УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
2.2. Углеродистые стали Для производства труб применяется сталь углеродистая обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380—71 группы «В», т. е. с гарантией механических свойств и химиче- ского состава, марок ВСт. 2, ВСт. 3 и редко ВСт. 4. Бесшовные трубы чаще изготавливают из качественных конструкционных углеродистых сталей марок 10—20, которые поставляются по ГОСТ 1050—74. В зависимости от степени раскисления все углеродистые стали могут поставляться кипящими, полуспо- койными и спокойными. Химический состав сталей и их механические свойства определяются государственными стандартами в зависимости от марки и степени раскисления. В табл. 1 и 2 приведены ме- ханические свойства и химический состав спокойных сталей в листах толщиной до 25 мм. Содержание азота в углеродистых сталях не должно быть более 0,008%. Кроме оговоренных в табл. 1 свойств, ГОСТ 1050—74 для сталей марок 10 и 20 регламентирует твердость и некоторые элементы структуры. ГОСТ 380—71 предусматри- вает также производство углеродистой стали, упрочненной марганцем. В этом случае в маркировку стали вводится буква Г и сталь маркируется>ВСт. ЗГ. Применительно к условиям работы металла в напорных трубопроводах разница между уг- леродистыми сталями, поставляемыми по ГОСТ 380—71 и 1050— 74, незначительна. 37 Таблица 1 Свойства углеродистых спокойных сталей Марка σ В , МПа σ 0,2 , МПа 5 , % Ψ, % KCU +20 , МДж/м 2 KCU -20 , МДж/м 2 ВСт. 2 Сталь 10 ВСт. 3 Сталь 20 ВСт. 4 340-420 Не менее 340 380-490 Не менее 420 420-540 220 210 250 250 270 32 31 26 21 24 55 55 - - - - При толщине 5-9 мм 0,8 0,4 При толщине 10-30 мм 0,7 0,3 - - При толщине 5-9 мм 0,7 - При толщине 10-25 мм 0,6 - Таблица 2 Химический состав углеродистых спокойных сталей (%) Марки Углерод Марга- нец Кремний Фосфор Сера ВСт. 2 Сталь 10 ВСт. 3 Сталь 20 ВСт. 4 0,09— 0,15 0,07— 0,14 0,14— 0,22 0,17— 0,24 0,18— 0,27 0,25— 0,50 0,25— 0,65 0,40— 0,60 0,25— 0,65 0,40— 0,70 0,12— 0,30 0,17— 0,37 0,12— 0,30 0,17— 0,37 0,12- 0,30 Не более 0,040 0,035 0,040 0,035 0,040 0,05 0,04 0,05 0,04 0,05 38 Спокойные углеродистые стали более качественны, име- ют однородный химический состав, но более дорогостоящи. Качество поверхности спокойной листовой стали, может быть хуже, чем у кипящих марок. Структура кипящих сталей наи- менее Однородна из-за сегрегации углерода, серы и фосфора. При исследовании отдельных разрушений сварных конструк- ций, выполненных из кипящих сталей, в зоне разрушения об- наруживалось удвоенное содержание углерода и серы против сертификатных данных. Фактическое количество серы дохо- дило до 0,1 %. По литературным данным, в зависимости от размера слитка массой 1—8 т в зоне сегрегации содержание элементов может превышать сертификатные данные по угле- роду в 1,6— 3,5 раза, по сере — в 3—10 раз. В спокойных ста- лях сегрегация незначительна. Неоднородность химического состава у кипящих и полуспокойных углеродистых сталей вы- зывает известную разницу свойств в различных частях листа. Так, против сертификатных данных разница свойств у кипя- щей стали может доходить по временному сопротивлению разрыву до 70 МПа, а у спокойных — до 25 МПа, по пределу текучести — соответственно до 50 и 30 МПа. Значения ударной вязкости спокойной и полуспокойной листовой стали ВСт. 3 при толщинах до 10 мм и .