Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Высокопрочные трубные стали нового поколения 5
1.1 Основные этапы создания сталей для магистральных трубопроводов 5
1.2 Требования к химическому составу, структуре и механическим свойства высокопрочных трубных сталей 8
1.2.1 Требования к химическому составу 10
1.2.2 Требования к структурно-фазовому составу и механическим свойствам 16
1.3 Принципы выбора параметров оценки свариваемости
высокопрочных трубных сталей 19
1.3.1 Расчетные методы оценки свариваемости 23
1.3.1.1 Оценка склонности сталей к образованию холодных трещин 25
Выводы по главе 1 34
Глава 2 Исследование свариваемости высокопрочных трубных сталей... 36
2.1 Исследования особенностей кинетики распада аустенита при сварке высокопрочных трубных сталей 36
2.1 Л Материал и методики исследования .' 37
2.1.2 Анализ структуры и свойств металла околошовного участка ЗТВ сварных соединений сталей категории прочности Х80 39
2.1.2.1 Выбор рациональных скоростей охлаждения металла ОШУ ЗТВ высокопрочных сталей 49
2.1.3 Анализ структуры и свойств металла околошовного участка ЗТВ сварных соединений сталей категории прочности К70 53
2.2 Разработка подхода к определению величины критического значения эквивалента углерода 56
Выводы по главе 2 61
Глава 3 Изучение возможности обеспечения рациональных скоростей охлаждения при принятых технологиях электродуговой сварки кольцевых стыков трубопроводов 63
3.1 Технология и параметры режимов ручной дуговой сварки неповоротных стыков 67
3.2 Технология автоматической сварки в защитных газах неповоротных стыков трубопроводов 73
Выводы по главе 3 83
Глава 4 Формирование структуры и свойств сварных соединений газопроводов из высокопрочных сталей в условиях отрицательных температур 84
4.1 Материалы и методика исследования 84
4.2 Ручная дуговая сварка на подъем неповоротных кольцевых стыковых соединений фрагментов труб 89
4.3 Автоматическая сварка порошковой проволокой в защитных газах неповоротных кольцевых стыковых соединений 96
4.4 Исследование структуры и свойств сварных соединений опытных стыков трубопроводов из сталей категории прочности К65 (Х80) 101
Выводы по главе 4 110
Глава 5 Рекомендации по сварке кольцевых стыков газопроводов, изготовленных их высокопрочных трубных сталей 112
5.1 Технология и параметры режимов ручной дуговой сварки неповоротных стыков газопроводов 114
5.2 Технология и параметры режимов автоматической сварки в защитных газах неповоротных стыков газопроводов 117
Выводы по главе 5 121
Основные выводы по работе 122
Библиографический список использованной литературы 125
- Основные этапы создания сталей для магистральных трубопроводов
- Исследования особенностей кинетики распада аустенита при сварке высокопрочных трубных сталей
- Технология и параметры режимов ручной дуговой сварки неповоротных стыков
Введение к работе
Россия принадлежит к числу крупнейших газодобывающих стран мира. Ее недра содержат 13% мировых разведанных запасов нефти и 36% газа [1]. По оценкам экспертов в ближайшие 20-30 лет природный газ и нефть будут оставаться основными источниками энергии для человечества. Предполагается дальнейший рост мирового потребления природного газа. В России газ будет занимать лидирующее положение в топливно-энергетическом балансе страны. Одновременно Россия будет оставаться одним из крупнейших экспортеров газа, занимая около 25% мирового рынка [47].
Важную роль в реализации энергетической политики страны, формировании новых газодобывающих регионов, межрегиональной системы транспорта энергоносителей и выхода на международные рынки играет развитие нефтегазового комплекса Северного региона России. При этом ключевое значение для развития добычи газа на долгосрочную перспективу имеет освоение месторождений полуострова Ямал. По оценкам специалистов разведанные запасы газа 27-ми месторождений полуострова Ямал составляют более 10 трлн.м , а с учетом месторождений приямальского шельфа - более 20 трлн.м3 [1].
Намечается строительство газопровода «Сахалин - Хабаровск -Владивосток».
