ю — алюминий, Р — бор, Д —медь, Н — никель, О — кислород, А— азот и т. д. 2.1.1. Производство стали Основной объем стали для производства труб выплавля- 29 ется в мартеновских печах и кислородно-конверторных агрега- тах, а в небольших объемах — в электропечах. Объем стали, выплавляемой в кислородных конвертерах, из года в год уве- личивается. Основное преимущество этих агрегатов — высо- кая производительность. Качество кислородно-конвертерной стали существенно зависит от степени чистоты применяемого для продувки кислорода. Фактически мартеновская и кисло- родно-конвертерная сталь применяется для изготовления труб на равных условиях, На качество и свойства стали большее влияние, чем метод выплавки, оказывают степень раскисления, характер микролегирования, методы прокатки и другие про- цессы производства. По степени раскисления в процессе выплавки стали под- разделяются на кипящие, т. е. не раскисленные кремнием, на полуспокойные, содержащие 0,04—0,15% кремния, и спо- койные, в которых количество кремния составляет 0,16— 0,30%- Кроме кремния, спокойные стали раскисляются алюми- нием. Полуспокойная и кипящая стали, характеризуются наи- меньшей однородностью. Однако при их производстве обеспе- чивается максимальный выход годного металла, это наиболее дешевые сорта стали. Спокойная сталь более однородна по со- ставу, однако выход годного металла при ее производстве на 12—15% меньше, чем при выплавке полуспокойной и ки- пящей сталей, так как у слитка обрезается верхняя прибыльная часть, в которой сосредоточивается основное количество, примесей, загрязняющих сталь. Окончательное раскисление низколегированных сталей алюминием и кальцием, их модификация редкоземельными металлами (РЗМ) производится в разливочном ковше с целью улучшения структуры катаной стали, регламентации количе- ства и формы неметаллических включений. Обработка стали в ковше РЗМ устраняет прочные остроугольные включения в металле, являющиеся концентраторами напряжений, перево- дит остатки оксидов и сульфидов в прочные глобулярные включения, не снижающие работоспособность стали. С повы- шением чистоты стали, ее однородности увеличиваются вяз- 30 кость и пластичность, улучшается свариваемость, повышается сопротивление стали разрушению в конструкции. В низколе- гированных сталях лучшее сочетание свойств достигается при содержании алюминия в металле от 0,02 до 0,05%. Макси- мальное снижение загрязненности, практическое отсутствие строчечных включений и остроугольных оксисульфидов, яв- ляющихся концентраторами напряжений, достигается при со- вместном введении в сталь алюминия {0,02—0,05%), кальция (около 0,003%) и церия (0,01—0,03%) [19]. Такая обработка стали в ковше позволяет снизить индекс загрязненности неме- таллическими включениями в 3—7 раз, при этом оставшиеся включения прижимают глобулярную форму. Вместе с тем эта обработка стали способствует снижению содержания в метал- ле газов — кислорода и азота. В результате пластичность и вязкость стали достигают возможного максимума, заметно улучшается свариваемость. Условия выплавки (кипящая, полуспокойная, спокойная) были важными технологическими параметрами процесса про- изводства стали до применения метода непрерывной разливки. В процессе кристаллизации и охлаждения стали в изложницах в зависимости от их типа неметаллические включения и газы б значительной части могли быть удалены, в частности, при об- резке прибыльной части слитка. Принимались также меры по наиболее равномерному распределению включений по слитку — кипящая закупоренная и полуспокойная стали. 