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

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов,списка литературы из 76 наименований, работа изложена на 135 страницах машинописного текста,содержит 57 рисунков и 24 таблицы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационнойработы, научная новизна, показано направление исследования свариваемости сталей для труб классапрочности К60, К65 и К70.В первой главе представлен обзор литературных источников, посвященных особенностямсвариваемости перспективных трубных сталей для строительства магистральных газопроводов.Проанализирован химический и структурно-фазовый состав высокопрочных трубных сталей.Выявлено, что в отличие от традиционных низколегированных трубных сталей, стали новогопоколения отличаются гораздо более низким содержанием углерода, относительно высокимсодержанием марганца (1,6% – 1,85%), добавками легирующих элементов: Mo, Cr, Ni, Cu (в разныхсочетаниях).Отличительнойособенностьюрассматриваемыхсталейявляетсякомплексноемикролегирование их карбидообразующими элементами Nb, Ti, V, суммарное содержание которыхсоставляет примерно 0,15%.

Эти элементы, повышают прочностные характеристики и улучшаютвязкость, за счет влияния на процессы рекристаллизации аустенита, получения мелкозернистойструктуры и дисперсионного упрочнения проката карбонитридами.4Анализ расчетных методов оценки свариваемости высокопрочных сталей, выполненный вработе показал, что в используемых в настоящее время зависимостях, связывающих значениеуглеродного эквивалента с химическим составом стали, вклад одних и тех же легирующих элементовоценивается по-разному. Структурно-фазовые превращения, протекающие в определенной группесталей, обладают существенной спецификой, что не позволяет применять одни и те же зависимости порасчету эквивалента углерода к сталям различных групп.

В связи с этим, применительно к исследуемымсталям, необходимо скорректировать зависимости для расчета эквивалента углерода с учетом каксистемы легирования сталей, так и влияния режимов сварки.Анализ применяемых технологий сварки кольцевых стыков магистральных газопроводовпоказал, что наиболее распространенным диапазоном погонных энергий является интервал от 0,5 до 1,5кДж/мм.

Ограничение тепловложения в основной металл за счет изменения режимов вызываетсущественное повышение скоростей охлаждения металла ОШУ ЗТВ сварного соединения. Какследствие этого возникает опасность появления закалочных структур, происходит повышениетвердости этого участка сварного соединения и падение его ударной вязкости, что необходимоучитывать при назначении критического значения эквивалента углерода.Во второй главе дана оценка влияния легирующих элементов на значения эквивалентауглерода, определенного с использованием различных зависимостей на примере более чем 40 мароксталей.

Проведенный анализ долевого участия легирующих элементов в формировании значенияэквивалента углерода показал, что, для всех групп свариваемых сталей наблюдается тенденция поснижению вклада углерода в величину эквивалента углерода по мере увеличения значенияпоследнего. Вклад марганца, как основного легирующего элемента, также подвержен тенденции кснижению его роли в формировании эквивалента углерода по мере увеличения концентрацииуглерода. В случае легирования сталей сильными карбидообразующими элементами необходимоучитывать тот факт, что на процесс образования закалочных структур при сварке в наибольшейстепени влияет содержание углерода, оставшегося в аустените после выделения специальныхкарбидных фаз.

В малоуглеродистых микролегированных сильными карбидообразующимиэлементами сталях с содержанием углерода менее 0,05% количество углерода в аустените поотношению к его содержанию в химическом составе стали может снижаться до 2 раз. В этом случаеобразование закалочных структур при распаде аустенита в процессе сварки вызовет уменьшениестепени тетрагональности решетки мартенсита, снижение уровня напряжений и склонности кобразованию холодных трещин. Данный факт может стать основанием для пересмотракритического значения эквивалента углерода в сталях для труб категории прочности К65 и К70.В третьей главе выполнена экспериментальная оценка взаимосвязи эквивалента углерода среакцией исследуемых сталей на термический цикл сварки (табл.

