Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1.Литературный обзор
1.1.Исследование эксплуатационной надежности, обоснование техниче ских требований к трубам класса прочности К65 для строительства га опровода нового поколения Бованенко-Ухта 22
1.2.Выбор химического состава стали класса К65
1.3. Анализ требований отечественных и зарубежных стандартов к прокату для труб магистральных трубопроводов для обеспечения свариваемости
1.4.Технология изготовления труб .26
1.5 Технология сварки труб большого диаметра
1.6. Перспективные технологии для сварки толстостенных труб ги бридными и комбинированными лазерно-дуговыми процессами
1.7. Заключение по анализу литературного обзора
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования .глава 3. исследование кинетики фазовых превращений аустенита в металле зоны термического влияния и сварного шва
Выводы по Главе 3 .
ГЛАВА 4. Исследования сопротивления против хрупких разрушений и хладостойкости металла зтв выводы по главе 4
Глава 5 Экспериментальное определение скорости охлаждения зоны термического влияния в условиях ромышленного производства на зао «ижорскийтрубный завод » 97
Выводы по главе 5 .
ГЛАВА 6. Расчет тепловых полей и номограммы скоростей охлаждения в зависимости от режимов сварки
Выводы по Главе 6
ГЛАВА 7. Изготовление опытно-промышленных партий прямошовных труб и экспериментальных образцов сварных соединений 120
7.1. Результаты опытных и промышленных партий труб класса прочности К65 120
7.2. Сварные соединения, выполненные гибридной сваркой с использованием лазерной техники 130
7.3 Исследование внутренних напряжений второго рода на промышленных и экспериментальных сварных соединениях 142 Выводы по главе 7 150
Общие выводы 152
Литература 154
- Анализ требований отечественных и зарубежных стандартов к прокату для труб магистральных трубопроводов для обеспечения свариваемости
- Перспективные технологии для сварки толстостенных труб ги бридными и комбинированными лазерно-дуговыми процессами
- Экспериментальное определение скорости охлаждения зоны термического влияния в условиях ромышленного производства на зао «ижорскийтрубный завод
- Сварные соединения, выполненные гибридной сваркой с использованием лазерной техники
Анализ требований отечественных и зарубежных стандартов к прокату для труб магистральных трубопроводов для обеспечения свариваемости
Вместе с тем, новые проекты трубопроводов сухопутной и морской транспортировки газа характеризуются более высокими техническими требованиями, в частности сверхвысокими рабочими давлениями, использованием труб большого диаметра категорий прочности К60(Х70), К65(Х80) и в перспективе (Х100). Как российские, так и зарубежные производители поставляют сварные прямошовные трубы с толщиной стенки до 40 мм и более.
Применение труб большого диаметра класса прочности К65 (Х80) в мире долгое время ограничивалось относительно некрупными проектами (таблица 1.1.). Значимой вехой истории применения К65 (Х80) явилось завершение строительства в 1992 году компанией «Ruhrgas» газопровода протяженностью 250 км из труб категории прочности L555 (Х80) диаметром 48 дюймов и тол щиной стенки 18,3-19,4 мм. Компанией «Трансканада» признана эффективной эксплуатация с 1995 года в условия вечной мерзлоты около 400 км участков трубопроводов категории Х80, что дало до 12% экономии металоемкости [3, 30]. Тем не менее, общая протяженность магистральных трубопроводов, изготовленных из труб класса Х80 (L555), эксплуатируемых в настоящее время, в сравнении с общей протяженностью известных систем чрезвычайно мала - около 2000 км.
В 2004 году была начата эксплуатация первого протяженного крупного газопровода с производительностью 17,5 млрд. куб. м в год из труб класса Х80 диаметром 914 мм в США [1]. В 2008 году начато строительство более 4950 км второй очереди газопровода производительностью 30 млрд. куб. м в год Запад-Восток в КНР из труб диаметром 1219 мм со стенкой 18,4 мм. Однако, параметры данных газопроводов и климатические условия пролегания трасс гораздо менее критичны, чем для системы магистральных газопроводов «Бованенково-Ухта» производительностью более 115 млрд. куб. м, диаметром труб 1420 мм с толщиной стенки труб от 23,0 до 33,4 мм. Указанная система не имеет аналогов в мире по условиям эксплуатации и масштабам строительства, что потребовало детального анализа совокупного опыта производства и применения высокопрочных труб, разработки и уточнения технических требований на основе результатов комплексных исследований.