положительных температурах достаточно близкие, однако при температуре ниже 0 °С вязкость полуспокойных сталей снижа- ется быстрее и при —20 °С может составлять менее 0,2 МДж/м2. У кипящей углеродистой стали с понижением темпе- ратуры ударная вязкость падает еще быстрее, и удовлетвори- тельные значения на уровне 0,3—0,4 МДж/м2 она имеет толь- ко при положительной температуре. Ударная вязкость и хла- достойкость углеродистых сталей заметно снижаются с увели- чением толщины листа. Опыта применения труб из кипящих углеродистых сталей для газонефтепроводов практически нет. Имеется ограничен- ный опыт строительства городских газопроводов на давление менее 1,2 МПа диаметром 530 мм из труб, изготовленных из кипящей стали. ВНИИСТом был проведен ряд исследований 39 сварных труб 219x6 мм из кипящей стали марки 10 кп и труб 168x6 мм из полуспокойной стали 10 пс, а также из листовой углеродистой стали ВСт. ЗГ, ВСт. Зсп, ВСт. Зпс и ВСт. 3 кп толщиной 8—10 мм. Исследования на большой партии труб (более 100 и око- ло 1200 образцов) диаметром 219 и 168 мм при толщине стен- ки 6 мм позволили установить, что фактические значения рас- четных характеристик стали труб (временного сопротивления и предела текучести) превышали требования государственного стандарта особенно по величине предела текучести (при норме не менее 250 МПа фактические значения составляли более 300 МПа). Прочностные и пластические свойства сталей 10 кп и 10 пс практически равноценны: σ В ≥420 МПа, σ 0,2 ≥250 МПа. Вяз- кость стали труб оценивали на поперечных образцах 5х10x55 мм с надрезом Менаже. Результаты испытаний по данным бо- лее 600 образцов приведены в табл. 3 Вязкость кипящей стали толщиной 6 мм стабильна и дос- таточно удовлетворительна по величине только при 0 °С и выше. Хладостойкость стали удовлетворительна только при 10 °С и выше (В≥50%). Вязкость полуспокойной стали удовле- творительна при температуре до —10 °С, а хладостойкость— при температуре до —5 °С. Таблица 3 Ударная вязкость и волокно в изломе (образцы Менаже) угле- родистых сталей Мар ка KCU +20 , МДж/м 2 В, % KCU 0 , МДж/м 2 В, % KCU -20 , МДж/м 2 В, % 10кп 10пс Более 0,7 0,8-1,2 75—100 90—100 Более 0,5 0,0—1,0 25 40—75 0,2—0,4 0,3—0,6 10 15—50 Исследования сопротивления зарождению трещин в ос- новном металле и сварных соединениях труб диаметром 168 и 219 мм с толщиной стенки 6 мм из кипящей и полуспокойной сталей марки 10 были проведены на коротких патрубках ши- риной 100 мм. Патрубки испытывались на сплющивание при Т 40 = 20÷-20°С. При оценке сопротивления сварного соединения зарождению трещин швы труб располагали в растянутой зоне, а при испытании основного металла — в сжатой зоне. При оценке сопротивления зарождению трещин основного металла труб на части патрубков наносили надрез глубиной 1 — 1,5 мм при радиусе дна надреза 0,5 мм. Проведенные исследования показали следующее: в основном металле стали 10 при испытании более 150 патрубков без надреза из кипящих и полуспокойных плавок ни в одном случае зарождения трещин не наблюдалось; при испытании 90 патрубков с надрезом по основному металлу зарождение трещин наблюдалось у кипящих сталей при деформации в зоне надреза 4,5—5, у полуспокойных ста- лей— 3—10%, т. е. стали кипящих и полуспокойных плавок при толщине 6 мм и диаметре труб 168 и 219 мм имели отно- сительно удовлетворительное сопротивление зарождению трещин; в сварном соединении труб при испытании более 100 патрубков наблюдалось раскрытие швов, сваренных токами высокой частоты, у трех патрубков из кипящей стали 10 и у четырех патрубков из полуспокойных сталей, что свидетельст- вует о недостаточно стабильном качестве заводского продоль- ного шва труб; у всех исследованных вариантов труб не установлено влияние