Введение к работе
Актуальность темы
В отечественной и зарубежной практике, за последнее десятилетие, при строительстве трубопроводов наблюдается активный спрос на малоуглеродистые низколегированные стали категории прочности К60, Кб5, К70 и выше.
Реализация проектов магистральных газопроводов «Бованенково - Ухта», «Сахалин - Хабаровск», «Северный поток», «Южный поток», магистральных нефтепроводов «Восточная Сибирь - Тихий океан», «Балтийская трубопроводная система» из сталей повышенной категории прочности, эксплуатация которых нацелена на сложные климатические условия, заостряет вопрос о надежности сварных соединений на более высоком уровне, обеспечение которого достигается за счет формирования рационального структурно-фазового состава.
В работах отечественных и зарубежных исследователей Морозова Ю. Д., Матросова М. Ю., Настича С. Ю., Пышминцева И. Ю, Эфрона Л. И., Ишикавы Н. и других, достаточно подробно были рассмотрены вопросы обеспечения требуемых структуры и свойств высокопрочных трубных сталей при термомеханической обработке.
В исследованиях Макарова Э. Л., Столярова В. И, Ефименко Л. А., Елагиной О. Ю., Франтова И. И., Степанова П. П., Хамады М. и других, предложены подходы по выбору технологических параметров процессов сварки высокопрочных трубных сталей, базирующихся на обеспечении требуемых структуры и свойств металла шва и околошовного участка зоны термического влияния. Вместе с тем процессы, протекающие на других участках зоны термического влияния сварных соединений данных сталей, изучены недостаточно. Слабо освящены вопросы взаимосвязи морфологии структуры со свойствами сварных соединений, что подтверждает актуальность настоящей работы.
Цель работы и основные задачи исследования
Целью работы явилось исследование влияния морфологии структуры на свойства сварных соединений высокопрочных трубных сталей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование реакции высокопрочных трубных сталей на термический цикл сварки на основе изучения свойств различных участков зоны термического влияния.
-
Исследование особенности кинетики распада аустенита в околошовном участке и участке неполной перекристаллизации зоны термического влияния сварных соединений высокопрочных трубных сталей.
-
Исследование морфологии структуры металла зоны термического влияния сварных соединений высокопрочных трубных сталей и ее влияние на процесс разупрочнения и сопротивление металла хрупкому разрушению.
-
Выбор рационального интервала скоростей охлаждения, обеспечивающего эксплуатационные характеристики сварных соединений из сталей категории
прочности К60 - К70 и их реализация при сварке трубопроводов из высокопрочных сталей.
Методы исследования
Работа выполнена на основе анализа и обобщения литературных данных, лабораторных исследований и натурных испытаний.
В работе использованы: дилатометрический метод для построения термокинетических диаграмм распада аустенита, с целью изучения кинетики фазовых превращений в условиях сварочного процесса; метод имитации термических циклов сварки; оптическая металлография, в том числе для изучения морфологии структуры - сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия тонких фолы (ПЭМ); стандартные методы измерения твердости; определение механических свойств в условиях статического и динамического нагружения, методы математического моделирования сварочных процессов, экспериментальные методики записи термических циклов сварки.
Научная новизна
1. На основе изучения кинетики распада аустенита в зоне термического
влияния сварных соединений высокопрочных трубных сталей установлено, что на
участке неполной перекристаллизации возможно наличие разупрочнения до 20 %, за
счет выделения структурно-свободного феррита при сварке.
На основе электронно-микроскопических исследований металла зоны термического влияния, установлен структурно-фазовый состав участка неполной перекристаллизации, обеспечивающий равнопрочность сварных соединений высокопрочных трубных сталей. Показано, что содержание структурно-свободного феррита не должно превышать 10 - 20 % с условным диаметром ферритного зерна не более 4-5 мкм, содержание глобулярного бейнитного феррита - не менее 70 -80 % размером не более 16 мкм и не менее 10 % мартенситно-аустенитной фазы, размером не более 2 мкм.
Определены минимально допустимые скорости охлаждения (wg-s) участка неполной перекристаллизации зоны термического влияния, обеспечивающие формирование указного структурно-фазового состава при сварке сталей категории прочности К60, К65 и К70, которые составляют не менее 10 С/с, 20 С/с и 30 С/с соответственно. Верхний интервал скоростей охлаждения ограничивается максимальными нормативными значениями твердости и составляет не более 60 С/с.
2. На основе исследования взаимосвязи морфологии структуры и показателей
сопротивления сварных соединений высокопрочных трубных сталей хрупкому
разрушению определен структурно-фазовый состав околошовного участка зоны
термического влияния, обеспечивающий значения ударной вязкости на уровне не
ниже нормативных требований. Структура данного участка должна состоять
полностью из реечного бейнитного феррита размером пакета не более 35 мкм,
содержащего не более 30 % мартенситно-аустенитной фазы, средним размером не
более 300 нм.
3. На основе сопоставления размеров фрактографических характеристик вязкого и хрупкого разрушения металла околошовного участка зоны термического влияния и элементов структуры металла этого участка, получены корреляционные зависимости, показывающие, что в области хрупкого разрушения в каждом пакете бейнита зарождается примерно две микротрещины квазискола, а в каждом пакете бейнита при вязком микромеханизме разрушения зарождается около двадцати микротрещин вязкого разрушения. При этом отношение диаметра ямки к среднему размеру пакета бейнита (с1я / dn.6 ) составляет 0,05, а отношение среднего размера фасетки квазискола к среднему размеру пакета бейнита (ёфКС / с1п.б) составляет 0,5.
Показано, что для обеспечения указанного структурно-фазового состава околошовного участка зоны термического влияния и его морфологии приемлем интервал скоростей охлаждения, гарантирующий отсутствие разупрочнения в зоне термического влияния сварных соединений высокопрочных трубных сталей.
Практическая значимость работы
Предложен подход к обоснованию выбора режимов сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов из высокопрочных сталей, основанный на установлении взаимосвязи свойств сварных соединений не только со структурно-фазовым составом, но и с морфологией структуры.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Особенности кинетики распада аустенита при сварке высокопрочных трубных сталей.
-
Результаты оценки взаимосвязи морфологии структуры с показателями разупрочнения металла зоны термического влияния сварных соединений высокопрочных трубных сталей.
-
Полученные соотношения фактографических характеристик разрушения металла зоны термического влияния и элементов структуры.
-
Области рациональных диапазонов скоростей охлаждения и режимы сварки их обеспечивающие.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методик экспериментальных исследований на современном, сертифицированном и аттестованном оборудовании, применением программных пакетов обработки данных, а так же реализацией в условиях промышленного применения.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2010 г.), VI Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Сварка и родственные технологии» (Киев, 2011 г.), IX Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности»
(Москва, 2011г.), IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012 г.), VI отраслевом совещании «Состояние и основные развития сварочного производства ОАО «Газпром» (Москва, 2012 г.), форуме «Нефть, газ, промышленность» круглый стол «Трубопроводный транспорт углеводородов» (Российская выставка с международным участием «Трубопроводные системы. Строительство, эксплуатация, ремонт» Москва, 2012 г.), V Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (Москва, 2013 г.).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 136 наименований. Работа изложена на 168 страницах, содержит 37 таблиц, 82 рисунка.
