Введение к работе
Актуальность работы. Углеводородные виды топлива в настоящее время являются и в перспективе будут являться важнейшими источниками энергообеспечения в мире. Обладая крупнейшими в мире запасами природного газа и нефти, Россия выступает важнейшим внешним поставщиком для стран Европы. Её значимые конкурентные преимущества, обусловлены, прежде всего, такими факторами, как обширная ресурсная база, сложившаяся производственная и транспортная инфраструктура. Растущие экономики стран Азиатско-Тихоокеанского региона также являются потенциальными потребителями российского сырья, для чего потребуется сооружение крупных систем трубопроводов.
При относительно развитой сети магистральных трубопроводов, соединяющих Россию и ее партнеров в Европе, не более 10 % российского экспорта газа осуществляется напрямую, в то время как основная его доля поставляется транзитом через территории третьих стран, что создаёт высокую степень уязвимости поставок от геополитических факторов. К тому же, существующая система транспортировки углеводородов внутри страны, призванная обеспечить доставку энергоресурсов от месторождений к потребителям, была построена несколько десятилетий назад и для обеспечения выполнения контрактных обязательств требует значительного ремонта и замены.
В то же время, в связи с истощением разрабатываемых в настоящее время месторождений происходит вовлечение в промышленную разработку новых, как правило, расположенных в отдаленных регионах - на арктическом шельфе, в Сибири и на дальнем Востоке. Это требует прокладки протяжённых систем транспортировки нефти и газа. К крупнейшим проектам, реализуемым в России, относятся магистральные трубопроводы «Бованенково-Ухта», «Северный поток», «Сахалин-Хабаровск», «Восточная Сибирь-Тихий океан», к ожидаемым - «Южный поток», освоение Штокмановского месторождения и другие.
В связи с освоением все более отдаленных месторождений газа и нефти, расположенных в крайне неблагоприятных климатических зонах с суровым климатом, и увеличением мощности магистральных трубопроводов нефтегазовая отрасль выдвигает постоянно возрастающие требования к трубам в отношении прочности, ударной вязкости, сопротивлению хрупкому разрушению и свариваемости. Эти требования определяются условиями эксплуатации, которые характеризуются низкими среднегодовыми температурами, ледовым и сейсмическим воздействием, коррозионной активностью окружающей среды.
Основными тенденциями в проектировании трубопроводов являются
повышение эффективности и экологической безопасности транспортировки, а
также увеличение срока службы трубопроводов. До настоящего времени для
строительства газопроводов широко применялись трубы классов прочности К52
- К60, производство которых было освоено в полной мере. Планируемое
повышение давления прокачиваемого природного газа до
25 МПа в недалеком будущем и до 11.8 МПа в настоящее время требует использования труб классов прочности Х80 - Х90, а в перспективе и XI00. Это позволит увеличить пропускную способность трубопроводов без существенного увеличения толщины стенки труб.
В частности, при строительстве магистрального газопровода «Бованенково - Ухта» планировалось использовать трубы класса прочности К65 (или Х80 в соответствии с международной классификацией) диаметром 1420 мм с толщиной стенки от 23 до 33 мм. Ранее такие трубы ни в России, ни за рубежом не производились.
Важным элементом обеспечения надёжности и долговечности электросварных труб является качество продольного сварного шва, которое подразумевает отсутствие дефектов, удовлетворительное сопротивление хрупкому разрушению и отсутствие разупрочнения в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения.
Разработка научных подходов к созданию технологии сварки высокопрочных труб представляет большой научный и практический интерес и основывается на изучении фазовых превращений и структуры ЗТВ сварных соединений. Большой вклад в исследование фазовых превращений, а также влияния термодеформационного цикла сварки на структуру и свойства свариваемого металла внесли Шоршоров М.Х., Лившиц Л.С., Грабин В.Ф., Гривняк И., Ардентов В.В., Бхадешиа Г., Мацуда Ф., Зайфарт П. и др.
