УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
Титан обычно используют в сочетании с алюминием в ограниченных количествах (примерно 0,02—0,03%), что по- зволяет несколько повысить прочность низколегированной нормализованной стали, измельчить структуру металла, улуч- шить свариваемость. Однако при использовании титана могут возникать технологические трудности в процессе производст- ва стали, может снижаться ее пластичность. Поэтому метал- лургическая промышленность не всегда применяет титан. Оте- чественная промышленность имеет определенный опыт ис- пользования титана для модификации низколегированных ста- лей, в частности, титан предпочитают ванадию по экономиче- ским соображениям. Применение титана имеет то преимуще- ство, что его сульфиды при обычных температурах горячей прокатки менее деформируются, чем сульфиды марганца. Их вытяжка едва заметна, что препятствует образованию строчеч- ных вытянутых включений. Титан как модификатор хорошо усваивается сталью, стабильно ограничивает рост зерна. Опыты по примене- нию титана в количествах примерно 0,15 % для упрочнения стали показали, что в листах толщиной до 7 мм временное со- противление разрыву и предел текучести увеличиваются со- ответственно на 60 и 90 МПа, однако при этом снижается вяз- кость и повышается чувствительность к перегреву. В ре- зультате исследований было сделано заключение о неэффек- тивности использования титана как упрочнителя в нормализо- ванных сталях. Ванадий широко используется для улучшения углероди- стых сталей, измельчения зерна и повышения прочности низ- колегированных сталей, улучшения их свариваемости. Коли- чество применяемого ванадия строго ограничено (менее 0,1 49 %). При содержании ванадия 0,1—0,15 % дальнейшего из- мельчения зерна не наблюдается, ударная вязкость при низких температурах уменьшается. Экспериментальные исследования [13] показали, что нормализованная сталь 17ГС при содержа- нии 0,04—0,1% ванадия, 0,011—0,022% титана и обычном со- держании углерода, марганца и кремния в трубах диаметром 1020 мм обеспечивает прирост временного сопротивления на 20—30 МПа, ударной вязкости КСU -40 на 0,1—0,3 МДж/м 2 При этом качество заводских сварных швов труб не ухуд- шается. В низколегированных сталях для труб ванадий вво- дится в количестве до 0,1 %. Ниобий — слабый раскислитель стали и сильный карби- дообразующий элемент. При наличии в стали азота образует нитриды или карбонитриды. Ниобий является эффективным модификатором стали, он не вызывает ее загрязнения оксида- ми, улучшает технологичность стали при ее производстве, способствует улучшению свариваемости. Исследования стали, содержавшей 0,2 % углерода, 1,2 % марганца, 0,08 % кремния со ступенчато изменяющимся количеством ниобия от 0 до 0,1 %, показали, что при повышении содержания ниобия, количе- ство выделившихся карбонитридов увеличивается, а их размер не изменяется, в результате чего получается необычайно тон- кая вторичная структура (размер зерна в среднем в 3 раза меньше, чем у стали без ниобия). Предел текучести увеличива- ется на 80 МПа. Наиболее благоприятно действие ниобия про- является в малых количествах (примерно 0,02— 0,03%), осо- бенно в сочетании с алюминием (около 0,02%). В этом случае повышается предел текучести и временное сопротивление раз- рыву (примерно на 40 МПа), снижается склонность к старе- нию, вязкость стали практически не меняется. Степень упроч- нения стали ниобием увеличивается с понижением количества углерода. Так, у стали 10Г2 предел текучести повышается примерно на 30%, у стали 15Г2 — на 17%, а у стали 30Г2 —на 10%. Однако пластичность и вязкость стали несколько пони- жаются, а критическая температура хрупкости незначительно повышается. 50 В целом микролегирование низколегированной нормали- зованной стали карбидо- и нитридообразующими элементами мало повышает комплекс их служебных свойств. Применение этих элементов в сталях контролируемой прокатки позволяет получить несравнимо более высокие свойства по всем показа- телям. Редкоземельные металлы. Присадка в металл ферроце- рия в количествах 0,04—0,1 % приводит к глобуляризации не- металлических включений, количество оксидов уменьшается. Положительное влияние церия на вязкость связано с его воз- действием на форму и количество неметаллических включе- ний, а также с некоторым измельчением зерна. Механизм влияния редкоземельных металлов (РЗМ) на свойства стали изучен недостаточно. Однако положительное влияние РЗМ на форму неметаллических включений, на свариваемость