Проведенный анализ мирового опыта и собственных данных показал, что к настоящему времени имеются условия для массового производства высокопрочных труб с высокими показателями прочности, вязкости, пластичности и свариваемости. В то же время отсутствуют установленные четкие связи между стандартными характеристиками основных свойств трубных сталей и их эксплуатационной надежностью при работе в составе трубопроводов новых поколений. Наиболее актуальной задачей являлась разработка оптимального уровня технических требований к трубам, позволяющего обеспечить надежность и безопасность таких газопроводов при работе в особых условиях, и достижимого в условиях современных металлургических предприятий.
1. В период 2006-2007 гг. на основе анализа собственного опыта, тре бований нормативных документов, а также опубликованной отечественной и зарубежной литературы были сформулированы основные направления исследования новых поколений труб [31, 32]: - определение механических свойств основного металла и сварных со единений высокопрочных труб с повышенной толщиной стенки, оценка влия ния технологических факторов их производства на соотношение и распределе ние основных характеристик; - оценка влияния химического состава современных высокопрочных сталей на свариваемость в заводских и трассовых условиях, обеспечение равно-прочности, вязкости и хладостойкости сварного соединения при ограничении углеродного эквивалента на уровне не более 0,45%, предотвращение влияния зон локальной хрупкости на прочность трубопровода; - обеспечение ремонтопригодности трубопроводов; - определение критериев трещиностойкости основного металла и уровня основных механических характеристик, обеспечивающих необходимое сопротивление распространению вязких трещин.
Для реализации программ исследования были использованы стандартные и нестандартные методы испытаний и исследований: - испытания на ударный изгиб в интервале температур от минус 60 до плюс 20 оС для определения температурной зависимости ударной вязкости; - испытания на ударный изгиб падающим грузом при температуре эксплуатации для определения механизма разрушения образца полной толщины в скоростных и деформационных условиях, приближенных к распространению трещины в магистральном трубопроводе; - испытания по определению статической трещиностойкости по величине критического раскрытия трещины – CTOD [33]; - испытания на ударный изгиб металла шва и зоны термического влияния с нанесением острого надреза на линии сплавления и на расстоянии 2 и 5 мм от нее при температурах от минус 40 до плюс 20 оС; - испытания на растяжение образцов сварного соединения для определения степени его равнопрочности основному металлу.
Задачи создания уникальных газотранспортных систем обусловили необходимость использования труб большого диаметра с высокими показателями эксплуатационных свойств. Из анализа динамики роста требований (табл.1.2) следует, что если ранее для газопроводов от месторождений Уренгоя и Ямбур-га требованиям ОАО «Газпром» удовлетворяли только трубы зарубежных заводов Японии, Германии, то в настоящее время отечественные заводы способны выпускать трубы высокого качества. Такая ситуация стала возможной благодаря программам научно технического сотрудничества трубных компаний с научно-исследовательскими центрами.
Одним из основных положений нормативных документов являются требования к ударной вязкости. Формирование требований по ударной вязкости для сварных труб большого диаметра осуществляется в зависимости от размеров труб, рабочих параметров трубопровода и транспортируемого продукта.
В настоящее время требования по низкотемпературной вязкости, предъявляемые к магистральным трубам, существенно возросли. Двадцать пять лет назад значение ударной вязкости для нефтепроводов диаметром 1220 мм не превышало 40 Дж/см2 (табл.1.3), в настоящее время оно уже нормируется на уровне 80 Дж/см2 при одновременном увеличении рабочего давления до 14 МПа. Для газопроводов нормируемый показатель ударной вязкости уже вырос до 150 Дж/см2 и 250 Дж/см2 для отдельных проектов [6, 34].
