Формирование структуры и комплекса свойств хладостойкой стали для труб класса прочности К65 при термомеханической обработке

Развитие отечественной металлургии в значительной степени определяется потребностями нефтегазового комплекса промышленностинеобходимостью реконструкции и прокладки новых трубопроводов для транспортировки нефти и газа. Для обеспечения высокой надежности газои нефтепроводов в различных климатических условиях листовой прокат, предназначенный для изготовления сварных труб, должен иметь повышенный уровень прочностных свойств, низкотемпературной вязкости.

Л лл.

КСУ — не менее 200 Дж/см), хладостойкости (ИПГ" ~ > 90% по разным спецификациям), а также обладать хорошей свариваемостью и стойкостью против коррозионного воздействия. Необходимость достижения высокого уровня вязкости низколегированного листового проката и труб определяет задачи поиска новых технологий и снижение издержек металлургического передела за счет оптимизации-химического состава листового проката.

Новые отечественные высокопрочные трубные стали для северных условий эксплуатации должны характеризоваться минимальным углеродным эквивалентом металла и высоким уровнем хладостойкости: Это позволит осуществлять сварку в полевых условиях с незначительным предварительным подогревом или даже без него, а также улучшить вязкость в зоне термического влияния. Применение сталей с однородной микроструктурой позволит понизить склонность трубного металла к растрескиванию и образованию трещин при сварке, формовке труб и эспандировании.

Перспективные требования основных потребителей трубной продукции в России (ОАО «Газпром» и АК «Транснефть») к трубам определяются как потребностями развития действующей системы.

О О магистральных трубопроводов на 75 кгс/см" и 55 кгс/см" (сооружение дополнительных ниток в действующих коридорах и перемычек между 4 коридорами, реконструкция, капитальный ремонт), так и реализацией новых проектов. При постройке новых трубопроводов, для повышения производительности и экономической эффективности, становится обоснованным переход на рабочее давление 9,8 МПа и выше, что позволяет увеличить дальность транспорта природных ресурсов, осуществлять транспортировку нефти и газа с морских месторождений и прямые поставки нефти и газа, обеспечить надежность транспортировки и снизить удельные затрат на транспортировку природных ресурсов.

Повышение рабочего давления в трубах закономерно требует увеличения толщины стенки трубы при использовании металла определенного класса прочности — на сегодняшний день при использовании труб класса прочности К60 при росте давления происходит переход от труб с толщиной стенки от 15,7 -18,7 мм к трубам с толщиной стенки более 21,6 мм. Реализация проектов строительства подводных трубопроводов основывается на использовании труб о толщиной стенки до 40 мм, поскольку характеристики трубопровода рассчитываются из условия нагружения толщей воды.

С металлургической точки зрения повышение толщины стенки трубы (толщины штрипса) приводит к тому, что обеспечить требуемый уровень прочности в сочетании с высокой хладостойкостыо в штрипсе толщиной более 20−25 мм становится затруднительным при использовании традиционных технологий производства штрипса. Поэтому, перспективным подходом является переход на производство труб из штрипса повышенных классов прочности — Х80, -использование которых позволяет в меньшей степени увеличивать толщину стенки трубы, и, следовательно, проще обеспечивать требуемый уровень свойств.

Однако освоение производства штрипса повышенных толщин традиционных классов прочности К60(Х70), и переход на штрипс классов прочности Х80-Х100, закономерно требует использования новых концепций разработки химического состава стали в сочетании с использованием прогрессивных технологий металлургического производства. Анализ результатов отечественного и мирового опыта свидетельствует о том, что для решения указанных задач, перспективным подходом является переход от сталей с традиционной феррито-перлитной микроструктурой к сталям с феррито-бейнитной микроструктурой, которая характеризуется большей дисперсностью составляющих и позволяет достигать выгодного сочетания высокой прочности с хорошей хладостойкостью даже для штрипсов больших толщин.

Технологией, позволяющей реализовать все преимущества штрипса с феррито-бейнитной микроструктурой, является термо-механическая обработка стали, включающая в себя контролируемую прокатку (КП) с последующим ускоренным охлаждением (УО).

Применение стали повышенных категорий прочности позволяет уменьшить толщину стенки трубы, что, в свою очередь, обеспечивает I снижение металлоемкости проектов в целом, а также позволяет уменьшить трудоемкость строительно-монтажных (особенно сварочных) работ и затрат на транспортировку металла и труб.

Отечественное производство листового проката, предназначенного для изготовления труб большого диаметра, в настоящий момент осуществляется на станах 5000. В тоже время в России и странах СНГ действуют станы «2800» (ОАО «Уральская сталь») «3000» (ОАО «Алчевский металлургический комбинат»), которые изначально не предназначались для производства листового проката класса прочности К60 и выше. После проведения реконструкции и ввода в эксплуатацию установки контролируемого охлаждения на данных станах появилась возможность производить листовой прокат класса прочности К60 в толщинах свыше 15 мм и прокат более высокого класса прочности.