температуры испытания в диапазоне от 20 до —20 °С на зарождение трещин. Результаты исследований показывают целесообразность применения указанного типа сталей для городских газовых се- тей с давлением до 1,2 МПа и нефтегазопроводов при положи- тельной температуре эксплуатации. Поскольку применение кипящих и полуспокойных сталей позволяет увеличить выход годного проката на 8—12 % и снизить себестоимость произ- водства 1 т труб, были проведены более широкие исследова- ния листовых (толщиной 8—10 мм) сталей углеродистых ма- рок, в том числе упрочненной марганцем ВСт. ЗГ и обычной ВСт. 3 — спокойной, полуспокойной и кипящей. 41 Таблица 4 Свойства углеродистых сталей (круглые образцы) Марка σ 0,2 , МПа σ В , МПа σ 5 , % Ψ, % ВСт.ЗГ 300 500 29 65 ВСт.Зсп 250 420 30 60 ВСТ.Зпс 250 450 30 60 ВСт.Зкп 240 420 30 60 По ГОСТ 380—71 250 380—490 26 — Таблица 5 Ударная вязкость и волокно в изломе углеродистой стали (об- разцы Менаже) Марка KCU +20 , МДж/м 2 В, % KCU 0 , МДж/м 2 В, % KCU -20 , МДж/м 2 В, % Не менее ВСт.3Г ВСт.3сп ВСт.3пс ВСт.3кп по ГОСТ 380-71 ВСт.3сп 0,8 80-90 0,7 95-100 0,6 60-70 0,6 70-80 0,7 - 0,6 50-70 0,6 80-95 0.4 30-40 0.4 30-45 - - 0,50 20-30 0,15-0,60 45-55 0,30 5-10 0,25 5-10 Более 0,3 - Химический состав сталей удовлетворял требованиям ГОСТ 380—71, а содержание углерода в плавках соответство- 42 вало верхнему пределу марочного состава — 0,19—0,23%. Свойства указанных сталей в горячекатаном состоянии на круглых образцах диаметром 6 мм приведены в табл. 4 Хладостойкость и вязкость стали определяли на попереч- ных к оси проката образцах Менаже (табл. 5). Полученные данные показывают, что горячекатаная лис- товая сталь ВСт. ЗГ толщиной 8—10 мм (упрочненная марган- цем) и ВСт. Зсп по вязкости и хладостойкости практически равноценны. Временное сопротивление стали ВСт.ЗГ (500 МПа) заметно выше сопротивления стали ВСт.Зсп (420 МПа), однако в ГОСТ 380—71 гарантируемые свойства обеих угле- родистых марок стали практически равноценны, что не позво- ляет использовать повышенную прочность ВСт.ЗГ. Зависимость ударной вязкости углеродистых сталей от температуры при толщинах 6—10 мм показана на рис. 7. Как видим, все исследованные марки углеродистой стали имеют, как правило, стабильную вязкость при температурах 20 °С и выше. В интервале температур от 20 до 0 °С вязкость заметно снижается, и тем больше, чем толще листовая сталь. Углеро- дистые стали толщиной 8—10 мм при температуре от 0 до — 10 °С не во всех случаях обеспечивают стабильное сопротив- ление вязкому разрушению применительно к условиям газо- проводов. При использовании сварных труб диаметром менее 530 (мм из углеродистой стали необходимо учитывать, что они изготавливаются в основном из широкополосной стали тол- щиной 5, 6 и 8 мм (редко выше), свойства которой (прочность, хладостойкость и вязкость) повышаются по мере уменьшения толщины стенки. В настоящее время, когда в металлургической промыш- ленности все шире применяются методы непрерывной разлив- ки и заметно снизилось количество вредных примесей в стали, экономические показатели и свойства сталей улучшаются, ус- ловия применения качественно выполненной углеродистой стали непрерывной разливки можно расширить. Опыт приме- нения улучшенной углеродистой стали ВСт.З при строитель- стве резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов пока- 43 зывает, что углеродистые стали могут обеспечивать гаранти- рованную вязкость до температуры —40 °С и хладостойкость до —10 °С. Рис. 7. Зависимость ударной вязкости KCU листовой угле- родистой стали (образцы Менаже) от температуры испыта- ния и толщины листа:1 —сталь 10пс, h=6,8 мм; 2- Ст.