Оценка возможностей и разработка мероприятий по освоению на ТЛС5000 ОАО «ММК» новых позиций проката для сварных труб из перспективных стале

При использовании в наземных проектах трубопроводов сталей высоких категорий  прочности Х100 и Х120 для снижения металлоемкости и, следовательно, стоимости  транспортировки, строительных и сварочных работ, целесообразно изменение размерного сортамента труб в направлении уменьшения наружного диаметра трубы и толщины стенки. Положительный эффект при реализации проектов трубопроводов Х100 и Х120 обусловлен также меньшим количеством компрессорных станций. Следует отметить, что в случае труб для подводных газопроводов, рассчитываемых из условий сопротивляемости смятию под действием внешней нагрузки, уменьшение толщины стенки трубы не столь эффективно. Кроме того, экономии на меньшем количестве компрессорных станций добиться не удастся, поскольку для получения повышенного рабочего давления на береговой компрессорной станции потребуется добиться ее большей мощности.

На данном этапе разработки сталей категорий прочности Х100 и Х120 в мире не существует единого стандарта, регламентирующего требования к химическому составу и свойствам штрипса, свойствам основного металла трубы и сварного шва. Уместно указать, что число, используемое в обозначении категории прочности стали по стандарту API-5L, является минимальным пределом текучести данной стали. Соответственно, Х100 имеет минимальное требуемое значение равное 100 ksi или 689 МПа; Х120 - 120 ksi или 827 МПа. Известны механические свойства основного металла прямошовных труб, использовавшихся в экспериментальных проектах магистральных газо- и нефтепроводов (таблица 2.1) .

 

Таблица 2.1 - Примеры механических свойств прямошовных труб категории прочности Х100 и Х120

Наименование	σт, МПа	σв, МПа	σт/σв	σ,%	K-20, Дж	T переходная (ИПГ), оС или В(ИПГ), %
Прямошовные трубы Х100
Х100 «Europipe» На круглых разрывных  образцах [20]:
X 100 трубы 762x19,1	730	792	0,93	18,4	235	-15°С
Х100 трубы 762x15,9	755	820	0,92	17,1	240	-25°С
Х100 трубы 1422,4x19,1	737	800	0,92	18	200	-20°С
Х100 трубы 914.4x16	752	816	0,92	18	270	-50°С
Требования к трубам Х100 «Europipe»	Стенка >689	Стенка >776	<94		Стенка >196
Прямошовные трубы Х120
Х120 40"х19; 36"х16 Exxon Mobil - Nippon Steel [22], [21]	853 (Т)	945	0.90	31	Стенка = 318(-30°C) Сварной шов= 115 (-30°C)	75,7 (-5°С) 65,63 (-20°С)
Требования к трубам Х120 914x16,0 Exxon Mobile [21]	Стенка≥827 Сварной шов ≥827	Стенка ≥931 Сварной шов ≥931	<0.93		Стенка ≥231 (-30°C) Сварной шов ≥84(-30°C)	≥75 (-20°С)

 

1. Варианты химических композиций стали проката категории прочности Х100-Х120

Основным направлением совершенствования  композиции химического состава  сталей высоких категорий прочности  является уменьшение содержания углерода (как правило, до 0,04-0,07 %) и повышение  содержания ниобия, что, в сочетании  с использованием дополнительного легирования Mo, Cr, Ni, Си, В, позволяет достигать комплекса высоких характеристик прочности, хладостойкости и свариваемости стали.

Учитывая постоянно возрастающие требования, предъявляемые к хладостойкости и свариваемости (величине С_экв), рассмотрим варианты композиции химического состава с пониженным содержанием углерода (0,04-0,07%) и различные схемы легирования.

1. Традиционная (C-Mn-V-Nb) композиция химического состава при пониженном содержании углерода позволяет обеспечивать для основного металла труб с толщиной стенки 16мм комплекс свойств, соответствующий требованиям класса прочности Х65. Дальнейшее наращивание прочности может быть достигнуто лишь при увеличении содержания углерода, марганца и ванадия. Это может негативно сказаться на свариваемой способности стали, ее вязкостных характеристиках и характеристиках при ИПГ.

