Диссертация (Обоснование критического значения эквивалента углерода на основе оценки свариваемости сталей для труб класса прочности К65 и К70), страница 2

В работе [22]представлено сочетание композиций легирования высокопрочных сталей,составленных с учетом технологии их изготовления и обеспечения требуемогоструктурно-фазового состава, а, следовательно, и свойств труб классапрочности К60-К75 (Таблица 1.3).Таблица 1.3.Варианты производства проката классов прочности К60 [22]КлассКомпозиция легированияпрочностиПроцессТолщина,мм0,08% С; 1,6% Mn;(Nb-V-Ti)Технология контролируемойпрокатки в (γ-α)-области сохлаждением на воздухе15,0 –20,00,08% С; 1,6% Mn;(Nb-V-Ti)Технология интенсивногоускоренного охлаждения30, 0иболееК60СтруктураФеррит ссубзереннойструктурой иперлитМелкозернистыйферрит ибейнит10КлассКомпозиция легированияпрочности0,06% С; 1,65%Mn;Cu-Ni или Moили Nb не более 0,07%0,09% С; 1,65%Mn;0,45% Si,Nb-Ti0,07% С; 1,55%Mn(Ni-Cu-Nb-V)0,06% С; 1,55%Mn(Ni-Cu-Mo-Nb-V)0,07%С; 1,85%Mn;0,30 %Mo; 0,20%Ni;К65(0,05%V-0,05%Nb0,02%Ti)0,07%С; 1,95%Mn;0,30 %Mo; 0,25%Ni;К750,25%Cu;(0,07%Nb-0,02%Ti)ПроцессСтандартная технологияускоренного охлажденияТехнология контролируемойпрокатки в (γ-α)-области сохлаждением на воздухеУскоренное охлаждение из(γ-α)-областиУскоренное охлаждение из(γ-α)-областиКонтролируемая прокатка сускоренным охлаждениемКонтролируемая прокатка сускоренным охлаждением(прямая закалка)Толщина,мм26, 0именее25,818,721,6СтруктураБейнит иферритФеррит иперлитФеррит ибейнитФеррит ибейнит-Феррит ибейнит-Феррит ивысокодисперсныйбейнитКак видно из представленных данных (Таблица 1.3), в отличии оттрадиционных низколегированных трубных сталей, стали нового поколенияотличаются гораздо более низким содержанием углерода.

В работах Ю.Д.Морозова указывается, что в стали для труб класса прочности К65,полученной с использованием контролируемой прокатки с ускореннымохлаждением, содержание углерода, как правило, составляет 0,04 – 0,07 %. Этооказывает положительное влияние на их хладостойкость и свариваемость(Рис. 1.1) [28].Рис. 1.1.

Влияние содержания углерода в трубных сталях на температурувязко-хрупкого перехода11Стали характеризуются относительно высоким содержанием марганца(1,6 – 1,85 %), добавками Mo, Cr, Ni, Cu (в разных сочетаниях) [23]. Этиэлементы способствуют торможению распада аустенита в перлитной областии образованию бейнитной составляющей структуры.Отличительнойособенностьюрассматриваемыхсталейявляетсякомплексное микролегирование их карбидообразующими элементами Nb, Ti,V, суммарное содержание которых составляет примерно 0,15 %. Этиэлементы, особенно Nb, повышают прочностные характеристики и улучшаютвязкость, за счет влияния на процессы рекристаллизации аустенита, получениямелкозернистойструктурыидисперсионногоупрочненияпрокатакарбонитридами Nb, Ti, V (Рис. 1.2) [29, 30, 31].Рис.

1.2. Влияние микролегирующих элементов на прочность ивязкость стали при различных способах охлажденияСледует отметить достаточно высокую чистоту высокопрочных сталейпо наличию вредных примесей. Содержание серы в них не превышает 0,015 %,фосфора – 0,025 %. Это ограничивает образование в структуре легкоплавкихэвтектик и выделение хрупких фаз. Уровень легирования рассматриваемыхсталей ограничивается, главным образом, условием обеспечения их хорошейсвариваемости. За критерий свариваемости, как правило, принимают значениеэквивалента углерода [7, 32]12Таблица 1.4.Химический состав труб класс прочности К60 – К70 по данным разных нормативных документовНормативныйдокументХимический состав, %SPNbVTiКласс прочности К60СSiMn0,140,160,601,850,0100,0150,080,040,120,260,120,450,451,751,651,700,0100,0300,0150,0200,0300,0250,05API 5L (PSL 1)0,26-1,650,0300,030API 5L (PSL 2)0,22-1,650,0150,0250,100,060,15%0,15%0,060,15%0,060,15%1,900,0040,010ОТТ-08.00-60.30.00КТН-013-1-04(2 уровень качества)DNV-OS-F101ISO 3183 (PSL 1)ISO 3183 (PSL 2)ОТТ-08.00-60.30.00КТН-013-1-04DNV-OS-F101ISO 3183 (PSL 2)0,140,120,160,400,450,45ISO 3183 (PSL 2)0,100,552,10ISO 3183 (PSL 2)API 5L0,100,070,55-2,101,900,071,851,85≤≤≤≤Класс прочности К650,080,080,040,050,0100,0200,050,100,060,0150,025≤ 0,15%Класс прочности К700,0100,020≤ 0,15%Класс прочности К750,0100,020≤ 0,150,020,015  0,025 0,05AlNiCrMoВ0,020,05----0,04-0,500,500,500,500,500,500,500,150,50-----------0,350,350,250,00120,500,500,500,500,0501,000,005-1,00,500,50--1,00,250,500,500,30-0,020,050,04-13В настоящее время государственными и отраслевыми стандартами длятруб из сталей класса прочности К60 включительно установлены критическиезначения эквивалента углерода 0,43 – 0,46 % (Таблица 1.4).