Перспективные технологии для сварки толстостенных труб ги бридными и комбинированными лазерно-дуговыми процессами
Гибридные и комбинированные лазерно-дуговые процессы сочетают применение лазерного источника излучения с дуговыми способами сварки под флюсом или в среде защитных газов.
С момента начала массового строительства магистральных трубопроводов уже 40 лет ведутся разработки новых технологий сварки труб. Среди них: фрикционная и электроннолучевая сварка труб (шестидесятые годы); сварка оплавлением, MIAB (Magnetically Impelled Arc Butt - стыковая сварка магнито-концентрированной дугой) и сварка взрывом (семидесятые годы). В восьмидесятых и девяностых годах в связи с развитием лазерных технологий, позволившим наладить промышленное производство мощных лазерных источников, с нарастающей частотой появляются исследования по лазерной и гибридной лазерной сварке труб большого диаметра.
В исследованиях применяют три типа лазеров: СО2-лазеры, занимавшие первоначально лидирующее положение; твердотельные лазеры с оптическим возбуждением и диодные (полупроводниковые) лазеры. Эти типы лазеров характеризуются большой выходной мощностью, относительно высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и стабильностью параметров излучения [78]. В настоящее время наблюдается появление новых образцов мощных волоконных лазеров, технические и эксплуатационные характеристики которых превосходят лазеры предыдущих конструкций [79 84].
Количество работ по научным исследованиям процесса сварки СО2-лазером в настоящее время резко сократилось. СО2-лазеры в середине 2010-х годов потеряли лидирующее положение, занимаемое с прошлого столетия (рисунок 1.25).
В России лазерные технологии сварки и лазерное оборудование сосредоточены в следующих организациях и институтах: ЗАО Лазерные комплексы (Шатура), Российско-германский центр лазерных технологий (Фрязино), центр лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского университета, кафедра лазерных технологий МГТУ им.Баумана, лазерный центр МИФИ.
В настоящее время накоплен достаточный опыт лазерной сварки стыковых соединений металла различной толщины. При сварке мощностью выходного излучения более 10 кВт малоуглеродистой и низколегированной высокопрочной стали со скоростью 1,8 м/мин сваривали швы с обеспечением глубины проплавления 8,5 мм и шириной шва 1,7 мм. При использовании 20-киловатного лазера выполняли с полным проплавлением стыковых соединений на стали толщиной до 20 мм со скоростью 1,3 м/мин.
Ограниченный объем фактических данных при использовании лазерной сварки для труб не позволяет однозначно определить комплекс показателей механических свойств сварных соединений труб и сформулировать критерии оценки этих показателей. Обращает внимание отсутствие информации о стойкости против хрупких разрушений. Недостаточно убедительных данных о свойствах сварных соединений современных трубных сталей[85].
Причинами появления дефектов при исключительно лазерной сварке является как недостаточно прецизионная подготовка разделки кромок по длине труб, так и нестабильность процесса.
Перспективными для трубного производства являются комбинированные сварочные процессы, сочетающие сварку лазерным лучом с дуговыми способами сварки под флюсом и в защитных газах.
В целом комбинированный способ позволяет получать существенно более глубокое проплавление, чем каждый из рассматриваемых способов сварки отдельно.
Приведенная выше информация, свидетельствует о достаточно большой степени технологической подготовленности к применению лазерной сварки для производства труб, используемых при строительстве магистральных трубопроводов. Различными исследователями выполнен большой объем работ по определению технологических параметров процесса лазерной сварки стали толщиной, соответствующей наиболее распространенному диапазону толщин стенок труб большого диаметра.