1).5Таблица 1Химический состав исследованных высокопрочных сталейНомерплавкиСодержание химических элементов, %СSiMnPSNiMoCrCuAlVTiNbNCaWZr Сэкв PcmI0,075 0,14 1,33 0,008 0,001 0,20 0,004 0,163 0,113 0,032 0,002 0,0177 0,063--0,025 0,006 0,35 0,16II0,085 0,17--0,05-0,37 0,18III0,11 0,26 1,73 0,013 0,005 0,024---0,43 0,22IV0,027 0,195 2,00 0,005 <0,004 0,49 0,310,23 0,512 0,039 <0,02 0,027 0,027--<0,025 0,0089 0,54 0,20V0,068 0,28 1,78 0,011 0,001 0,24 0,197 0,015 0,240 0,027 0,002 0,0112 0,031--0,025 0,059 0,44 0,20VI0,084 0,22 1,90 0,012 <0,002 0,21 0,25 0,062 0,05 0,044 <0,005 0,018 0,048--VII0,066 0,25 1,81 0,005 <0,001 0,24 0,25 0,008 0,231,4 0,007 0,001 0,19 0,135 0,005 0,088 0,041 0,050 0,012 0,046-0,03 0,026 0,040,100,021 0,046 0,002--0,48 0,210,02 0,046 0,0178 0,053 0,005 0,005 0,0075 0,0038 0,46 0,20Сэкв = С+ Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15Pcm=C+Si/30+(Cr+Mn+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5BСогласно нормативным документам значения эквивалента углерода не должно превышать0,43% и 0,46% для металла труб из сталей класса прочности К60.

Из сопоставления химическихсоставов семи плавок сталей, принятых для исследования видно, что металл IV, VI и VII плавокхарактеризуется значениями эквивалента углерода выше нормативных значений.Влияние эквивалента углерода на реакцию высокопрочных сталей на термический циклсварки оценивалось путем имитации процессов дуговой сварки плавлением в околошовном участкезоны термического влияния, как наиболее опасном с позиции формирования закалочных структури сопротивления хрупкому разрушению. В качестве оценочных показателей рассматривалисьособенности кинетики распада аустенита, формирование структурно-фазового состава, егоморфологии и изменения механических характеристик (твердости и ударной вязкости).

Натермокинетические и структурные диаграммы, а также графики изменения твердости, ударнойвязкости и доли вязкой составляющей в изломе были нанесены области скоростей охлаждения(20 - 50С/с) соответствующие режимам сварочных процессов, применяемым при сварке и ремонтекольцевых сварных соединений магистральных газопроводов.На Рис. 1 и Рис.

2 приведены термокинетические и структурные диаграммы околошовногоучастка зоны термического влияния и фотографии микроструктур высокопрочных сталей сразличным значением эквивалента углерода.6I)II)а)б)Рис. 1. Термокинетические (I) и структурные (II) диаграммы ОШУ ЗТВ исследованныхвысокопрочных сталей со значениями эквивалента углерода 0,43 % (а) и 0,54 % (б)а)б)в)Сэкв =0,43 %С экв =0,54%Рис. 2. Фотографии микроструктуры (х500) металла околошовного участка зоны термическоговлияния исследованных сталей при скоростях охлаждения 3°С/с (а), 40-50°С/с (б) и 70-80°С/с (в)Анализ представленных данных (Рис. 1 и Рис. 2) показывает, что характерной особенностьюмалоуглеродистых высокопрочных сталей, в отличие от низколегированных традиционныхтрубных сталей, является формирование преимущественно бейнитной структуры во всемисследованном диапазоне скоростей охлаждения.

При этом чем выше значение эквивалентауглерода, тем меньше ферритной фазы в структуре ОШУ ЗТВ, при прочих равных условиях.7Формирование мартенситной фазы в ОШУ ЗТВ, например, в количестве около 50%наблюдается при скоростях охлаждения (w8-5) 80°С/с и 50°С/с для сталей с эквивалентом углерода0,43% (III плавка) и 0,54% (IV плавка) соответственно.Для изучения особенностей строения мартенсита был выполнен рентгеноструктурныйанализ сталей со значениями эквивалента углерода 0,35%, 0,44%, 0,54%, предварительнозакаленных на мартенсит.

