Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на стадии проектирования и строительства находится ряд крупных российских и транснациональных трубопроводов. Строительство и эксплуатация новых трубопроводов происходит в гораздо более жестких условиях, чем 10 и более лет назад: при повышенных давлениях до 22 МПа, низких температурах до минус 60С, с морскими переходами, переходами через водные преграды, прокладка в горных районах и заболоченных территориях, через районы с сейсмической активностью до 9 балла включительно. При эксплуатации трубопроводы подвергаются циклическим нагрузкам, связанным с температурными колебаниями, вибрациями вблизи компрессорных станций и перепадами давления транспортируемой среды. Эксплуатация в чрезвычайно сложных условиях с возможными серьезными последствиями в случае возникновения аварийных ситуаций обусловливает отнесение таких трубопроводов к техногенно опасным системам. Поэтому к ним должны предъявляться очень высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.
При ужесточении условий прокладки и работы трубопроводов для достижения надежности эксплуатации не достаточно обеспечивать требуемый уровень прочностных (во многих случаях -это класс прочности К60 и выше), пластических свойств и ударной вязкости при заданных температурах монтажа и эксплуатации. Необходимо, чтобы металл труб также обладал высокой трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью. С увеличением толщины стенки трубы (до 40 мм и более) и рабочего давления изменяется характер напряженного состояния стенки трубы, становится значимой величиной составляющая напряжения в z-направлении, что при наличии анизотропии свойств в данном направлении может стать причиной разрушения трубопроводов.
С увеличением проектного срока эксплуатации трубопроводов до 50 лет при выборе материалов для изготовления труб в обязательном порядке необходимо учитывать склонность металла к деградации свойств в процессе эксплуатации. Жесткие требования к металлу могут быть удовлетворены путем строгой регламентации в технических условиях характеристик качества металла, предельно допустимые значения которых должны устанавливаться на основе их корреляционной связи с механическими и эксплуатационными свойствами, определяющими надежность трубопровода. Одним из путей обеспечения высоких механических и эксплуатационных свойств является управление качеством трубного металла, в том числе закладывающегося в процессе металлургического производства.
В связи с этим актуальным является комплексное исследование факторов, оказывающих влияние на механические и эксплуатационные свойства, выявление способов их повышения и оптимального сочетания в процессе металлургического передела для обеспечения надежности и долговечности эксплуатации магистральных нефтегазопроводов.
Цель работы Установить комплекс характеристик качества металла и разработать технологию производства стали, обеспечивающие повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.
Поставленную цель достигали через решение следующих задач:
-
определение комплекса характеристик качества металла, выявление их взаимосвязи со свойствами, определяющими надежность эксплуатации магистральных трубопроводов (прочностными, пластическими свойствами, ударной вязкостью, трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью и склонностью к деградации свойств, в том числе в средах, содержащих сероводород, анизотропией свойств);
-
исследование влияния химического состава и технологических параметров выплавки на характеристики качества трубных низколегированных низкоуглеродистых сталей;
-
выбор и обоснование технологических рекомендаций по выплавке стали с характеристиками качества, обеспечивающими повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.
Научная новизна
1. Установлен комплекс характеристик качества металла, позволяющих обеспечить
повышенный уровень эксплуатационной надежности труб: параметры однородности -
полосчатость структуры не более 2 балла, химическая неоднородность макроструктуры не более 2
балла и микроструктуры не более 2 класса; чистота металла по неметаллическим включениям
(оксидам - не более 2 балла, сульфидам - не более 1 балла).
2. Показано, что для достижения указанного уровня характеристик качества металла
необходимо одновременно ограничивать содержание углерода (не более 0,08%), марганца (1,3-
1,5%), фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), кислорода (не более 0,0020%).
3. Впервые установлено качественное и количественное влияние перечисленных
характеристик качества металла на комплекс механических и эксплуатационных свойств,
определяющих надежность эксплуатации магистральных трубопроводов: ударную вязкость,
статическую и циклическую трещиностоикость, коррозионную стойкость, в том числе в
сероводородсодержащих средах, стойкость к деформационному старению и анизотропию свойств
в тангенциальном, осевом и z-направлениях.