2.1.2. Непрерывная разливка стали Примерно в 70-х годах в металлургической промышлен- ности нашей страны и за рубежом широкое распространение получил метод разливки стали в специальных установках не- прерывной разливки. В этих установках жидкий и частично закристаллизовавшийся металл непрерывно перемещается от- носительно места заливки в специальных кристаллизаторах, образуя слиток неограниченной длины, который на выходе из установки разрезается на слябы размерами, кратными разме- 31 рам будущего листа или другого проката. Процесс кристалли- зации металла при непрерывной разливке протекает на всей длине разливочной машины. В момент заливки сталь кристал- лизуется по поверхности, затем при перемещении слитка в кристаллизаторах на протяжении нескольких десятков метров (вплоть до его выхода из установки непрерывной разливки) кристаллизуется все сечение слитка. Метод непрерывной разливки стали был разработан в нашей стране. Он быстро получил мировое признание, так как обеспечивал наиболее полный выход годного металла, резкое повышение производительности и улучшение условий труда в металлургической промышленности при практически полном устранении тяжелых ручных операций. Заметно снизилась се- бестоимость стали. Однако метод непрерывной разливки ме- талла вызвал ряд трудностей при производстве качественной стали для труб мощных газопроводов. При непрерывной разливке отсутствует возможность до- полнительной очистки стали от вредных примесей, как это имеет место при разливке металла в изложницах, когда неме- таллические включения и газы в значительной степени всплы- вают и сосредоточиваются в прибыльной части, которая затем обрезается. При непрерывной разливке все вредные примеси, имеющиеся в стали, остаются в прокате. Поэтому для получе- ния высококачественной стали, необходимой для производства труб, потребовалось обеспечивать как можно более полную очистку чугуна и стали в процессе их выплавки и разливки. Для этого применяют продувку жидкого металла аргоном, ва- куумирование, обработку стали в ковше синтетическими шла- ками, а также модификацию жидкой стали в ковше кальцием, алюминием и редкоземельными металлами. При методе непрерывной разливки оставшиеся в стали примеси сосредоточиваются по центру слитка, в результате чего образуется расслоение в центральной по толщине зоне листа или ярко выраженная ликвационная полоса. Поэтому для получения качественной листовой или рулонной стали из сля- ба, полученного методом непрерывной разливки, необходимо 32 в процессе кристаллизации непрерывного слитка применять метод магнитного перемешивания его центральной, еще жид- кой зоны. Магнитное перемешивание обеспечивает равномерное распределение оставшихся примесей по сечению металла и позволяет устранить или значительно уменьшить ликвацион- ные скопления в центральной по толщине зоне листа, а также слоистость металла. Скопления ликвационных включений в металле могут вызывать зарождение трещин в швах при свар- ке. Слоистость не наблюдается в листовой стали, прокатанной из обычного слитка, полученного в изложницах, и в термиче- ски обработанной стали непрерывной разливки. 2.1.3. Влияние слоистости стали на сопротивляемость разрушению металла труб С изменением методов разливки и прокатки сталей для труб современных магистральных трубопроводов изменился и вид вязкого излома при разрушении. Увеличились шерохова- тость поверхности и размеры волокнистости в изломе. Харак- терной особенностью стало образование слоистости, ориенти- рованной параллельно поверхности излома. Слоистость обра- зуется как в среднем по толщине стенки трубы сечении, так и в приповерхностных зонах. В изломах труб наблюдаются: слои- стые вырывы длиной 10—15 мм, глубиной до 5 мм с макси- мальным раскрытием до 1,5 мм. Слоистость в изломе выявля- ется также при ударных испытаниях полнотолщинных образ- цов DWTT и стандартных по Шарпи. Испытания образцов различного типа из сталей контро- лируемой прокатки показали, что изломы полнотолщинных образцов наиболее близко соответствуют изломам в трубах по характеру слоистости и количеству расслоений на единицу по- верхности излома. Склонность стали к образованию слоисто- сти в изломе определяют по результатам испытаний образцов DWTT согласно формуле 33 i l C S , где С — индекс слоистости (1/мм); l i — длина каждого расслоения более 1 мм; S— площадь излома образца, мм 2 Вопрос о взаимосвязи образующейся в изломе труб слои- стости и сопротивляемости вязким разрушениям трактовался исследователями неоднозначно. Чтобы установить, является ли образование слоистости дефектом стали или, наоборот, фактором, повышающим