2. Легирование Cr-Ni-Cu (в суммарном количестве 0,30-0,60 %) позволяет получать свойства основного металла на уровне класса прочности Х70 даже при содержании углерода 0,03 % и 0,04 %. Требуемый комплекс свойств обеспечивается феррито-бейнитной (с долей перлита) структурой стали с мелким зерном, полученным при контролируемой прокатке. Структурное состояние стали - преимущественно смесь полигонального и игольчатого феррита с небольшой долей бейнита.

3. Легирование молибденом в количестве ~0,20 % позволяет обеспечивать прочностные  свойства основного металла труб  на уровне класса прочности  Х80 в сочетании с удовлетворительным  относительным удлинением δ₅>21 % и высокой ударной вязкостью KCV(-20)>150 Дж/см².

4. Добавка бора позволяет сохранить  структуру нижнего бейнита при  меньшей степени легированности. Бор также оказывает сильный  тормозящий эффект на превращение аустенита в феррит [22].

Из термокинетической  диаграммы для сталей без бора и с бором после горячей деформации при очень близких параметрах превращения (рисунок 2.1) видно, что в обоих случаях в широком диапазоне скоростей охлаждения, которые могут быть достигнуты в процессе прерванной прямой закалки, формируется структура НБ при постоянной температуре начала бейнитного превращения (Bs) -около 450 °С. Однако следует отметить, что для стали без бора требуется намного более высокое содержание легирующих элементов, чем для стали с бором.

Индекс  прокаливаемости β=2,7С+0,4Si+Мn+0,8Сг +0,45(Ni+Cu) + 2V + Мо- 0,5, для стали, легированной бором составляет 3,2, а для стали без бора — 3,4. Эта разница соответствует содержанию Мо примерно на 0,6% выше в стали без бора, если содержание Мо в стали с бором принять равным 0,2%.

 

    

 

Рисунок 2.1 -Термокинетические диаграммы после горячей деформации:

а - для стали с добавкой бора, b - для стали без добавки бора

 

Легирование бором увеличивает  прокаливаемость стали. Это подтверждается следующим. Энергия разрушения CVN (энергия разрушения по Шарпи с V-образным надрезом) стали с бором, особенно при содержании С 0,05% или ниже, является высокой. Энергия разрушения CVN стали без бора в целом ниже, чем для стали с бором, особенно при содержании С выше 0,05%. Энергия разрушения CVN при -20°С в зависимости от индекса прокаливаемости показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Зависимость энергии CVN при -20°С от величины прокаливаемости стали для стали, микролегированной бором, и стали, свободной от содержания бора

 

На микрофотографиях, сделанных на электронном просвечивающем микроскопе, (рисунок 2.3), видно, что в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного шва в стали с бором формируется структура НБ, тогда как в стали без бора преимущественно образуется структура ВБ. В микроструктуре ВБ между рейками наблюдаются длинные крупные карбиды или структурные составляющие аустенит-мартенсит.

 

Рисунок 2.3 - Электронные микрофотографии зоны термического

влияния сварного шва

Более высокая ударная вязкость стали с бором в основном металле  и в ЗТВ указывает на то, что добавка бора является предпочтительной или важной для получения сочетания высокой прочности и высокой ударной вязкости, требуемого для достижения категории прочности Х120. Кроме того, сталь с бором позволяет избежать слишком высокой стоимости легирующих элементов. Однако для успешного использования бора в составе трубной стали требуется учитывать некоторые особенности. Для улучшения прокаливаемости бор должен находиться в твердом растворе по границам зерен. Необходимо подавить образование борсодержащего карбида, Fe₂₃(CB)₆, который может выделяться в процессе охлаждения в аустенитной области. Избыток бора ускоряет формирование карбида бора. Введение Мо и/или Nb [23] также полезно для стабилизации влияния бора.