Освоение Штокмановского месторождения в Баренцевом море потребует строительства морского газопровода от ГКМ на материк до завода СПГ в Видяево длиной 479 км (диаметр 1020 мм, давление 22 МПа) и далее сухопутного газопровода до Волхова протяженностью 1350 км (диаметр 1420 мм, давление 9,8 МПа). Объем газовой добычи будет доведен до 90-130 млрд.м3.
Таким образом, газоконденсатные месторождения Севера будут оставаться основой устойчивого развития газовой промышленности России
Значительная роль в выполнении этой задачи принадлежит газотранспортной системе, что обуславливает высокие требования к ее техническому состоянию и эксплуатационным характеристикам. С целью повышения эффективности разработки газовых месторождений предусматривается переход на транспортировку природного газа под давлением 9,8 - 11,8 МПа, тогда как большая часть действующих магистральных газопроводов рассчитана на рабочее давление до 7,4 МПа. Если использовать для строительства новых высокоэффективных газопроводов традиционные стали категории прочности Х65-Х70, пришлось бы значительно увеличивать толщину стенки трубы. Поэтому в настоящее время весьма актуальной становится задача применения труб большого диаметра из сталей категории прочности Х80, а в перспективе до XI20, использование которых позволит существенно уменьшить металлоемкость и стоимость сооружения и эксплуатации газопроводов [1, 47].
Успешное применение высокопрочных трубных сталей для строительства газопроводов в значительной степени определяется наличием рациональных технологических процессов их сварки, обеспечивающих требуемый уровень прочностных, пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений. Разработка таких процессов должна базироваться на современных металловедческих и технологических подходах по оценке свариваемости указанной группы сталей. Это свидетельствует об актуальности настоящей работы, направленной на разработку основ технологии сварки в условиях Крайнего севера трубопроводов из сталей классов прочности Х80, XI00 на основе изучения процессов структурообразования, определяющих свариваемость данных сталей.
Основные этапы создания сталей для магистральных трубопроводов
На каждом этапе совершенствования технологии транспорта нефти и газа, конструктивных проектных решений и методов строительства трубопроводов выдвигались все более высокие требования к трубным сталям и трубам. Увеличение диаметра и давления, толщины стенки труб, освоение месторождений в северных широтах, усовершенствование сварочных технологий вызвали изменения не только в требованиях к механическим показателям, химическому составу сталей, но и к технологии изготовления листового и рулонного штрипса, процессам формовки труб, а также физическим средствам контроля качества продукции.
В 50-х годах прошлого столетия трубы изготовлялись из стандартных углеродистых сталей. Для производства труб диаметром 530-820 мм применялись низколегированные стали в горячекатаном и нормализованном состоянии, прочность обеспечивалась химическим составом, в частности -повышением содержания углерода, марганца или хрома. Эти стали имели невысокую ударную вязкость и соответствовали по зарубежной классификации сталям класса прочности Х42-Х46. Существенным недостатком таких сталей, в частности марок 19Г, 14ХГС и других, была повышенная склонность к хрупкому разрушению.
В середине 1960-х гг. для газонефтепроводных труб диаметром до 1020 мм, рассчитанных на давление 5.5 МПа, были созданы низколегированные кремнемарганцовистые стали. Их химический состав и механические характеристики были улучшены за счет твердорастворного упрочнения (горячекатаные и нормализованные, 17Г1С, 17ГС). Эти стали затем были усовершенствованы (17Г1С-У), содержание серы уменьшено до 0.01%. На этом этапе для повышения однородности стали и удаления вредных примесей были улучшены методы раскисления и выплавки. В частности, стала применяться технология обработки стали синтетическими шлаками.
На следующем этапе, посредством использования дисперсно-упрочненных сталей типа 15Г2СФ, была повышена прочность и надежно обеспечена работоспособность трубопроводов при положительной температуре транспорта продукта. Снижение содержания углерода позволило увеличить ударную вязкость этих сталей. Однако температура эксплуатации у них оставалась на уровне до -5С.