со- противление разрушению, ряд фирм по производству труб провел специальные натурные испытания отрезков газопрово- дов. Исследовали стали контролируемой прокатки, склонные к образованию слоистого излома, и термообработанные (закалка с отпуском) высокопрочные вязкие стали, разрушающиеся без образования слоистости. Испытания отрезков газопроводов проводили по методике, изложенной в гл. 1. По результатам испытаний (рис. 6) видно, что сопротив- ляемость вязким разрушениям, характеризуемая средней ско- ростью распространения трещины, в трубах из исследуемых сталей примерно одинакова при одинаковой вязкости металла. При среднем значении ударной вязкости KCV 2/3 0,55— 0,6 МДж/м 2 в трубах 1 испытываемого отрезка среднее значение скорости v составляет 260—275 м/с. При KCV 2/3 = 0,85 МДж/м 2 в трубе 3 из стали контролируемой прокатки и в трубе 2 из термообработанной стали v=180 м/с. 34 Рис. 6. Изменение скорости распространения разрушения при испытании отрезка газопровода 1420x17 мм длиной 200 м из стали Х-70 контролируемой прокатки и стали Х-80 термообра- ботанной; давление разрушения р р = 8 МПа; ПИ — пределы изменения КСУ; ЛР — линия разрыва Слоистость проявляется только в процессе динамическо- го разрушения труб или образцов и не связана с нарушением цельности сечения при производстве листовой стали. В этом случае, как показали приведенные выше исследования, обра- зование слоистости при разрушении не оказывает отрицатель- ного влияния на сопротивление металла труб разрушению в магистральных газопроводах. Так как слоистость изломов ме- талла труб все же связана с определенным несовершенством структуры, металлургические мероприятия, направленные на снижение склонности сталей контролируемой прокатки к слоистости, обеспечат дальнейшее повышение качества стали и стабильности свойств. 2.1.4. Контролируемая прокатка стали Процесс контролируемой прокатки разработан для полу- чения в листовой стали, микролегированной карбонитридами, наиболее высокого комплекса свойств путем придания ей осо- бой структуры. С этой целью прокатка осуществляется по спе- 35 циально разработанной программе, основанной на оптималь- ной комбинации температуры металла и величины обжатия стали с условиями выделения карбонитридов, обеспечиваю- щей получение заданной структуры. Для эффективного осуществления контролируемой про- катки химический состав стали должен быть выбран в соответ- ствии с количеством основных легирующих элементов— угле- рода, марганца, кремния и микролегирующих добавок—- ванадия, ниобия или других аналогичных по действию элемен- тов. Сталь должна быть достаточно полно очищена от вредных примесей, в первую очередь от серы, обработана РЗМ с тем, чтобы исключить образование вытянутых строчечных и ост- роугольчатых включений. Прокатка стали должна производиться на мощных ста- нах, позволяющих обеспечить нужную степень обжатия в дос- таточно широком диапазоне температур металла. В целом при контролируемой прокатке, программируя выделение карбонитридной фазы в процессе горячего дефор- мирования, получают сталь с наиболее высокими показателя- ми по прочности, вязкости и хладостойкости при минималь- ном легировании. Для дальнейшего повышения свойств стали сразу же после окончания цикла контролируемой прокатки (после чистовой клети) в интервале температур от 800—700 до 500—400 °С осуществляется ускоренное регулируемое охлаж- дение в специальных установках. Эта операция позволяет за- вершить структурные превращения в нужном направлении, дополнительно повысить прочностные свойства стали практи- чески без снижения характеристик вязкости и хладостойкости. Сочетание высокой степени очистки стали от вредных примесей, ее микролегирование карбидообразующими элемен- тами с процессами непрерывной разливки и контролируемой прокатки позволили в 70-х годах получить особо качествен- ную сталь для производства труб при минимальном расходе дорогих и дефицитных легирующих элементов. Все это сдела- ло возможным быстрый прогресс в строительстве мощных га- зопроводов, эксплуатирующихся в сложных климатических |