Зсп, h=8— 10 мм; 3 — ВСт.Зпс и ВСт.Зкп, h = 8—10 мм 44 Рис. 8. Зависимость волокнистой составляющей в изломе от толщины образцов из углеродистых сталей при тем- пературе испытания 20 °С (а) и —20 °С (б): 1 - ВСт.Зсп; 2 — ВСт.ЗГ; 3 — ВСт.Зпс; 4 — ВСт.Зкп 2.3. Низколегированные феррито-перлитные стали При изготовлении труб для магистральных газонефте- проводов применяется несколько марок низколегированных сталей, поставляемых в горячекатаном или в нормализованном состоянии. Для труб диаметром 530—820 им используется го- рячекатаная сталь 17ГС, а также стали 09Г2, 10Г2С в различ- ных модификациях, для труб диаметром 1020—1220 мм — простые нормализованные стали 17Г1С-У и в опытном поряд- ке стали 15Г2АФЮ, упрочненные нитридами алюминия, и 13Г2АФ, упрочненные нитридами ванадия и др. 45 2.3.1 Влияние химических элементов на свойства феррито-перлитных сталей Как уже указывалось, основными элементами, применяе- мыми при производстве стали для труб, являются углерод, марганец и кремний, а также раскисляющие и микролегирую- щие элементы — ванадий, ниобий, титан, алюминий и редко- земельные металлы. Кроме названных элементов, в состав ста- ли неизбежно входят вредные примеси — сера и фосфор, а также газы — кислород, азот и водород. Рассмотрим влияние различных элементов на свойства стали. За последнее время хотя и появились новые марки стали для труб, но подход к созданию и производству нормализованных низколегирован- ных сталей не изменился, а принципиально новые типы ста- лей, получаемые контролируемой прокаткой, будут рассмот- рены ниже. Прежде чем рассматривать влияние химических элемен- тов на свойства стали, уточнить понятие «хладостойкость». Многие специалисты под хладостойкостью понимают обеспе- чение определенной величины ударной вязкости на образцах Менаже (KCU) или Шарпи (KCV) при заданной температуре. Для стали труб магистральных газопроводов такое понятие недостаточно, так как металл труб должен предупреждать об- разование протяженных вязких разрушений, а также хрупких разрушений лавинного типа. Поэтому хладостойкостью стали в газопроводах следует считать способность металла при за- данной температуре обеспечивать вязкий характер излома труб в условиях высокоскоростного распространения разру- шения. Хладостойкость стали труб обычно оценивают количе- ством вязкой составляющей в изломе полнотолщинных круп- норазмерных образцов типа ДWТТ, а при толщине стенки труб менее 10 мм — на стандартных ударных образцах. Сопротив- ление стали протяженному вязкому разрушению определяют по работе, поглощенной образцом ДWТТ при разрушении, или по величине ударной вязкости на образцах с острым надрезом, испытанных при минимальной температуре эксплуатации га- 46 зопроводов. Углерод повышает прочность стали, но снижает ее вяз- кость и ухудшает свариваемость. Поэтому количество углеро- да в низколегированных сталях для труб строго регламентиру- ется— не более 0,20—0,22 %. Однако во многих марках стали для труб в зависимости от содержания марганца и кремния ко- личество углерода принимают значительно меньшим. Влияние углерода на вязкость стали зависит от состояния металла, осо- бенно от вида термической обработки. Неблагоприятное влия- ние углерода на вязкость усиливается после отжига, а норма- лизация и термическое улучшение повышают вязкость. Отри- цательное влияние углерода также может быть уменьшено пу- тем повышения однородности металла раскислением и моди- фикацией в