стали сомнений не вызывает. Обработка церием в количествах 0,01— 0,03 % высококачественных сталей для сварных конст- рукций высокой ответственности является обязательной тех- нологической операцией. Сера. Отрицательное влияние серы на свойства стали (особенно стали для сварных конструкций) широко известно. Сера в металле присутствует в виде неметаллических включе- ний, преимущественно сульфидов марганца. Повышение со- держания серы на 0,01 % в диапазоне от 0,02—0,05 % сдвигает критическую температуру хрупкости в область положитель- ных температур на 15 °С. Количество серы в нормализованных сталях стараются снизить до 0,02%, а в сталях контролируемой прокатки—до 0,004% и ниже. Снижение содержания серы в стали контролируемой прокатки с 0,05 до 0,004 % повышает ударную вязкость по Шарпи практически вдвое. Низкое со- держание серы (менее 0,005%) заметно повышает эффект об- работки стали кальцием, увеличивая ее вязкость. Газы в сталях. В процессе плавки жидкая сталь погло- щает газы. Частично они выделяются во время кристаллизации металла и его прокатки и охлаждения. Однако оставшиеся га- зы заметно влияют на свойства сталей, особенно углероди- 51 стых. Газы в сталях находятся в растворенном состоянии или образуют химические соединения. Наличие кислорода в стали снижает ее временное сопро- тивление и ударную вязкость. Поэтому повышение степени раскисления стали заметно влияет на ее свойства. Влияние ки- слорода на свойства стали определяется его количеством, со- ставом и расположением включений. Наиболее отрицательно влияют включения, располагающиеся в виде пленок или нитей вокруг зерен металла. Наличие азота в стали обусловлено рядом причин, в том числе чистотой кислорода, применяемого для продувки кон- верторной стали. Присутствие в стали свободного азота повы- шает склонность металла к старению. В то же время азот в ви- де твердой мелкодисперсной фазы — нитридов упрочняет сталь, измельчает ее структуру. Поэтому азот в стали может быть и легирующим элементом. Тогда в состав стали вводят специальные элементы, например алюминий, образующий с азотом нитриды. Водород в стали может находиться в молекулярном со- стоянии, создавая внутрикристаллитные полости, заполненные газом, в атомарном состоянии, а также образовывать твердый раствор внедрения. Наличие водорода в стали резко снижает ее сопротивление хрупкому разрушению. Прокатка. Изучение влияния продольной и поперечной прокатки листов нескольких марок низколегированной стали на качество труб было выполнено на ряде металлургических заводов вместе с институтами черной металлургии. Под попе- речной прокаткой понимается схема, при которой продольная ось листа соответствует поперечной оси сляба. Установлено, что поперечная прокатка позволяет обеспечивать более равно- мерное соотношение продольной и поперечной вытяжки. При продольной прокатке продольная вытяжка в 10—20 раз и бо- лее превышает поперечную, а при поперечной это соотноше- ние уменьшается в 2—6 раз, что резко снижает анизотропию свойств в листовой стали в поперечном и продольном направ- лениях. Основным преимуществом поперечной прокатки по 52 сравнению с продольной при производстве листов труб явля- ется повышение стабильности и средней величины ударной вязкости — на поперечных образцах—на 20—40 %, относи- тельного удлинения на 1—3 % при практически одинаковых прочностных характеристиках стали. Повышение указанных свойств объясняется более равномерной структурой металла при поперечной прокатке, снижением балла полосчатости, благоприятной формой и равномерным распределением неме- таллических включений по поперечному сечению листа. Вме- сте с тем, поскольку наиболее загрязненная осевая часть слит- ка после прокатки выходит на продольную кромку листа, при поперечной прокатке полнее выявляются расслои. Их можно обнаружить визуально без контроля сплошности стали нераз- рушающими методами, что стимулирует улучшение качества листа. При поперечной прокатке по мере освоения ее заводами обнаружились некоторые экономические преимущества по сравнению с продольной — уменьшились примерно на 1 % от- ходы при обрезке листов, повысилась производительность прокатных станов, уменьшился процент отсортировки листов по дефектам. 