Для стали классапрочности К65 – К70 эти значения находятся на уровне 0,45 % [30].Таблица 1.5.Требования нормативных документов к значениям эквивалента углерода сталейдля труб классов прочности до К60 включительноНаименование документаПолное названиеРегламентированноекритическое значениеэквивалента углеродаТрубы стальные сварные общегоназначения. Технические условия0,46СТО Газпром2–4.1–713–2013Технические требования к трубам исоединительным деталей0,43СП 42-102-2004Проектирование и строительствогазопроводов из металлических труб0,46Магистральные трубопроводы0,46ГОСТ 33228-2015СНиП 2.05.06-85*Инструкция по технологии сварки приРД 153-006-02строительстве и капитальном ремонтемагистральных нефтепроводовОбщие технические требования наОТТ 08.00-60.30.00-КТНнефтепроводные трубы большого013-1-04диаметра0,460,43Таким образом, в условиях ограниченного легирования сталей, высокийуровень механических свойств будет в значительной степени определятьсяструктурно-фазовым составом.1.1.2.

Структурно-фазовый состав высокопрочных сталейМикроструктура проката и ее морфология во многом определяетсякинетикой фазовых превращений аустенита и его состояния перед распадом.14Как показывает мировая практика для сталей с ферритно-перлитнойструктурой может быть получен комплекс свойств металла на уровне классапрочности К60 [33]. Обеспечение более высокого класса прочности стали (К65,К70 и более) должно базироваться на формировании высокодисперснойферритно-бейнитноймикроструктуры,характеризующейсяразвитойсубструктурой и повышенной плотностью дислокации [29, 30, 34, 35, 36, 37].Формированиетакойструктурыобеспечиваетсявпроцессеконтролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.

При этом за счетпредварительной деформации аустенит, перед распадом, характеризуетсяналичием большого количества центров зарождения новых фаз при охлаждении[38, 39, 40]. Ускоренное охлаждение способствует сдвигу распада аустенита вобласть температур образования промежуточных структур. При этом, наличие втвердом растворе, до завершения чистовой прокатки, Ti, V и особенно, Nbспособствует превращению аустенита в бейнитной области (Рис.

1.3) [22,41,42,43].Рис. 1.3. Корреляционная связь между содержанием ниобия в твердом растворе,скоростью охлаждения при прокатке и микроструктурой [28]15Для оценки характера фазовых превращений в стали типа К65 принепрерывном охлаждении горячедеформированного аустенита авторами работы[30] построена термокинетическая диаграмма, приведенная на Рис. 1.4.Рис. 1.4. Термокинетическая диаграмма превращения горячедеформированногоаустенита при непрерывном охлаждении стали класса прочности К65 (Х80)Как видно, формирование бейнитной структуры в исследованной сталипроисходит практически во всем реализуемом интервале скоростей охлаждения.Перлитноепревращениеподавляетсявдиапазонемалых(2-3 °С/с) скоростей охлаждения.

Ферритное превращение происходит во всеминтервале скоростей охлаждения. Следовательно, конечная микроструктурастали будет ферритно-бейнитной.На Рис. 1.5 приведены фотографии микроструктур ряда сталей для трубкласса прочности К60 – К70. Как видно, сталь класса прочности К60 имеетполосчатую ферритно-перлитную структуру с различной дисперсностьюферритно-карбидныхучастков.Около60-65%структурысоставляетвысокодисперсная ферритная фаза [44]. Стали класса прочности К65 и К70имеют преимущественно бейнитную структуру с содержанием феррита вколичестве 10-15 % и не более 10 % соответственно.16а)б)в)Рис.

1.5. Микроструктура (х500) исследованных сталей класса прочностиК60 (а), К65 (б) и К70 (в)Таким образом, анализ литературных данных показывает, что сочетаниевысокой прочности, ударной вязкости, хладостойкости малоуглеродистыхнизколегированных сильными карбидообразующими элементами сталей длятруб класса прочности К65-К70 обеспечивается путем формирования в нихвысокодисперсной ферритно-бейнитной микроструктуры.1.2 Анализ расчетных методов оценки свариваемостивысокопрочных сталейСвариваемость является одной из важнейших характеристик сталей,применяемых в сварных конструкция. Согласно ГОСТ 2601 «Сварка металлов.Термины и определения основных понятий» принято следующее определениесвариваемости: «Свариваемость – свойство металлов или сочетания металловобразовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающеетребованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия» [45].Согласно ГОСТ 29273–92 общее определение свариваемости материалов звучитследующим образом: «Металлический материал считается поддающимся сваркедо установленной степени при данных процессах и для данной цели, когдасваркойдостигаетсяметаллическаяцелостностьприсоответствующемтехнологическом процессе, когда свариваемые детали отвечали техническим17требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении ихвлияния на конструкцию, которую они образуют» [46].В сварочной практике существует понятие физической и технологическойсвариваемости.Физическаясвариваемостьподразумеваетвозможностьполучения монолитных сварных соединений с химической связью.