Введение к работе
Актуальность работы. Начало XXI века для России охарактеризовалось реализацией крупных инженерно-технических проектов по строительству магистральных нефте- и газопроводов нового поколения, прокладываемых в сложных природно-климатических и сейсмогеологических условиях, таких как магистральные газопроводы «Сахалин - 1», «Сахалин - 2», «Бованенково - Ухта» и нефтепроводы «Восточная Сибирь - Тихий океан», «Балтийская трубопроводная система».
К 2006 году трубная промышленность оценивала потребность в 1 млн. т. в год качественного листового проката. На тот момент, по мнению российских производителей труб, отечественная металлургия была не способна производить металлопрокат для выпуска труб большого диаметра, необходимых для реализации крупных проектов в нефтегазовой отрасли.
В 2009 году в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» был пущен в строй реверсивный широкополосный стан горячей прокатки 5000. Основу выпускаемого сортамента составили трубные стали, поставляемые в виде проката классов прочности К56 - К70, предназначенного для изготовления труб большого диаметра (1420 мм для магистральных газопроводов и 1220 мм для нефтепроводов повышенного рабочего давления до 9,8 МПа).
Низкая себестоимость обусловила широкое применение способов дуговой сварки при производстве и монтаже трубопроводов. Процесс дуговой сварки характеризуется резким локальным нагревом и охлаждением кромок свариваемого металла, вследствие чего образуется зона термического влияния (ЗТВ). В ЗТВ наблюдается низкая пластичность металла в сочетании с не высокими значениями прочности, что обусловлено наличием перегретой крупнозернистой структуры. При определенных условиях в локальных участках ЗТВ возможно протекание мартенситного превращения. Неоднородность структуры и свойств, характерных для сварных соединений, приводят к разрушению и определяют продолжительность безаварийной эксплуатации трубопроводов.
Ключевым моментом технологии дуговой сварки, влияющим на структуру и свойства сварного соединения, является регулирование управляемых параметров режима. Установление особенностей формирования структуры и свойств сварных соединений при этом является актуальной задачей.
Цель работы: изучить закономерности формирования структуры в металле зоны термического влияния при различных параметрах дуговой сварки для обеспечения требуемого уровня механических свойств сварных соединений высокопрочного проката класса прочности К56.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить склонность проката класса прочности К56 к образованию трещин при воздействии термических циклов сварки;
исследовать особенности структурообразования металла ЗТВ в зависимости от параметров дуговой сварки;
определить закономерности формирования механических свойств металла ЗТВ в зависимости от структуры и параметров дуговой сварки;
разработать параметрические уравнения для оценки склонности проката класса прочности К56 к образованию мартенситных структур и трещин в металле зоны термического влияния;
внедрить результаты работы в производственный процесс.
Научная новизна
Установлены закономерности формирования структуры и свойств (метод валиковой пробы) металла околошовного участка зоны термического влияния электросварной стали типа 10Г2ФБТЮ класса прочности К56. Показано, что в зависимости от режима дуговой сварки и скоростей охлаждения металл околошовного участка имеет структуру низкоуглеродистого бейнита пластинчатой морфологии. Толщина пластин изменяется от 4 до 0,5 мкм в диапазоне скоростей охлаждения ю = 1,9 - 87оС/с (погонной энергии сварки 53,5 - 1,3 кДж/см), твердость металла изменяется диапазоне 151 - 239 HV.
Определено влияние режимов дуговой сварки (при суммарной погонной энергии 15,2 - 33,6 кДж/см) на структурообразование и формирование механических свойств многослойных сварных соединений проката класса прочности К56. Показано, что многослойные соединения характеризуются наличием структурной неоднородности по высоте. Структура металла швов в верхней части характеризуется наличием крупных кристаллитов столбчатого и глобулярного строения, при этом твердость находится на уровне 140 HV. Металл околошовного участка верхней части соединений характеризуется наличием видманштеттового феррита по границам первичных зерен и пластинчатыми структурами внутри зерна, твердость находится на уровне 160 HV. В нижней части, металл шва и околошовного участка характеризуется наличием зерен феррита (размер зерна № 6) и пластинчатого перлита, твердость находится на уровне 130 HV.
Установлена закономерность формирования структуры металла околошовного участка корневого слоя сварных соединений. Показано, что вследствие эффекта автотермообработки структура металла изменяется от низкоуглеродистого бейнита пластинчатой морфологии до нормализованной феррито-перлитной структуры. При наложении каждого следующего слоя происходит постепенное выделение нормального и видманштеттового феррита и растворение пластинчатых структур.
Предложены модифицированные параметрические зависимости для расчета углеродного эквивалента с измененным коэффициентом при марганце. Полученные уравнения позволяют адекватно оценивать склонность исследуемой стали к образованию закалочных структур и холодных трещин при воздействии термических циклов сварки.
Практическая значимость работы состоит в том, что для обеспечения требований, предъявляемых нормативной документацией к сварным соединениям трубных сталей, на основе проведенных исследований предложены практические рекомендации по технологическим параметрам сварки трубного проката класса прочности К56.
Для условий однопроходной сварки, с использованием метода планирования эксперимента, разработаны регрессионные зависимости, позволяющие выбирать режим дуговой сварки для обеспечения требуемого уровня структуры и механических свойств металла околошовного участка (ОШУ). Они могут быть применены для выбора параметров однопроходной сварки, при ремонтных работах или сварке корневого слоя.
Для выбора параметров режима сварки трубного проката класса прочности К56 была разработана программа для ЭВМ на основе полученных в ходе работы регрессионных уравнений, описывающих зависимость механических свойств металла ЗТВ при дуговых способах сварки.
Результаты работы внедрены в условиях ООО НТПФ «Эталон» (г. Магнитогорск) и используются в учебном процессе ФГБОУ «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова» при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению «Металлургия» и «Машиностроение».
На защиту выносятся:
-
-
Установленные по методу валиковой пробы закономерности влияния погонной энергии и параметров режима дуговой сварки на структуру и механические свойства ЗТВ проката класса прочности К56.
-
Результаты исследования взаимосвязи структуры и свойств сварных соединений проката класса прочности К56.
-
Предложенные рекомендации по режимам дуговой сварки труб из стали класса прочности К56.
Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены на 68, 69 и 70 межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010, 2011, 2012 гг.), XVI научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» (г. Магнитогорск, 2012 г.), XI и XII международной научно-технической конференции ОАО «ММК» (г. Магнитогорск, 2011,
-
-
-
гг.), 18-ой международной промышленной выставке «Металл-Экспо' 2012» (г. Москва, 2012 г. (с присуждением диплома и премии «Молодые ученые Металл-Экспо»)), XII международной научно-технической Уральской школе-семинаре молодых ученых-металловедов (г. Екатеринбург, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (г. Одесса, 2012 г.), I научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежная наука - будущее страны» (г. Ставрополь, 2012 г.), I международной научно-практической конференции «Теория и практика внедрения новых технологий и материалов в производстве и строительстве» (г. Москва, 2012 г.), Петербуржской технической ярмарке (г. Санкт-Петербург,
-
г. (в конкурсе на лучший инновационный проект года получен диплом II степени с вручением серебряной медали).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 13 публикациях, из которых 2 статьи входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложений. Работа содержит 120 страниц, 55 рисунков, 18 таблиц, 2 приложения, список литературы из 83 наименований.
Похожие диссертации на Особенности структуры и свойства зоны термического влияния сварных соединений сталей класса прочности К56
-
-
-
