Диссертация (Обоснование критического значения эквивалента углерода на основе оценки свариваемости сталей для труб класса прочности К65 и К70)

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М.ГУБКИНАНа правах рукописиВЫШЕМИРСКИЙ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧОБОСНОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯЭКВИВАЛЕНТА УГЛЕРОДАНА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙДЛЯ ТРУБ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К65 И К70Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологииДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Ефименко Л.А.Москва 20172ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ4Глава 1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР61.1.Особенностисвариваемостиперспективныхсталейдлястроительства магистральных газопроводов61.1.1.Химический состав высокопрочных трубных сталей91.1.2.Структурно-фазовый состав высокопрочных сталей131.2.Анализрасчетныхметодовоценкисвариваемостивысокопрочных сталей1.3.Анализ применяемых технологий сварки продольных икольцевых стыков магистральных газопроводов16321.4.Заключение по анализу литературного обзора471.5.Цель и задачи работы48Глава 2.ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НАЗНАЧЕНИЯЭКВИВАЛЕНТАУГЛЕРОДА,ОПРЕДЕЛЕННОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ50ЗАВИСИМОСТЕЙ2.1.Выводы по Главе 2Глава 3.ОЦЕНКА ВЗАИМОСВЯЗИ ЭКВИВАЛЕНТА УГЛЕРОДА СРЕАКЦИЕЙ СТАЛЕЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К65 – К70 НА7677ТЕРМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ СВАРКИ3.1.Анализ сталей, принятых для исследования3.2.Материал и методика исследования реакции высокопрочныхсталей на термический цикл сварки3.3.Результаты исследования влияния эквивалента углерода нареакцию сталей на термический цикл сварки3.4.Выводы по Главе 3778285983Стр.Глава 4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕЭКВИВАЛЕНТАИССЛЕДОВАНИЯУГЛЕРОДАНАВЛИЯНИЯСКЛОННОСТЬКОБРАЗОВАНИЮ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ100СТАЛЕЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К65 – К704.1.Материалы и методика исследования1004.2.Результаты исследования1044.3.Выводы по Главе 4112Глава 5.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯЭКВИВАЛЕНТАПРОЧНОСТИУГЛЕРОДАК65–ДЛЯК70,СТАЛЕЙКЛАССАОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГОЗАДАННЫЙ УРОВЕНЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В 113ОКОЛОШОВНОМУЧАСТКЕЗОНЫТЕРМИЧЕСКОГОВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВИ ОТСУТСТВИЕ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН5.1.Выводы по Главе 5126Общие выводы по работе127Литература1294ВВЕДЕНИЕУспешная реализация современных инновационных проектов, таких какБованенково-Ухта, Сила Сибири, Сила Сибири - 2, Сахалин-ХабаровскВладивосток и других неразрывно связана с использованием труб повышеннойкласса прочности.

Это позволяет повысить давление в магистрали и одновременноснизить металлоемкость, сократить расходы на транспортировку и монтаж труб.В настоящее время все более широкое применение находят трубы классапрочности К60, К65 и К70, а в перспективе и выше, больших диаметров и толщин.Дляихпроизводствахарактеризующихсянизкимразработансовременныйсодержаниемклассуглерода,материалов,кремний-марганцевойсистемой легирования, высокой степенью чистоты по сере и фосфору имикролегированием сильными карбидообразующими элементами: ниобием,ванадием, титаном.

Такой химический состав обеспечивает у этой группы сталейнизкую склонность к образованию горячих трещин и достаточно высокую – квозникновению холодных трещин. При этом, традиционно используемымметалловедческим критерием, ответственным за их образование, является наличиезакалочных структур в металле околошовного участка (ОШУ) зоны термическоговлияние (ЗТВ) сварных соединений.Важной характеристикой, определяющей влияние химического составаметалла на его реакцию на термический цикл сварки, является эквивалентуглерода. В зависимости от Сэкв меняются требования к режимам сварки, прикоторых обеспечиваются требуемые структура и комплекс механических свойствсварных соединений.Наиболее полно в работах отечественных и зарубежных исследователей,таких как Кузмак Е.М., Шоршоров М.Х., Макаров Э.Л., Гривняк И., Бессио К., ИтоК.

и других, изучены вопросы свариваемости традиционных низкоуглеродистыхсталей с содержанием углерода свыше 0,12%. Предложены зависимости дляопределения эквиваленты углерода. Рядом нормативных документов установленыегокритическиезначения.Применительнокмалоуглеродистым5микролегированным высокопрочным сталям ранее установленные критическиезначения Сэкв не позволяют достаточно достоверно оценить их реакцию натермический цикл сварки (например, с позиции образования холодных трещин).Следует такжеиметь в виду, чтовысокопрочные сталиразныхпроизводителей, входящие в один класс или категорию прочности, при примерноодинаковом содержании углерода характеризуются значительным диапазономвеличины Сэкв за счет введения дополнительных легирующих элементов и,наоборот, при одинаковых значениях Сэкв содержат весьма различное количествоуглерода.На защиту выносятся следующие положения:1.