Таким образом, создание и производство проката повышенных классов прочности Х80-Х100 является перспективным направлением развития трубной отрасли России и стран СНГ. Разработка технологий получения высококачественной продукции позволит снизить металлоемкость и повысить надежность строящихся отечественных магистральных газои нефтепроводов, что внесет существенный вклад в развитие металлургической и нефтегазовой промышленности.

Целью являлось установление закономерностей формирования структуры и свойств низколегированных трубных сталей в зависимости от композиции химического состава сталей и технологических параметров прокатки и последующего охлаждения. Разработка на основе найденных закономерностей рекомендаций по химическому составу стали и технологии термомеханической прокатки с ускоренным охлаждением для промышленного производства стали класса прочности К65 для труб магистральных газопроводов северного назначения.

Актуальность результатов исследования, проведенных в работе, I обуславливается большой научной и практической значимостью создания сталей класса прочности К65(Х80) для труб большого диаметра, на основе современных металловедческих и технологических подходов к решению задачи — существенного повышения прочностных свойств одновременно с повышением вязкости, сопротивлению хрупкому разрушению и свариваемости. Для снижения металлоемкости трубопроводов необходим переход на прокат класса прочности К65, обеспечить такой уровень механических свойств можно имея феррито-бейнитную структуру. В литературе приводятся химические составы сталей класса прочности, но фактические значения элементов не уточняется, также не разглашаются технологические параметры производства.

Для достижения поставленной цели реализуются следующие задачи:

— провести исследование влияния композиций химического состава на формирование комплекса свойств проката;

— изучить влияние параметров термомеханической прокатки и ускоренного охлаждения на формирование свойств проката;

— изучить влияние микроструктуры и режима контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на механические свойства стали различных композиций химического состава;

— сформулировать рациональный химический состав стали и режимы прокатки с ускоренным охлаждением для получения комплекса свойств проката из стали класса прочности К65(Х80);

— провести сопоставительный анализ свариваемости сталей класса прочности К65(Х80) легированной молибденом и без легирования молибденом;

— опробовать в промышленных условиях изготовление проката класса прочности К65 (Х80) на основе сделанных разработок.

Объектами исследования являлись экспериментальные низколегированные стали произведенные в экспериментальном комплексе ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» и стали для электросварных газопроводных труб большого диаметра производимые на ОАО «Алчевский металлургический комбинат». Для решения поставленной в диссертационной работе задачи были выбраны стали:

— опытные стали с пониженным содержанием углерода и комплексным микролегированием;

— промышленные стали класса прочности К65 производства ОАО «Алчевский металлургический комбинат».

Предметом исследований служило установление основных закономерностей формирования в процессе контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением микроструктуры и механических свойств стали класса прочности К65. В работе использовались современные 8 металлофизические методы исследования структуры и фазового состава металла с помощью оптической просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии.

Испытания механических свойств опытных сталей предусматривали оценку прочностных и пластических свойств при статическом растяжении, ударной вязкости, сопротивление хрупкому разрушению.

Диссертация содержит семь глав и основные выводы.

Первая глава представляет собой литературный обзор, в котором рассмотрены основные существующие и перспективные требования предъявляемые к трубным сталям, дан анализ тенденций развития высокопрочных низколегированных сталей.

Вторая глава содержит описание методов лабораторных и промышленных исследований, проведенных автором при выполнении диссертационной работы.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния температурных режимов термомеханической обработки и ускоренного охлаждения после горячей пластической деформации. С применением дилатометра 805 «БЭР-ГЕРЕТЕБАУ» построены термокинетические диаграммы превращения горячедеформированного аустенита имитирующие условия контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Проведено исследование влияния скорости охлаждения и температуры завершения ускоренного охлаждения на формирование микроструктуры. На основании проведенного исследования были определены оптимальные скорости охлаждения металла и температурный интервал завершения ускоренного охлаждения.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния химического состава на механические свойства и микроструктуру листового проката произведенного в лабораторных условиях. Установлено что для производства листового проката класса прочности К65 оптимальная композиция химического состава является Мо-Си.

На основании проведенных исследований по изучению влияния химического состава на структуру и механические свойства листового проката класса прочности К65 выявлены оптимальные композиции химического состава для производства * листового проката методом контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Исследована хладостойкость опытных сталей. Выявлена оптимальная микроструктура позволяющая получить механические свойства соответствующие классу прочности К65 (Х80). Сталь, с оптимальным химическим составом обладает высокими значениями предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, высокой хладостойкостью.