В 2006 г. был введён в эксплуатацию «Ижорский трубный завод», производящий трубы диаметром до 1420 мм, длиной до 18000 мм. На ЗАО «Ижорский трубный завод» в 2007-2010 гг. осваивалось производство толстостенных труб классов прочности Х80 (К65) и Х90 (К70) из штрипса, изготавливаемого на ЧерМК ОАО «Северсталь» по технологии, разработанной совместно с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» и ФГУП ЦНИИчермет им. И.П.Бардина в рамках проекта «Магистраль».
Трубы большого диаметра производятся с помощью многодуговой сварки под флюсом, характеризующейся высокой погонной энергией. В связи с этим при производстве толстостенных труб возникает ряд проблем, связанных как с
получением удовлетворительной ударной вязкости металла зоны термического влияния (ЗТВ) при низких температурах, так и с обеспечением равнопрочности основному металлу отдельных участков ЗТВ.
Целью работы являлось усовершенствование технологического процесса сварки труб большого диаметра на ЗАО "Ижорский трубный завод" на основе изучения закономерностей формирования структуры и свойств в зоне термического влияния трубных сталей класса прочности Х80 (К65), Х90.
Задачи исследования.
-
Комплексные экспериментальные исследования, включающие изучение закономерностей формирования структуры сварного соединения, кинетику фазовых превращений в результате действия термического цикла сварки, выявление взаимосвязей морфологических особенностей структуры со свойствами.
-
Изучение фазовых превращений аустенита стали Х80 (К65), Х90 различного легирования путем построения термокинетических диаграмм, имитирующих термический цикл сварки.
-
Исследование структуры в зоне термического влияния сварного соединения в зависимости от уровня легирования и технологии сварки.
-
Исследование взаимосвязи структуры в зоне термического влияния сварного соединения с механическими свойствами и сопротивляемостью сварного соединения хрупким разрушениям.
-
Оценка характеристик работоспособности сварных соединений труб из стали К65, Х90 изготовленной партии.
-
Внедрение результатов работы в промышленное производство на ЗАО «Ижорский трубный завод».
Методы исследования.
В работе использованы следующие методы исследования структуры и свойств: дилатометрический метод для имитации цикла сварки с построением термокинетических диаграмм превращения аустенита, оптическая металлография, просвечивающая и растровая электронная микроскопия для оценки структурно-фазового состава металла сварных соединений, расчётно-экспериментальное моделирование термических циклов сварки, измерение микротвердости, определения механических свойств и трещиностойкости сварных соединений.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты,
обладающие научной новизной:
-
Научно обоснованы принципы разработки технологических процессов сварки высокопрочных сталей классов прочности Х80 (К65), Х90 для магистральных трубопроводов, заключающиеся в управлении процессами структурообразования в зоне термического влияния за счёт оптимизации параметров режима сварки (погонной энергии) на основе варьирования скоростей охлаждения в диапазоне 5-25 С/с, характерном для сварки под флюсом, с целью обеспечения получения дисперсной структуры и комплекса механических свойств в зоне термического влияния.
-
Установлено, что при повышении скорости охлаждения более 25 С/с для стали Х80 (К65) и 15 С/с для стали Х90 на участке крупного зерна зоны термического влияния происходит рост твёрдости выше нормативных значений (280 HV для стали Х80, 300 HV для стали Х90) за счёт образования мартенсита. Обеспечение максимальной скорости охлаждения ЗТВ исследуемых сталей менее указанных значений позволяет уменьшить долю мартенситной составляющей и снизить твёрдость до 260 - 280 HV.
-
Установлено, что на участке полной перекристаллизации (нагреваемом выше критической точки АСз, но ниже температуры начала роста зерна) при скоростях охлаждения менее 10 "С/с для стали Х80 (К65) и 10 С/с для Х90 происходит формирование преимущественно ферритной структуры, в связи с чем на данном участке возможно разупрочнение на 5 - 7 % по сравнению с основным металлом.