Вместе с тем, проведенные исследования подтверждают наличие четко выраженных технологических особенностей процесса лазерной сварки, существенно отличающих его от традиционной дуговой в производстве сварки труб или многопроходной монтажной сварки газопроводов
В первую очередь эти отличия состоят в использовании лазерного излучения, обеспечивающего большую концентрацию энергии. Эти отличительные признаки оказывают влияние на все стадии технологического процесса произ водства труб, обуславливая формирование специфических технологических и нормативных требований к свариваемой стали: подготовке кромок, операциям формовки и сборки труб, выполнению собственно сварочных операций, обработке сварных соединений после сварки и методам контроля и, наконец, уровню требуемых свойств. Основные требования, определяющие работоспособность сварных соединений труб при лазерной сварке, до настоящего времени не нашли отражения в нормативной документации на материалы для магистральных трубопроводов. Подготовка таких требований, учитывающих применение лазерной сварки, с характерной спецификой структуры сварного соединения, является сложной задачей.
Экспериментальное определение скорости охлаждения зоны термического влияния в условиях ромышленного производства на зао «ижорскийтрубный завод
Ударная вязкость металла по отношению к другим механическим свойствам является чувствительной к изменению микроструктурного состояния. Оценку охрупчивания ЗТВ после сварки проводили испытаниями ударных образцов с острым надрезом (KCV), после нагревов по термическим циклам сварки в сочетании с варьированием скоростей охлаждения.
Для каждой скорости охлаждения (вида сварки) проводили сериальные испытания KCV при температурах от +20 до -60оС и определяли температуру вязко-хрупких механизмов разрушения: верхний, средний и нижний пороги хладноломкости ЗТВ.
Верхний порог хладноломкости отвечает начальной стадии перехода от вязкого разрушения и по своему уровню, как правило, для металла ЗТВ, находится в области положительных температур испытаний.
Средний температурный порог (Т50 - 50% от максимального уровня ударной вязкости) соответствует вязко-хрупким разрушениям при отрицательных температурах испытаний ударных образцов сечением 10х10 мм.. Фактиче 89 ски для данных композиций сталей средний порог хладноломкости соответствует уровню90-100Дж/см2. Этот уровень ударной вязкости достаточно высокий, но который желательно достигать за счет улучшения микроструктуры ЗТВ.
Как обязательно оценивается также и нормативный уровень ударной вязкости по нормам, который отвечает уровню 60-70 Дж/см2.
Нижний порог хладноломкости соответствует хрупкому разрушению в результате нежелательного микроструктурного состояния металла ЗТВ.
Параметры хладостойкости металла околошовной зоны оценивается при характерных режимах охлаждения характерных для выполнения сварных соединений с различными тепловложениями.
Снижение хладостойкости ЗТВ в результате влияния теплового воздействия сварки и низких скоростей охлаждения связаны двумя взаимозависимыми факторами. Эффект охрупчивания металла ЗТВ связан, во-первых, с образованием в процессе превращения аустенита ферритных микроструктурных составляющих типа «видманштетт» с пограничным распределением по границам зерен и, во-вторых, с образованием карбонитридных фаз. Карбонитрид-ные фазы образуются в условиях низких скоростей охлаждения, причем не только в области феррито-перлитных превращений, но и в бейните. В связи с этим меняется морфология бейнита от «зернистого» к «пластинчатому». Бей-нит (пластинчатой) реечной морфологии образуется по мере повышения скорости охлаждения. На рисунке 4.3 приведена структура бейнита реечной морфологии
Рисунок 4.3. Структура реечного бейнита в ЗТВ сварного шва стали К60. Размер бейнитных реек 10 мкм
Оценка свариваемости по критерию Т50 показала (рисунок 4.4) при скорости охлаждения 10 – 45оС/с удовлетворяет температурному порогу вязко-хрупкого разрушения (KCV 90 Дж/см2) до минус 20оС. Нормативный уровень ударной вязкости 63Дж/см2 при фактической скорости охлаждения после двух-проходной сварки под слоем флюса обеспечивается при минус 10оС. Увеличение скорости охлаждения до 8 оС/с снижается до минус 20 и при дальнейшем увеличении темпа охлаждения 10-45оС/с нормативный «условный» порог хладноломкости снижается до минус 30-40оС. Значения ударной вязкости менее 40 Дж/см2 являются недопустимо низким и не гарантирующих хрупких разрушений ЗТВ. Рисунок 4.4- Оценка хладостойкости ЗТВ по параметрам температурных порогов от вязких до хрупких разрушений при испытаниях ударных образцов KCV сечением 10х10 мм
Исследования зависимости ударной вязкости (KCV) и оценки хладостой-кости ЗТВ проводили на образцах, предварительно нагретых по термическим циклам сварки до температуры 1300 оС, и охлажденных с различными скоростями охлаждения (W8/5) в диапазоне 1 200 оС/с.