ковше, т. е. уменьшением развития ликвационных процессов при кристаллизации стали, обеспечением макси- мально дисперсного строения. Марганец повышает прочность стали и в определенных пределах улучшает вязкость. Марганец способствует измель- чению зерна и повышает дисперсность карбидов. Положи- тельное влияние марганца может быть усилено введением в сталь карбидообразующих элементов, обычно титана или нио- бия, которые в определенной концентрации повышают ее прочностные характеристики и вязкость. Влияние марганца необходимо рассматривать совместно с углеродом. В сталях для труб содержание марганца практи- чески во всех марках ограничено 2%. При введении в сталь марганца более 2 % наблюдается заметное снижение вязкости. Положительное влияние марганца особенно хорошо проявля- ется при пониженном содержании углерода, поэтому такие марки стали, как 10Г2С и особенно 09Г2, применяются для производства труб в северном исполнении. Наиболее высокую вязкость имеют стали при отношении количества марганца к углероду более 7. Кремний в количестве до 0,2—0,3 % применяется как раскислитель стали в процессе плавки. Кремний связывает ки- слород и способствует повышению прочности и вязкости ста- 47 ли. Опыт применения кремения для упрочнения низколегиро- ванных сталей труб неоднозначен. Считают, что содержание кремния более 0,5—0,6 % снижает вязкость и ухудшает свари- ваемость стали. В то же время имеется многолетний опыт про- изводства и применения стали МК (в новой маркировке 09Г2СД) с содержанием кремния до 0,8 % в газонефтепрово- дах диаметром 530—620 мм. Большое применение находят стали 17ГС с содержанием кремния до 0,6%. Следовательно, при рациональном сочетании углерода, марганца и кремния можно получать качественные стали повышенной прочности и вязкости. Известны также марки стали для труб с содержанием кремния до 1 %. Однако в газонефтепроводах они не приме- няются. Дальнейшее повышение вязкости стали, легированной кремнием, может быть достигнуто путем совершенствования процессов выплавки, раскисления и модификации, более пол- ной очистки стали от вредных примесей и усовершенствова- нием методов прокатки. Алюминий является сильным раскислителем и одновре- менно оказывает эффективное модифицирующее действие на сталь. Последнее связано с выделением нитридов в процессе охлаждения стали. Алюминий в отличие от таких модифика- торов, как титан, ниобий, ванадий, не образует карбидов. Нит- риды алюминия препятствуют росту аустенитного зерна и приводят к образованию мелкозернистой вторичной структу- ры. Связывая свободный азот, алюминий снижает склонность стали к старению. Раскисление алюминием снижает темпера- туру перехода в хрупкое состояние, повышает прочность и улучшает свариваемость стали. Оно особенно эффективно, ко- гда выполняется вместе с кремнием. Важным преимуществом раскисления алюминием является то, что при этом практиче- ски не повышается стоимость стали. Количество вводимого алюминия должно быть строго ограничено. Остаточное количество его в стали не должно превышать 0,05%. При большем количестве алюминия наблю- дается увеличение неметаллических строчечных включений. В отдельных исследованиях, выполненных применительно к ста- 48 ли типа 17ГС, указывается, что оптимальное количество оста- точного алюминия в стали находится в пределах 0,01—0,38%. Фактически все исследователи считают весьма желательным применение алюминия для раскисления и модифицирования низколегированной стали, однако нормы его количественного содержания по данным разных работ несколько расходятся. |