Показано, что чистота стали по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла и полосчатость структуры не более 2 балла являются необходимыми условиями для обеспечения уровня ударной вязкости при отрицательных температурах не менее 200-250 Дж/см2.
Установлено, что металл с повышенными характеристиками качества имеет:
в 1,5-3 раза большую величину критического J-интеграла (Jc) и до 3,5 раза большую величину критического раскрытия в вершине трещины 5С при испытаниях статической трещиностойкости;
скорость роста трещины до 5 раз меньше при испытаниях циклической трещиностойкости;
меньшую склонность к деградации свойств: снижение ударной вязкости KCV.60 при деформационном старении падает на величину в 3 раза меньшую - 50 Дж/см ;
более высокую стойкость к общей коррозии в водной среде: не более 0,01 мм/год в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,04-0,09 мм/год;
повышенную стойкость к питтиговой коррозии: 1,2-1,3 г/м2-ч по отношению к трубам в обычном исполнении, скорость коррозии которых находится в интервале 1,5-2,0 г/м2-ч;
высокую стойкость к водородному растрескиванию, характеризующуюся минимальной протяженностью образующихся трещин (коэффициент длины трещины CLR не более 1,5%, и коэффициент толщины трещины CTR=0%);
- большую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением: условное
пороговое напряжение составляет не менее 0,85Ог в сравнении с трубами в обычном исполнении -
0,65от.
Практическая значимость
-
Разработаны технологические мероприятия, эффективность которых подтверждена на серии опытно-промышленных плавок, по получению стали с низким содержанием фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), с высокой чистотой по неметаллическим включениям (оксиды не более 2 балла, сульфиды - не более 1 балла).
-
На основании разработанных требований к трубным сталям внесены соответствующие изменения в проекты нормативных документов:
стандарт ОАО «АК «Транснефть», «Трубы нефтепроводные большого диаметра. Общие технические требования»;
проект ГОСТ Р «Национальный стандарт РФ. Трубопроводы магистральные. Общие технические требования на трубы».
3. Результаты исследований использованы при разработке новых методик, позволяющих
оценивать структурную неоднородность сталей с бейнитной структурой:
-«Методика оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью эталонных шкал», 2007 г.;
- «Методика количественной оценки структурной полосчатости низколегированных
трубных сталей с помощью автоматического анализа изображений», 2007 г.
4. Получен патент на «Способ внепечной обработки», №2362811 от 23.10.2007.
Апробация работы
Основное содержание диссертации отражено в 13 статьях, опубликованных в профильных журналах и сборниках, в том числе 4 статьи - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 7 международных и российских научно-технических конференциях:
Четвертая конференция молодых специалистов «Металлургия XXI века» (г. Москва, ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова, 2008 г.);
Конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (г. Москва, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина», 2008 г.);
Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Баумана, 2009 год);
Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2009)» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2009 г.);
II Международная конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (г. Москва, ФГУП «ЦНИИЧермет им. И.П.Бардина», 2010 г.);
XVIII Международная научно-техническая конференция «ТРУБЫ-2010» (г. Челябинск, ОАО«РосНИТИ»,2010г.);
Научно-техническая конференция, посвященная 5-летию научно и научно-технической деятельности ЦФМК (г. Москва, ФГУП «ЦНИИЧермет им. Бардина», 2011 г.).
Достоверность результатов
При выполнении работы были использованы современные методы исследований, включавшие оценку величины неоднородности макро- и микроструктуры, степени ликвации химических элементов в металле, испытание механических и эксплуатационных свойств. Для измерения величины полосчатости феррито-бейнитной структуры низколегированных трубных сталей использовали новую методику, основанную на применении эталонных шкал. Методика была разработана совместно с Санкт-Петербургским Государственным Политехническим университетом.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературных источников из 108 наименований, содержит страниц машинописного текста, 56 рисунков, 23 таблицы.