Выполненная в работе оценка хладостойкости сталей методом имитации сварочных циклов сварки позволила выявить экстремальную зависимость ударной вязкости от скорости охлаждения, с максимумом в интервале скоростей охлаждения 10-40 оС/с (рисунок 4.5).
Интервал скоростей охлаждения, обеспечивающий максимальный уровень ударной вязкости и хладостойкости зоны термического влияния, соответствует применению сварочных технологий с тепловложениями до 2 кДж/мм. Диапазон исследованных скоростей охлаждения W8/5охватывал тепловые процессы характерных для следующих видов сварки: -монтажную многопроходную сварку трубопроводов, выполнение сборочного шва в среде защитного газа при средних уровнях тепловложений (0,6 1,5 кДж/мм) со скоростью охлаждения ЗТВ 30 100 оС/с; - традиционную двухпроходную технологию сварку труб под флюсом с полным проплавлением на уровнях тепловложений (2,0-8,0 кДж/мм) и на высоких для больших толщин – соответственно скорость охлаждения 6 8 оС/с; - лазерную сварку со сверхнизким (0,15 кДж/мм) уровнем тепловложе-ний, скорость охлаждения 200 оС/с; - лазерно-дуговую сварку с возможностью повышения уровня тепловло жения до 0,5 1,5 кДж/мм за счет увеличения режимов электродуговой компо ненты или диаметра присадочной проволоки.
По результатам исследований показана реальная возможность достижения высокого уровня вязких свойств ЗТВ, что позволяет комбинированная лазерно-дуговая технология сварки, заменяющая выполнение сборочного шва методом гибридной сварки с выполнением последующих облицовочных швов, наружного и внутреннего двухпроходной сваркой под слоем флюса при пониженном уровне тепловложений, в целом определяемой как комбинированная сварка. Данный технологический прим обеспечивает повышение скоростей охлаждения ЗТВ до уровня 40-30 оС/с. Повторный нагрев зоны лазерно-дуговой сварки при выполнении облицовочных швов нивелирует напряжения 2-го рода корневого лазерно-дугового сварного соединения.
Сварные соединения, выполненные гибридной сваркой с использованием лазерной техники
Вместе с тем, проведенные исследования подтверждают наличие четко выраженных технологических особенностей процесса лазерной сварки, существенно отличающих его от традиционной дуговой сварки и сварки токами высокой частоты, применяемых в производстве труб. В первую очередь эти отличия состоят в использовании лазерного излучения, обеспечивающего большую концентрацию энергии. Эти отличительные признаки оказывают влияние на все стадии технологического процесса производства труб, обуславливая формирование специфических технологических и нормативных требований к свариваемой стали: подготовке кромок, операциям формовки и сборки труб, выполнению собственно сварочных операций, обработке сварных соединений после сварки и методам контроля и, наконец, уровню требуемых свойств.
Преимущества обоих процессов суммируются. В связи с высокой интенсивностью (более 106 Вт/см2) когерентного лазерного луча создается эффект глубокого проплавления, при этом выше парового капилляра выступают ионизированные металлические пары, которые при сварке в защитном газе способствуют лучшему зажиганию дуги и тем самым стабилизируют процесс. Переходящий в сварочную ванну при дуговом процессе в виде капель присадочный металл обеспечивает хорошее заполнение зазора и необходимое легирование металла шва. Металлургическое воздействие присадочного металла достигает самого корня сварного шва благодаря потокам в сварочной ванне от взаимодействия дуги и парогазового канала от лазерного луча. При гибридном процессе сварки в зависимости от мощности лазера и дуги глубина провара при скорости сварки до 1 м/мин может достигать 25 мм.