Результаты анализа (табл. 2) показали, что во всех образцах α-Fe-фазахарактеризуется отсутствием значительной тетрагональности кристаллической решетки. При этомс понижением содержания углерода снижается плотность дислокаций. Формирующийся мартенситхарактеризуется повышенной пластичностью по сравнению с мартенситом традиционных сталей.Таблица 2Величина плотности дислокаций исследуемых сталейЭквивалент углерода, %0,350,440,54Содержание углерода, %0,0750,0680,027Плотность дислокаций, 1011 см-22,82,42,2На Рис.

3 показано изменение твердости металла ОШУ ЗТВ исследованных сталей взависимости от скорости охлаждения при сварке с выделением области нормативных значенийтвердости, соответствующие 325 HV10 и 350 HV10.Рис. 3. Изменение твердости металла ОШУ ЗТВ высокопрочных сталей, характеризующихсяразличным значением эквивалента углерода в зависимости от скорости охлажденияАнализ полученных данных показывает, что при сварке малоуглеродистых высокопрочныхсталей значения твердости, не превышающие нормативные показатели, могут быть обеспечены прискоростях охлаждения от 40°С/с до 70°С/с (325 HV10) и от 50°С/с до 80°С/с (350 HV10) несмотря нато, что эквивалент углерода ряда сталей выше нормативных значений предусмотренных.8На основе полученных данных были построены зависимости изменения скоростейохлаждения, обеспечивающих нормативные значения твердостей (325 HV10 и 350 HV10) металлаОШУ ЗТВ высокопрочных сталей в зависимости от эквивалента углерода (Рис.

4).Рис. 4. Изменение скорости охлаждения w8-5, обеспечивающей значения твердости 325 HV10 и 350HV10 металла ОШУ ЗТВ высокопрочных сталей в зависимости от эквивалента углеродаАнализ кривых показывает, что чем выше значение эквивалента углерода, тем ниже w8-5,обеспечивающие нормативные значения твердости при прочих равных условиях.Характер изменения значений ударной вязкости (KCV-40) околошовного участка ЗТВ присварке малоуглеродистых высокопрочных трубных сталей с различными значениями эквивалентауглерода показан на Рис. 5.Рис. 5. Изменение ударной вязкости (KCV-40) ОШУ ЗТВ высокопрочных сталей,характеризующихся различным значением Сэкв в зависимости от скорости охлажденияИз графиков видно, что зависимости изменения показателей сопротивления хрупкомуразрушению носят экстремальный характер и описываются полиноминальной функцией для всех9исследованных сталей.

Значения ударной вязкости выше нормативных (KCV-40 ≥ 50 Дж/см2)обеспечиваются в диапазоне скоростей охлаждения гарантирующих с одной стороны отсутствиеразупрочнение металла, с другой – повышение твердости до нормативного уровня.Таким образом, выполненные исследования по оценке реакции на термический цикл сваркималоуглеродистых,микролегированныхсильнымикарбидообразующимиэлементамивысокопрочных сталей со значениями эквивалента углерода от 0,35% до 0,54% показаливозможность обеспечения комплекса механических характеристик – твердости и сопротивленияхрупкому разрушению на уровне нормативных значений в зоне термического влияния при способахсварки, используемых при строительстве магистральных газопроводов.Выявлена необходимость ограничения максимально допустимой величиной скоростиохлаждения, не превышающей 40°С/с сталей для труб класса прочности К65 и К70 с эквивалентомуглерода превышающим критическое значение, принятое для сталей более низких классовпрочности, позволяющая обеспечить формирование комплекса нормативных характеристикметалла ОШУ ЗТВ при способах сварки, используемых при строительстве магистральныхгазопроводов.В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влиянияэквивалента углерода на склонность к образованию холодных трещин при сварке исследуемыхсталей.Испытания образцов на холодные трещины проводилось по ГОСТ 26388 на установке ЛТП2-3.