2.3.2. Основные марки феррито-перлитных сталей для труб нефтегазопроводов Сталь 17ГС (17Г1С-У) — основная марка стали для труб диаметром 530—1220 мм на давление 5,5—6,4 МПа. Сталь 17ГС и ее модификации применяются уже более 20 лет. Со- гласно одним из первых технических условий ЧМТУ 3-58—67 и последним ТУ 14-3-1138—82, металл труб диаметром 1020— 1220 мм при толщинах стенок 9—14 мм обеспечивает свойства, приведенные в табл. 6. Основа химического состава стали (С = 0,15—0,2 %; Mn = -1,15—1,55%; Si = 0,4—0,6%; S = 0,02%; Р = 0,025%) за мно- гие годы применения практически не изменилась. В целях гло- буляции неметаллических включений в сталь 17Г1С-У можно вводить кальций до 0,02 % или церий до 0,03 %. Сталь раскис- 53 ляется, помимо кремния, алюминием и титаном в суммарном количестве 0,01—0,06%. К стали 17ГС указанные требования не предъявлялись, а количество серы допускалось до 0,04 %, Сдаточные свойства сталей 17ГС и 17Г1С-У за 20 лет измени- лись незначительно, однако почти вдвое возросла ударная вяз- кость и повысилась ее стабильность. Хладостойкость стали не нормируется. Фактически хладостойкость стали обеспечивает- ся только при температуре выше 5 °С в зависимости от разме- ра труб. Трубы из стали 17ГС размером 1220x12,5 мм из нормали- зованной стали и 720x8 мм из горячекатаной многократно ис- следовали во ВНИИСТе. Установлено, что у труб из этой ста- ли без обработки кальцием и церием запас надежности не все- гда обеспечивался. Так, при гидравлических испытаниях труб до разрушений коэффициент использования прочности стали (отношение σ p /σ в ) составлял 0,93—0,96 и только у отдельных труб доходил до 1, удлинение периметра труб в очаге разру- шения 3,1—4,5% и у отдельных труб 8,7%. Ударная вязкость стали труб на поперечных образцах Менаже составляла (МДж/м 2 ): KCU 20 KCU 0 KCU -20 KCU -40 Трубы 1220х12,5 мм Трубы 720х8 мм 0,75 0,60 0,55 0,55 0,45 0,35 0,35 0,30 По средним значениям ударная вязкость была относи- тельно удовлетворительной, но стабильность свойств недоста- точной 54 Таблица 6 Нормативные требования к стали 17ГС и 17Г1С-У в трубах диаметром 1020—1220 мм ТУ и марка стали σ в , МПа σ 0,2 , МПа 5 , % KCV 0 , МДж/м 2 KCU -40 , МДж/м 2 ЧМТУ 3- 58-67 17ГС ТУ 14-3- 1138-82 17Г1С-У 500 520 360 370 18 20 - 0,3-0,4 0,25 0,40 Сопротивление горячекатаной стали 17ГС зарождению трещин при испытании на статический изгиб широких образ- цов с надрезом в отдельных случаях также было недостаточ- ным. Повышение требований к качеству раскисления стали 17Г1С-У позволило улучшить эти показатели, однако полно- стью исключить разрушения труб пока не удалось. Длительное применение стали 17ГС для изготовления труб не случайно. Это простая феррито-перлитная сталь, оп- тимально легированная по всем основным элементам: углеро- ду, марганцу и кремнию, что позволяет при минимальных за- тратах получать достаточно высокий комплекс свойств, не прибегая к легированию никакими другими дефицитными и дорогими элементами. Свойства и работоспособность стали в сварных конст- рукциях зависят не только от химического состава, степени раскисления, но и от многих других процессов ее производст- ва. Требования к свойствам стали и ее составу должны быть достаточно жесткие и полные, в определенной степени обу- словливать строгое соблюдение технологии производства на всех этапах передела и тем самым гарантировать стабильную работу металла в конструкции. Переход в начале 60-х годов на производство труб из ста- ли 17ГС, а затем 17Г1С-У позволил значительно повысить ра- 55 ботоспособность труб, сократить число отказов на газонефте- проводах, связанных с качеством и свойствами металла труб, однако полностью устранить разрушения трубопроводов из стали 17Г1С не удалось. Поскольку сталь 17Г1С весьма эко- номична и для ряда типоразмеров труб она еще долго будет применяться, необходимо более тщательно пересмотреть до- кументацию на ее производство и труб из нее. Стали 13Г2АФ и 17Г2АФ. Феррито-перлитную сталь, упрочненную нитридами ванадия, а в некоторых марках и алюминием, применительно к изготовлению из нее труб изу- чали в ряде вариантов: сталь 13Г2АФ — для труб диаметром 1200 мм с рабочим давлением 5,5 МПа; сталь 15Г2АФЮ и 17Г2АФ—для труб диаметром 1420 мм па рабочее давление 7,5 МПа. Опробовали также и другие варианты. Химический состав и механические свойства металла труб приведены в табл. 7. Сталь исследуемых труб выполнена по верхней половине содержания химических элементов. При этом две плавки недостаточно раскислены алюминием (0,004—0,014%). Механические свойства по большинству по- казателей соответствуют техническим условиям. 