Примеры композиций химического состава стали, использовавшейся при производстве опытного проката, представлены в таблице 2.2 [20], [21], [22].

 

Таблица 2.2 -Химический состав стали Х100 и Х120

	С	Mn	Si	0	Ni	Cu	Mo	Nb	V	Ti	В	Ceq	Pern
Х100 для труб 762x19,1	0,08	1,95	0,26		0,23	0,22	0.26	0.05		0,018		0,49	0,22
Х100 для труб 762x15,9	0,07	1,89	0,28		0,16	-	0,15	0.05		0,015		0,43	0,19
Х100 для труб 1422,4x19.1	0,07	1,90	0,30		0,33	0.20	0,17	0,05		0,018		0,46	0,20
Х100 для труб 914,4x16	0,06	1.90	0.35		0,25	-	0,28	0,05		0,018		0,46	0,19
Х120 лист 16,0-  16,3 мм (LB) ExxonMobil-Nippon Steel	0.03-0.09	1.0-2.5		0.0-0.5	0.0-2.0	0.0-0.5	0.2-0.5	0.01-0.04	0.02-0.08
Х120 лист 16,0-16,3 мм (F+B) ExxonMobil-Nippon Steel	0.05-0.09	0.5-2.0		0.0-0.5	0.0-2.0	0.0-0.5	0.2-0.8	0.01-0.08	0.02-О.Ю
Х120 лист 16.0 16.3 мм (Tempered Martensite) Exxon Mobil-Nippon Steel	0.06-0.09	0.2-2.0		0.0-0.5	0.5-2.0	0.5-2.0	0.2-0.8	0.02-0.12	0.03-0.15
X120 лист 16.0-163 мм (LB) Nippon Steel	0,04	1.95		+	+	+	0.33	+		0.0198	0.0012		0.21

 

При разработке проектов трубопроводов Х100 и Х120 очень важным аспектом является проблема обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводов. Эта проблема сводится к осуществлению торможения трещины  в трубе. На основании проведенных  исследований и натурных испытаний сделано заключение о необходимости применения ловушек трещин (crack arresters) для труб категорий прочности Х100 и Х120 [18].

Основной  металловедческий подход, который реализуется  при разработке и производстве проката  для труб категории прочности Х70-Х120, заключается в создании микроструктуры с мелким зерном матрицы стали и высокой плотностью дислокаций. Этим условиям удовлетворяет феррито-бейнитный тип микроструктуры.

Для стали  Х100 была успешно опробована микроструктура, преимущественно состоявшая из верхнего бейнита (ВБ), а для стали Х120 - из смеси нижнего бейнита (НБ), реечного мартенсита и игольчатого феррита.

2. Основные принципы получения проката категории прочности Х100

Прокат категории прочности  Х100 производится по технологии двухстадийной контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением (ТМСР+АСС).

Первая  стадия контролируемой прокатки является высокотемпературной, включает в себя деформацию в зоне рекристаллизующегося аустенита и соответствует температуре свыше 950°С. В этих условиях крупные  зерна аустенита измельчаются путем повторения деформации и рекристаллизации.

Вторая  стадия (среднетемпературная) включает в себя деформацию нерекристаллизующегося аустенита и реализуется в интервале температур от Аг₃ до 900°С. Аустенитные зерна измельчаются и приобретают вытянутую форму, а внутри них образуются деформационные полосы.

Композиция  химического состава предусматривает  использование добавок Mo, Ni, Сu. Целевой микроструктурой является структура с высокой плотностью дислокаций, представляющая собой смесь игольчатого феррита с бейнитом [19], либо верхнего бейнита [20].