-
При имитации структуры участков частичной перекристаллизации и отпуска (нагреваемых ниже критической точки Асз) установлено, что в зоне термического влияния трубных сталей классов прочности Х80 (К65), Х90 происходит увеличение твёрдости на 5 - 15 % до 290 HV за счет превращения участков аустенита в мартенсит на участке частичной перекристаллизации и процессов карбидообразования на участке отпуска.
-
Показано, что снижение работы удара на участке крупного зерна зоны термического влияния при сварке с повышенной погонной энергией (>57 кДж/см) связано с образованием грубой структуры реечного бейнита с размером исходного зерна аустенита до 60 мкм и превращением участков аустенита по
границам бейнитных кристаллов с образованием мартенсита или феррито-карбидной смеси в зависимости от скорости охлаждения. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Установленные закономерности влияния погонной энергии и
химического состава стали на формирование структуры ЗТВ продольных швов
труб большого диаметра.
-
Результаты исследования взаимосвязи структуры и свойств сварного соединения продольных швов труб классов прочности Х80 (К65), Х90.
-
Разработанные рекомендации по режимам сварки продольных швов труб классов прочности Х80 (К65), Х90, реализованные на ЗАО «Ижорский
трубный завод».
4. Результаты изготовления и аттестации опытной партии труб стали
класса прочности К65 для строительства газопровода «Бованенково-Ухта» и
опытной партии труб класса прочности Х90.
Практическая ценность.
-
Установлены оптимальные структуры, образующиеся при тепловом воздействии на основной металл по режимам цикла многодуговой сварки, обеспечивающие получение гарантированных значений механических свойств. При этом выявлены закономерности их формирования, на основании которых возможно управление процессами структурообразования посредством контроля скорости охлаждения в ЗТВ трубных сталей классов прочности Х80 (К65), Х90.
-
На основе металловедческого исследования были предложены рекомендации по выбору параметров процесса сварки продольных швов труб, которые были внесены в технологические инструкции на изготовление труб диаметром до 1420 мм из стали классов прочности Х80 (К65), Х90. Это позволило обеспечить условия оптимизации структуры в зоне термического влияния продольных швов труб из стали К65 для строительства магистрального газопровода «Бованенково-Ухта» и опытно-промышленных партий труб из стали Х90 и К70 в рамках проекта «Магистраль».
Конкретное личное участие автора в получении научных результатов,
изложенных в диссертации, заключается:
- в исследовании фазовых превращений и построении термокинетических диаграмм превращения аустенита новых высокопрочных трубных сталей на различных участках зоны термического влияния и установлении зависимости
структуры и свойств ЗТВ высокопрочных трубных сталей от температуры аустенитизации и скорости охлаждения;
в установлении закономерностей изменения структуры различных участков ЗТВ продольных швов труб, получаемых при сварке с различными уровнями погонной энергии;
в определении микроструктурных факторов, обусловливающих снижение вязкости в ЗТВ продольных швов труб большого диаметра;
в научном обосновании выбора параметров сварки продольных швов труб (погонной энергии и скорости сварки);
в участии в аттестационных испытаниях опытных партий труб на соответствие требованиям к материалам для магистрального газопровода «Бованенково-Ухта» и проекта «Магистраль».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и обсуждены на научно-технических конференциях, семинарах и
совещаниях: XV Международной научно-технической конференции «Проблемы
ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций», СПбГУНиПТ,
Санкт-Петербург, октябрь 2009; VIII Конференции молодых ученых и
специалистов, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, июнь 2009;
Международной научно-технической конференции «Современные
металлические материалы и технологии», СПбГПУ, Санкт-Петербург, июнь 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 в журналах, рекомендуемых ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертация на 207 стр. состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 134 наименований, приложений (акты внедрения). Работа содержит 159 рисунков, 34 таблицы.