В пятой главе изучено влияние режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на механические свойства и микроструктуру стали оптимальных химических составов. В лабораторных условиях произведено моделирование режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на лабораторном стане оборудованным установкой контролируемого охлаждения для определения влияния режима ускоренного охлаждения на микроструктуру. Моделирование различных режимов прокатки и ускоренного охлаждения позволили выявить влияние параметров обработки металла на механические свойства. Установлено, что для производства листового проката класса прочности К65, можно применять как технологию контролируемой прокатки, так и технологию контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Технология производства контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением, позволяет получить более высокие прочностные свойства, низкое отношение предела текучести к временному сопротивлению и высокую хладостойкость. Было выявлено, что оптимальную микроструктуру можно получить при ускоренном охлаждении со скоростью 20 °С/сек до температур 550−450 °С. На основании ю проведенного исследования определены оптимальные температурные параметры контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением и их влияние на структуру и механические свойства стали. Оптимальным режимом термомеханической обработки стали класса прочности К65 является прокатка с завершением в нижней части у-области и последующее ускоренное охлаждение до температур ~550 °С. При данной схеме термомеханической обработки сталь обладает высокими прочностными и пластическими свойствами, высокими значениями ударной вязкости во всем исследованном интервале температур и температурой вязко-хрупкого перехода Тво лежащую ниже -80 (-100) °С. Контролируемая прокатка с завершением в двухфазной области и последующим охлаждением до более низких температур также позволяет получить прочностные свойства удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к классу прочности К65, однако такой вид обработки приводит к образованию нежелательной структуры отрицательно влияющей на хладостойкость стали.

В шестой главе представлено сравнение свариваемости листового проката класса прочности К65 с различным химическим составом, которое основывалось на моделировании физических процессов протекающих в околошовной зоне при сварке.

Показано что исследуемые стали обладают при сварке высокой хладостойкостыо околошовной зоны практически при всех видах и режимах сварки, не склонны к образованию холодных трещин в околошовной зоне, в связи с чем не имеет ограничений при сварке. Сталь с содержанием молибдена обладает более высокой ударной вязкостью сварного соединения.

В седьмой главе представлены результаты промышленного опробования производства листового проката в условиях стана 3000 ОАО «АМК». Установлено, что листовой прокат выбранной системы легирования можно производить на стане 3000 оборудованном установкой контролируемого охлаждения. На основании проведенных исследований.

11 построены зависимости режима контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на механические свойства и микроструктуру листового проката.

Из листов опытной партии стали на ОАО «ВМЗ» были изготовлены промышленные партии газопроводных труб диаметром 530.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю, кандидату технических наук Ю. Д. Морозову. Диссертант благодарит научных сотрудников ЦТСК ФГУП ЦНИИчермет им. И. П. Бардина.

По представленной работе не защиту выносятся:

1. Результаты оценки влияния химического состава на механические свойства и структуру листового проката;

2. Результаты оценки влияния режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения;

3. Зависимость механических свойств опытной стали от температурных режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на толстолистовом стане 3000 ОАО «АМК» оборудованным установкой контролируемого охлаждения;

4. Новая сталь предназначенная для изготовления высоконадежных газопроводов большого диаметра класса прочности К65 с повышенными характеристиками вязкости, сопротивлению хрупкому разрушению и I свариваемости.

выводы.

1. На основе комплексных лабораторных и промышленных исследований влияния различных схем легирования и режимов термомеханической обработки на структуру и механические свойства проката для магистральных трубопроводов предложен химический состав хладостойкой стали содержащей молибден для магистральных газопроводов диаметром 1420 мм с рабочим давлением 11,8 МПа и экономнолегированая сталь без молибдена для труб диаметром 720−1020 мм с рабочим давлением 9,8 МПа. Оптимизирована микроструктура сталей и соответствующий режим термомеханической обработки.

2. Установлено, что хладостойкая сталь с молибденом, содержащая (в масс.%) 0,06−0,08 С, 1,7−1,8 Мп, 0,06−0,08 N1}, 0,2−0,3 Мо, 0,2−0,3 №, 0,2−0,3 Си, 0,015−0,030 Ті характеризуется после ТМО пределом прочности (ов) > 650 Н/мм2) и ударной вязкостью при отрицательных температурах КСУ40 > О.

250 Дж/см. Экономнолегированная сталь без молибдена, содержащая (в % масс.):0,06−0,08 С- 1,65−1,75 Мп- 0,04−0,06 ЫЪ- 0,04−0,06 V- 0,15−0,25 N1- 0,15−0,25 Си, после ТМО имеет ав > 650 Н/мм2 и КСУ40 > 127 Дж/см2. Обе стали соответствуют требованиям нормативно —технической документации.

3. Установлено, что для стали с молибденом высокие прочностные характеристики и высокая хладостойкость (доля вязкой составляющей в изломе образца для ИНГ при температуре испытания -20 °С >90%) достигаются за счет формирования оптимальной мелкозернистой структуры, состоящей из 80 об. % игольчатого феррита, 10−15 об.% полигонального феррита и до 5 об. % мартенсита и остаточного аустенита. Показано, что увеличение объемной доли полигонального феррита свыше 25% снижает прочностные свойства. Уменьшение доли полигонального феррита до 5 об. % и увеличение доли игольчатого феррита до 90−95% приводит к снижению значений КСУ" 40 на 70−100 Дж/см2.