Опыт производства и применения низколегированных кремнемарганцовистых сталей для газопроводных труб показал, что дальнейшее повышение их прочности за счет увеличения содержания углерода и элементов, образующих твердый альфа-раствор, стало невозможным, такой метод исчерпал себя полностью. Поэтому улучшение трубных сталей велось, в основном, в направлении совершенствования технологии их производства, в частности, за счет использования механизма дисперсионного упрочнения и измельчения зерна феррита. В качестве легирующего элемента применялся ванадий в сочетании с повышенным содержанием азота. В этот период были созданы такие стали, как 14Г2САФ, 16Г2АФ, 14Г2АФ-У. Они соответствовали сталям класса прочности Х56 - Х60 и существенно превосходили кремнемарганцовистые стали по комплексу механических и пластических свойств. Однако и эти стали в итоге перестали соответствовать возросшим требованиям к сопротивлению хрупким разрушениям.
В середине 70-х годов в связи с переходом впервые в мире на строительство магистральных газопроводов диаметром 1420 мм и массовой разработкой газовых месторождений, расположенных на Крайнем Севере, было разработано еще одно поколение трубных сталей. Месторождения были отдалены от основных потребителей на 2500-3000 км. Чтобы сделать транспорт газа на такие расстояния эффективным помимо увеличения диаметра до 1420 мм в газопроводах было повышено рабочее давление с 5,4 до 7,4 МПа. В соответствии с изменением параметров трубопроводов ужесточились нормативные требования к трубам. Надежная работа газопроводов в суровых климатических условиях таких регионов была обеспечена применением низколегированных малоперлитных сталей, обладающих сочетанием высоких значений прочности, ударной вязкости, хладостойкости и свариваемости. Такого сочетания свойств удается достичь формированием в процессе контролируемой прокатки мелкозернистой структуры с субструктурным и карбонитридным упрочнением. Внедрение контролируемой прокатки сопровождалось совершенствованием процессов выплавки и внепечнои обработки стали.
Исследования особенностей кинетики распада аустенита при сварке высокопрочных трубных сталей
Наиболее эффективными и современными подходами к пониманию свариваемости трубных сталей являются методы изучения кинетики фазовых превращений аустенита околошовной зоны посредством построения термокинетических диаграмм и оценки механических свойств на образцах, моделирующих микроструктуру металла околошовной зоны для способов сварки, используемых при изготовлении труб и строительстве газонефтепроводов. Выбор и применение указанных методов позволяет на основе анализа взаимосвязи состава стали, микроструктуры и свойств металла околошовной зоны оптимизировать режимы сварки.
Температурный градиент в зоне термического влияния обусловливает многообразие структурных и фазовых изменений. Среди них наибольшие происходят в зоне, нагреваемой выше температуры начала интенсивного роста зерна аустенита. Как показывает практика эксплуатации трубопроводов и результаты испытаний их сварных соединений, металл околошовной зоны наиболее подвержен разрушению. Околошовная зона реальных сварных соединений имеет сложную конфигурацию и малые размеры, поэтому исследование ее свойств затруднено вследствие локализации разрушения при испытаниях. По указанной причине изучение закономерностей влияния структурных превращений на механические свойства металла околошовной зоны является наиболее результативным при использовании методов, основанных на моделировании сварочных циклов, посредством программируемого воспроизводства термокинетических параметров поведения металла околошовной зоны, существующих при сварке, во всем объёме образца исследуемого металла.
Исследования выполнены на низкоуглеродистых микролегированных сталях категории прочности К65 (Х80), К70 (XI00). Для выявления особенности кинетики распада аустенита высокопрочных сталей по сравнению с традиционными низколегированными трубными сталями фрагментально рассматривалась сталь категории прочности К52 (марки 17ГС).
Свариваемость сталей изучали методом моделирования физических процессов, протекающих в металле ЗТВ при сварке, с использованием дилатометра типа ИМЕТ-ДБ. Рассматривался околошовный участок ЗТВ, как наиболее опасный с позиции изменения структуры и свойств.
Имитацию сварочных процессов проводили на цилиндрических образцах диаметром 6 мм, длиной б мм и толщиной стенки 1 мм. Использовали индукционный нагрев. Максимальная температура нагрева составляла 1350С, скорости охлаждения в интервале температур диффузионного превращения аустенита (wg-s) изменялись от 2 С/с до 300 С/с.