Результаты  испытаний основного металла  труб Х100, произведенных компанией  Europipe из проката Mannesmann, получены на круглых разрывных образцах. При использовании плоских образцов отмечалось влияние эффекта Баушингера. Он проявляется в снижении предела текучести, происходящем в результате изменения направления напряжений при изготовлении трубы и разгибании образца при испытаниях на растяжение. Из-за этого эффекта после правки плоских образцов предел текучести снижался на 90 МПа. Кроме того, в результате проведения работ выявлено, что высокопрочные стали для труб имеют заметно большее отношение предела текучести к временному сопротивлению [20].

Во время  натурных испытаний труб Х100 на полигоне Sviluppo (Италия), было отмечено, что в отличие от стали Х80 образовавшаяся трещина может не тормозиться даже при величине ударной вязкости CVN-200 Дж, что требует применения ловушек трещин (crack arresters). Кроме того, на таких сталях нарушается известная корреляция между характеристиками ударной вязкости (KCV) и характеристиками, полученными при испытании падающим грузом или ИПГ (DWTT): при величине CVN>200 Дж величина ударной вязкости представляется завышенной, а характеристики при ИПГ ниже [18].

3. Основные принципы получения проката категории прочности Х120

Компанией Exxon Mobile показана технико-экономическая целесообразность строительства трубопроводов из стали категории прочности Х120, которая обосновывается меньшими затратами на строительство, доставку труб, сварочные работы, а также меньшим количеством параллельных ниток трубопроводов и насосно-компрессорных станций для каждой из ниток трубопровода [21]. Сталь была произведена компанией Nippon Steel Corporation (NSC).

Металловедческим подходом, положенным в основу разработки стали Х120, явилось получение особо мелкой микроструктуры и высокой чистоты по неметаллическим включениям, что необходимо для достижения повышенных значений прочности и ударной вязкости. В отличие от традиционных феррито-перлитных сталей, при разработке стали Х120 для обеспечения высокой сопротивляемости хрупкому разрушению стремятся получить не только мелкое зерно, но и мелкий «домен» размером 2 мкм. Эти так называемые «домены» должны иметь кристаллографическую разориентировку как минимум 10 градусов в пределах одного бывшего аустенитного зерна и состоять из реек нижнего бейнита или реечного мартенсита. Такие составляющие микроструктуры имеют очень высокую плотность дислокаций.

В ходе исследовательских  работ, как указано выше, были изучены композиции химического состава, в том числе с добавками бора в комбинации с Ni, Mo и Сг, обеспечивающие формирование микроструктуры в основном нижнего бейнита, двухфазной микроструктуры и структуры отпущенного реечного мартенсита [21]. Для промышленного опробования была выбрана сталь с микроструктурой нижнего бейнита с оптимизированным химическим составом типа 0,04%C-l,95%Mn-0,33%Mo-0,018%Ti-0,0012%B-Cu-Ni-Cr-Nb и Рсм=0,21 [22].

Отмечено, что для формирования микроструктуры нижнего бейнита помимо легирования стали Mo, Ni, Cr и Си очень эффективны добавки бора.

При испытаниях труб отмечено, что  хотя металл труб Х120 обладает очень  высокими показателями ударной вязкости, при производстве труб должны использоваться ловушки трещин (crack arresters) [17], [21].

Что касается прокатного аспекта производства трубной заготовки данной категории  прочности, необходимо отметить следующее. Прокат, произведенный компанией  NSC, был получен, подобно версии прокатки Х100, по технологии двухстадийной контролируемой прокатки. Однако в данном случае, применили прерванную прямую закалку (IDQ) с последующим самоотпуском поверхностных слоев металла от теплоты центральной части листа (рисунок 2.4).

 

Рисунок 2.4 - Процесс прерванной прямой закалки (IDQ)

 

Влияние температуры окончания  IDQ на прочность и ударную вязкость показано на рисунке 2.5. Предел прочности при растяжении постепенно уменьшается с повышением температуры конца IDQ, хотя до 400°С изменение относительно мало. Температура вязкохрупкого перехода (DBTT) при испытании CVN начинает повышаться примерно при 450°С, и в итоге энергия разрушения по Шарпи снижается.