Результаты исследования особенностей реакции на термический циклсварки малоуглеродистых микролегированных сильными карбидообразующимиэлементами высокопрочных сталей с эквивалентом углерода от 0,35 % до 0,54 %.2. Результаты исследования кинетики полиморфных превращений аустенитав металле околошовного участка зоны термического влияния сварных соединенийв широком диапазоне скоростей охлаждения для различных способов сварки трубв интервале содержания углерода от 0,027% до 0,11%.3. Результаты исследования влияния эквивалента углерода на склонность кобразованию холодных трещин при сварке сталей для труб класса прочности К65и К70.4.

Результаты оценки роли сильных карбидообразующих элементов вструктурообразовании при сварке исследованных сталей.5. Скорректированная зависимость по расчету значения эквивалентауглерода сталей для труб классов прочности К65 и К70 и методика для определенияего критического значения.6Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1. Особенности свариваемости перспективных сталей для строительствамагистральных газопроводовВ ближайшие годы рост мировой добычи нефти и газа будет сопровождатьсяусложнением условий эксплуатации месторождений [1].

В основном этопроисходитзасчетвводавэксплуатациюместорожденийскоррозионноактивными средами, продвижением добычи в северные регионы,освоением шельфа и сейсмически опасных регионов.В связи со значительной удаленностью газонефтедобывающих регионов отконечных потребителей углеводородного сырья важная роль в успешном развитиинефтяной и газовой промышленности принадлежит современным технологическимрешениям проблемы его транспортировки, среди которых приоритетнымстановится повышение давлений в трубопроводах. В перспективе трубопроводывысокого давления будут находить все большее применение. Сегодня, в качествебазовых для строительства магистральных газопроводов, являются трубыдиаметром 1420 мм с толщиной стенки до 42 мм [2, 3].Отмеченные выше особенности требуют применения конструкционныхматериалов,отличающихсявысокойпрочностью,хладостойкостью,сейсмостойкостью, коррозионной стойкостью, стойкостью к естественномустарению, хорошей свариваемостью [4, 5, 6, 7, 8].В наибольшей степени отмеченным характеристикам соответствуют новыестали для труб класса К65, К70, а в перспективе и выше [9, 10, 11, 12].В Таблицах 1.1 и 1.2 представлены требования различных нормативныхдокументов к механическим свойствам труб, изготовленных из высокопрочныхсталей [13, 14, 15, 16, 17].7Таблица 1.1.Требования ряда стандартов к механическим свойствам труб из высокопрочныхсталейНормативныйдокументКласс(категория)прочностиВременноесопротивление разрыву(σв),МПаПределтекучести(σ0,2),МПаОтносительнОтношениеоепредела текучестиудлинениек временному(δ5),сопротивлению%разрыву (σ0,2/ σв)Не менееГОСТ 2029591СТО Газпром2-2.1-249-2008ISO 3183API 5LНе болееК6058841216-К60590485200,90К65640555180,92L485 (Х70)570485-0,93L555 (Х80)625555-0,93L625 (Х90)695625-0,95L690 (Х100)760690-0,97L830 (Х120)915830-0,99Х70565483-0,85Х80621555-0,89Х90695625-0,90Х100760690-0,91Х120915830-0,918Таблица 1.2.Требования по ударной вязкости и доли волокна в изломе, предъявляемые к сварным соединениям трубиз высокопрочных сталейПараметры трубопровода и характеристики эксплуатацииМинимальная ударнаявязкость(KCV), Дж/см2 (Дж)РабочееТемператураДиаметр,Класс (категория)давление,ОсновнойСварноеиспытанийммпрочностиМПаметаллсоединение *0ГОСТ 20295-5 С720 - 820К6029,419,60120010,058,8СНиП-20 С или2.05.06-85-40 0С140010,0107,8К605550,0 (34,4)СТО Газпром-20 0С или02-2.1-249-2008-40 СК657060,0 (50,0)СТО Газпром-20 0С или1000 К65Св.

9,870(50,0)2.-2.2-358-2009-40 0С1400К70485 (К60)(50,0)Тmin + -10 0С485 F (К60 с(толщина додополнительными(124,0)20 мм)требованиями)Тmin + -20 0С(50,0)DNV-OS-F101555 (К65)(56,0)(толщина555 F (К65 ссв.20 мм додополнительными(155,0)40 мм)требованиями)До -60 0С59,039,0L485 (К60)ISO 31830 0С1420(54)40L555 (К65)Х70 (К60)1219 API 5L0 0С(54)401422Х80 (К65)*Для всех сварных швов (только для кольцевых швов, выполненных в монтажных условиях)НормативныйдокументМинимальнаядоля волокнав изломе, %50808585-8585409Указанные свойства высокопрочных трубных сталей достигаются путемсочетания рационального химического состава и целевого формированияструктуры в процессе контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением[18, 19, 20, 21, 22].1.1.1. Химический состав высокопрочных трубных сталейОтечественными и зарубежными металлургическими компаниямиприняты схемы производства высокопрочных трубных сталей, основанные нанизкотемпературной прокатке (с завершением в γ (γ + α) области) ипоследующем охлаждении на воздухе или ускоренном охлаждении.В зависимости от требований к основным характеристикам проката,возможностиоборудования,ипринятойтехнологиипроизводства,химический состав сталей может изменяться в достаточно широких пределах.Оптимизации химического состава высокопрочных трубных сталейпосвящен целый ряд исследований [8, 22, 23, 24, 25, 26, 27].