Процесс сварки характеризуется определенным термическим циклом, зависящим от количества вводимого тепла, массивности конструкции и температуры металла перед сваркой. Определяющие параметры сварочного процесса – скорость охлаждения и погонная энергия связаны зависимостью, которую определяли как расчтным путм, так и экспериментальными методами. Для расчета скорости охлаждения в зависимости от тепловложений и температуры перед сваркой применили уравнения теплопроводности в зависимости от мощности источника и массы свариваемых деталей применили расчеты как для маломощного источника тепла (Глава 6, рисунок 6.3).
Основными энергетическими признаками, характеризующими лазерную сварку, являются энергия лазерного излучения и длительность его воздействия. При непрерывном лазерном излучении длительность воздействия определяется продолжительностью времени экспозиции, а при импульсном излучении - длительностью импульса. Однако плотность мощности излучения при сварке ограничена верхним пороговым значением Е, при повышении которого возникают интенсивные объемные кипение и испарение, приводящие к выбросу металла и к образованию дефектов в шве.
Для производства труб большого диаметра необходимо обеспечение глубокого проплавления, поэтому наиболее перспективной является лазерная сварка с непрерывным излучением.
Вследствие большого градиента скоростей охлаждения процесс кристаллизации металла в сварочной ванне при использовании лазерного источника осуществляется неравномерно. В результате создаются условия, при которых кристаллизация металла в зоне «кинжального проплавления» происходит под слоем жидкого металла внутри сварочной ванны.
Необходимо учитывать, что последовательная кристаллизация сварочной ванны может не обеспечить подпитки кристаллизующегося металла жидким расплавом, что может приводить к образованию пор. Основными параметрами режимов лазерной сварки с глубоким проплав-лением являются: - мощность лазерного излучения; - параметры фокусирующей системы; - скорость сварки.
Анализ особенностей лазерной сварки, проведенный на основании имеющихся литературных источников, а также проведенных исследований пока 134
зал, что с точки зрения перспектив применимости лазерных технологий для производства труб большого диаметра, можно сделать следующие выводы:
- исключительно лазерная сварка, в том числе, многолучевая или сварка с использование лазером большой мощности не может считаться приемлемой в производстве прямошовных сварных труб большого диаметра. Резкое охлаждение в процессе лазерной сварки приводит к образованию закалочных структур ЗТВ и образованию дефектов в виде несплошностей в сварном соединении [118,119];
- гибридная сварка, сочетающая одновременное применением лазерного источника (источников) и электродуговую сварку в среде защитного газа (СО2) с применением сварочных проволок различных марок легирования (Св-08А или Св-08ГНМ) позволяет обеспечить глубокое проплавление шва. В таком технологическом тандеме ведущим процессом в формировании шва является газозащитная сварка. Данная технология может обеспечить сварное соединение на участке выполнения сборочного шва. При это может быть достигнута скорость охлаждения сварного соединения (недостижимая при традиционной сварке), обеспечивающая благоприятную структуру околошовной зоны. - комбинированная сварка, включающая поэтапное использование сна чала гибридной сварки, затем многоэлектродной сварки под флюсом. При этом гибридную сварку применяют на этапе на участке выполнения сборочно го шва сварки, который выполняют на увеличенной в 1,5 2,0 раза высоте раз делки. Затем выполняют внутренний и наружные швы с пониженным уровнем тепловложений. Достоинством этой технологии является возможность суще ственного снижения погонных энергий и, соответственно, исключения перегре ва ЗТВ труб с большой толщиной стенки.
Проведенные эксперименты, выполненные на оборудовании центра лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского технологического университета, показали, что сочетание двух технологий сварки – электродуговой и лазерной является реальной возможностью снижения тепловложений при производстве труб большого диаметра. Поэтому целесообразно применять комби 135 нированный способ сварки [120], включая применение в среде защитного газа и нелегированной сварочной проволоки типа Св-08А или Св-08Г2С для сварки гибридной сварке труб Х70 и легированной сварочной присадки проволокой типа Св-10ГСМТ применительно к сварке высокопрочных труб класса прочности до К65.