56 Таблица 7 Нормативный и фактический химический состав и механиче- ские свойства стали 13Г2АФ Химический состав, % C Mn Si V N S P Al Поставленные плавки 0,13- 0,15 1,6- 1,66 0,32- 0,40 0,061- 0,095 0,011- 0,013 0,012- 0,022 0,010- 0,014 0,004- 0,026 Требования ТУ 14-3-1138-82 0,11- 0,17 1,1- 1,70 0,20- 0,40 0,060- 0,100 0,010- 0,020 0,020 0,025 0,015- 0,050 Механические свойства σ в , МПа σ 0,2 , МПа 5 , % KCV 0 , МДж/м 2 KCU -40 , МДж/м 2 B при 0 о С, % Фактические 566- 601 400- 460 21-27 0,48-0,73 0,49-0,65 25-100 Требования ТУ 540- 640 370- 470 Не ме- нее 19 Не менее 0,4 Не менее 0,5 Не менее 60 Сталь 15Г2АФЮ предложена на основе больших и мно- голетних работ по созданию высокопрочных строительных сталей, упрочненных нитридами и карбонитридами ванадия и алюминия. Теория упрочнения стали нитридообразующими элементами и зависимость ее механических свойств от струк- туры подробно рассмотрены в работе. Механизм упрочнения связан с образованием дисперсных нитридов и карбонитридов, вызывающих резкое измельчение зерна феррита. Введение в сталь ванадия и алюминия позволяет уменьшить зерно в 3—5 раз, т. е. получить примерно 11 баллов зерна. При этом наблю- дается рост предела текучести на 25—30 %, временного со- противления на 15—20 %, заметно повышается вязкость. Од- нако повышения хладостойкости у нормализованных сталей практически не наблюдается. Применительно к строительным высокопрочным марган- 57 цевистым сталям, упрочненным ванадием и алюминием, опре- делен рациональный химический состав, %: углерод -0,12-0,23, марганец— 1,3—1,7, азот —0,015— 0,025, ванадий —0,08—0,15, алюминий — 0,02—0,05. Сталь такого состава в нормализованном состоянии характеризуется высокими показателями прочности, вязкости и пластичности, мало зависящими от толщины листа. Сталь 14Г2АФ и 18Г2АФ много лет успешно применяет- ся в ответственных несущих строительных конструкциях. Большой опыт применения послужил отправной точкой при разработке марганцевистой стали, упрочненной карбонитри- дами для труб газопроводов диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа. Однако условия работы стали в мощных магистраль- ных газопроводах существенно отличаются от условий работы металла в самых ответственных несущих строительных конст- рукций. Сталь труб должна не только надежно сопротивляться нагружению, создаваемому внутренним давлением, но и удов- летворительно сопротивляться протяженным вязким и хруп- ким разрушениям. Поэтому необходимо, чтобы помимо проч- ности и ударной вязкости на образцах Менаже (KCU -40 ≥0,4— 0,5 МДж/м 2 ) сталь также обеспечивала ударную вязкость на образцах Шарпи (KCV -5 ≥ 0,8 МДж/м 2 ) и не менее 80 % волок- на в изломе полнотолщинных образцов ДWTT. В стали исследуемых труб содержание основных упроч- няющих элементов — марганца, ванадия, алюминия и азота близко к верхнему пределу. При таком составе, близком к оп- тимальному, временное сопротивление не всегда соответству- ет требованиям технических условий (σ в >560 МПа). Значения ударной вязкости по Менаже при —40 °С с запасом удовле- творяют требованиям ТУ. Сдаточная характеристика KCV -5 имеет отклонение от нормы, но поскольку при температуре —15 °С вязкость прак- тически не снизилась, указанное отклонение можно считать допустимым. Хладостойкость стали, оцениваемая по данным испытания полнотолщинных образцов ДWТТ, приведена в 58 табл. 8. Результаты исследований показывают, что в трубах 1420х17,5 мм на рабочее давление 7,5 МПа хладостойкость стали 15Г2АФЮ обеспечивается только при температуре 10 °С и выше. Эти результаты не являются случайными, они мно- го раз проверялись на разных вариантах нормализованных сталей как на образцах, так и при испытании отдельных труб и отрезков газопроводов до разрушения. Во всех случаях темпе- ратура хрупкости стали была выше 0 °С, хотя ударная вязкость у некоторых марок была высокая. Таблица 8 Ударная вязкость и хладостойкость стали 15Г2АФЮ Температура испытания, о С KCU, МДж/м 2 (образцы Менаже) KCV, МДж/м 2 (образцы Шарпи) Волокно в изломе В, % (образцы DWTT) 20 0 -5 -15 -40 -60 1,2-2,0 - - 0,9-1,7 0,8-1,4 0,6-1,0 0,95-1,50 - 0,65-1,30 0,70-1,10 0,40-0,70 - 92-100 25-85 15-85 10 - - Трубы 1420x17,5 мм из нормализованной стали 15Г2АФЮ испытывались гидравлически до разрушения в це- лях оценки конструктивной прочности. Испытания двух труб показали удовлетворительные результаты. Коэффициент ис- пользования прочности стали составлял 0,99, что характерно для прямошовных труб. Удлинение периметра труб в центре разрушения было более 5 %. Пневмогидравлические испыта- ния с запасом воздуха до 15 % объема трубы при давлении разрушения 6,8 МПа показали, что даже при таком ограничен- |