Скорость охлаждения порядка 2 С/с обеспечивалась при охлаждении образцов на воздухе. Для обеспечения более высоких скоростей охлаждения (wg-5) использовали специальное охлаждение образцов инертным газом [78].
Изучали кинетику фазовых превращений аустенита в условиях разных термических циклов сварки и связанные с ними изменения микроструктуры. Металлографические исследования образцов после их травления в 4-% растворе азотной кислоты в этиловом спирте проводили на оптическом микроскопе «Neophot 15М».
Методом рентгенографического анализа [9] были исследованы микродеформации (дефектность) решетки мартенситной фазы, содержание углерода и плотность дислокаций в ней для сталей разной категории прочности.
Исследовали механические свойства металла имитированной околошовной зоны, а также его склонность к образованию холодных трещин.
Склонность к хрупкому разрушению оценивали по результатам испытания на ударный изгиб серии образцов Шарпи с имитированной на них микроструктурой метала ОШУ ЗТВ. Для этого использовали призматические образцы размером 10 х 10 мм, длиной 50 мм, предварительный нагрев и охлаждение которых осуществляли по методике.
Испытания на ударную вязкость образцов, обработанных по термическому циклу сварки, проводились на маятниковом копре, с записью диаграммы разрушения. Это позволило оценить работу зарождения и распространения трещины. Испытания проводились согласно ГОСТ 9554 и ГОСТ 6996 на образцах типа Шарпи в диапазоне температур от +20С до -60С.
Измерение твердости проводили на приборе Виккерс в соответствии с ГОСТ 2999 при нагрузках от 9,807 Н (1 кгс) до 98,07 Н (10 кгс).
Анализ поверхности разрушения образцов проводили фрактографическим методом исследований на растровом электронном микроскопе JSM-50A. Оценивали микромеханизм разрушения, долю волокна в изломе и критическую температура хрупкости.
Технология и параметры режимов ручной дуговой сварки неповоротных стыков
В данном разделе диссертационной работы выполнен расчет параметров технологии сварки применительно к кольцевым стыкам трубопроводов с рабочим давлением 8,3-11,3 МПа, изготовленных из стали категории прочности Х80, Х100 диаметром 1420 мм с толщиной стенки до 33 мм.
Основными способами сварки кольцевых стыков трубопроводов с указанными параметрами являются:
- ручная дуговая сварка для неповоротных стыков трубопроводов;
- автоматическая и механизированная дуговая сварка в защитных газах для неповоротных стыков трубопроводов.
Расчет выполнен с применением инженерно-программного комплекса «Свариваемость» (разработка МГТУ им. Баумана), в котором использовалась классическая теории распространения теплоты при сварке Н.Н.Рыкалина. Рассматривалась схема быстродвижущегося точечного источника внутри бесконечного плоского слоя толщиной 5, равной толщине стенки трубы, имеющего предварительно нагретую до температуры подогрева Тп зону шириной 2L.
Теплофизические свойства материала были приняты постоянными, характерными для низколегированных сталей (коэффициент теплопроводности X = 0.38 Вт/(см К), объемная теплоемкость ср = 5.2 Дж/(см К), плотность (р = 7.8 г/см3). Теплоотдача в воздух с наружной и внутренней поверхностей трубы не учитывалась.
Для определения температуры нагрева различных участков сварного соединения с учетом влияния размеров трубы вводились фиктивные источники теплоты. Согласно принципу наложения результирующее температурное поле при действии нескольких источников теплоты определялось как сумма полей приращений температур от каждого из источников и начальной температуры изделия Т0, равной температуре окружающей среды (Т0 = 10С).
Т = Т0 + АТП + AT! +... + АТП
где АТП - приращения температур, связанные с процессом остывания зоны подогрева; AT! ... АТП - приращения температур, связанные с выполнением сварочных проходов 1 ... п. Для расчета приращений температур, связанных с остыванием зоны подогрева, использовалось классическое решение задачи о выравнивании температур в неравномерно нагретом стержне. Использование схемы стержня в данном случае правомерно, т.к. распространение теплоты от предварительно нагретой зоны происходит только в одном направлении - вдоль оси трубы:
