автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Особенности структуры и свойства зоны термического влияния сварных соединений сталей класса прочности К56

На правах рукописи

Шекшеев Максим Александрович

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К56

Специальность 05.16.01. -Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов

б и;он 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060912

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Сычков Александр Борисович

Официальные оппоненты: Пугачева Наталия Борисовна

доктор технических наук, профессор, Учреждение Российской академий наук Институт машиноведения УрО РАН, старший научный сотрудник

Покачалов Виктор Владимирович кандидат технических наук, доцент, ОАО «Белорецкий металлургический комбинат», заведующий лабораторией металловедения ЦЗЛ

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет»

Защита состоится 20 июня 2013 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал. с

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Автореферат разослан « / у-» А/бс^С.^ 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Полякова Марина Андреевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 со = 1,9 — 87°С/с (погонной энергии сварки 53,5 - 1,3 кДж/см), твердость металла изменяется диапазоне 151 -239 НУ.

— 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 НУ. Металл околошовного участка верхней части соединений характеризуется наличием видманштетгового феррита по границам первичных зерен и пластинчатыми структурами внутри зерна, твердость находится на уровне 160 НУ. В нижней части, металл шва и околошовного участка характеризуется наличием зерен феррита (размер зерна № 6) и пластинчатого перлита, твердость находится на уровне 130 НУ.

— 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 видманштетгового 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:

1. Установленные по методу валиковой пробы закономерности влияния погонной энергии и параметров режима дуговой сварки на структуру и механические свойства ЗТВ проката класса прочности К56.

2. Результаты исследования взаимосвязи структуры и свойств сварных соединений проката класса прочности К56.

3. 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,

2012 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,

2013 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен литературный обзор. Рассмотрены тенденции развития трубных сталей, предназначенных для производства магист-

ральных трубопроводов, принципы их легирования и микролегирования, требования, предъявляемые к структуре и свойствам сварных соединений труб.

Приведен обзор технологий дуговой сварки, применяемых при производстве и монтаже трубопроводов. Рассмотрены особенности формирования структуры и свойств сварных соединений при дуговых способах сварки. Установлен ряд проблем, относящихся к структуре и механическим свойствам сварных соединений: формирование неблагоприятных мартенситных структур, повышение твердости и снижение уровня ударной вязкости, определены цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены основные характеристики материалов и оборудования, а также методика проведения эксперимента.

Листовой прокат класса прочности К56 поставляется в состоянии с субструктурным и фазовым упрочнением, полученным методом контролируемой прокатки. Химический состав и механические свойства исследуемой плавки приведены в табл. 1 и 2.

В работе рассматривается воздействие на металл трех основных способов дуговой сварки: ручной дуговой покрытым электродом (РДС), механизированной плавящимся электродом в среде защитного газа (МП), автоматической под слоем флюса (АФ).

Таблица 1

Химический состав стали класса прочности К56_

Массовая доля элементов, %

С Si Мп S Р Cr Ni Си

0,11 0,37 1,59 0,003 0,009 0,02 0,03 0,05

AI N V Ті Nb Mo в Sn

0,037 0,007 0,039 0,022 0,029 0,002 0,0004 0,003

Таблица 2

Механические свойства проката из стали класса прочности К56*_

Толщина проката, мм Предел прочности ив, МПа Предел текучести сгт, МПа Ударная вязкость KCV.„. Дж/см2

12 550-670 (565) 440-560 (495) 90 - 500 (281)

* в скобках указаны фактические свойства стали

Источником питания при РДС служил многопостовой сварочный выпрямитель В ДМ - 1202С фирмы «SELMA», регулировка тока осуществлялась с помощью балластного реостата РБ — 302. В качестве сварочных материалов применялись электроды типа Э50А марки УОНИ - 13/55 диаметром 3,00 и 4,00 мм с основным покрытием и стержнем из проволоки Св — 08.

Механизированную сварку в среде защитных газов (смеси Ar 82% + С02 18%) выполняли инверторным аппаратом «Phoenix 500 Progress Puls» фирмы «EWM». Для сварки применяли проволоку Св - 08Г2С диаметром 1,2 мм.

Автоматическую сварку под слоем флюса выполняли на автоматизированной сварочно-наплавочной установке производства ООО «Корбайт». Для сварки использовали низколегированную проволоку Св - 08ГС диамет-

ром 1,6 мм, в качестве защиты применяли сварочный основный флюс АН -348А.

Экспериментальные исследования проводили в два этапа:

На первом этапе исследование влияние технологии сварки на свариваемый металл вели по методу валиковой пробы (ВП) ГОСТ 13585 - 68. Сущность метода заключается в наплавке валиков на сплошные или составные пластины исследуемой стали при различных режимах сварки и последующем определении ударной вязкости, твердости, микроструктуры и других показателей ЗТВ.

В работе применялся вариант ВП с составной пластиной. Наплавка валика велась на собранную в зажимном устройстве пластину из брусков размерами 12 16 200 мм при РДС и МП, и 12 18 200 мм при АФ. Бруски вырезали дисковой фрезой из листов исследуемой стали.

Составная пластина собиралась так, что валик наплавлялся на поверхность реза брусков (рис. 1).

После наплавки пластины выдерживали в течение 10 минут в зажимном устройстве, чтобы избежать нежелательных деформаций, далее освобождали и окончательно охлаждали на воздухе. Затем бруски поочередно отделяли один от другого. Из брусков изготавливали образцы для исследований.

ш

кІй'Гі'Гі'і'іІ^йТ

Рис. 1. Составная пластина для валиковой пробы: 1 — валик, 2 — бруски, 3 — бруски не участвующие в испытаниях

Планирование и обработку результатов исследования проводили по методу полного факторного эксперимента, по планам 22 и 23. Всего, согласно программе испытаний, было изготовлено 25 составных пластин

На втором этапе многослойную сварку исследуемой стали способами РДС и МП производили на жестко закрепленных пластинах с У-образной разделкой размерами 200 400 12 мм (рис. 2). После сварки пластины охлаждали на воздухе. Исследования микроструктуры и механических свойств проводили на образцах, вырезанных из центральной части сварных соединений.

60%/- 5

Рис. 2. Разделка стыка под сварку

Для расчета параметров термических циклов при однослойной сварке использовали специально разработанную программу для ЭВМ (получено свидетельство о Государственной регистрации № 2011619499), в основу которой положена классическая теория распространения теплоты при сварке H.H. Рыкалина, расчеты производили по схеме плоского слоя. Распределение температуры при многослойной сварке пластин фиксировали тепловизион-ной камерой SDS HOTFIND DXT. Фиксировали температуру поверхности оборотной стороны свариваемых образцов в интервале 200 - 1000°С в момент сварки и после ее окончания. Полученные термограммы обрабатывали с помощью программы-анализатора изображений «SatReport».

Металлографические исследования выполняли на световых микроскопах «Микромед Мет» при увеличении 100 - 400 крат и Meiji IM 7000 при увеличениях 100 - 1000 крат. Рентгенографический фазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-УМ1 при напряжении 32 кВ, силе тока 10 мА, использованием Mo - ка излучения в режиме записи на потенциометре и автоматической регистрацией на ПК с помощью программы «DIFWIN1». При оценке структурного состояния металла определяли величину зерна по ГОСТ 5639 - 82, балл видманштеттовых структур - по ГОСТ 5640 - 68. Количественный анализ выполняли с помощью программ анализаторов изображений «Scopephoto» и «Thixomet Pro».

Механические свойства металла ЗТВ оценивали по трем показателям: твердость, микротвердость и ударная вязкость. Твердость металла участков сварных соединений определяли по методу Виккерса согласно ГОСТ 2999 -75, микротвердость структурных составляющих определяли согласно ГОСТ 9450 - 76. Величину и характер распределения твердости и микротвердости выполняли на поперечных шлифах согласно схемам по ГОСТ 13585 - 68 и ГОСТ 6996 - 66. Производили по три измерения на каждую точку, используя прибор HV - 1000 фирмы «TIME Group». Вырезку образцов Шарпи из брусков составной пластины для определения ударной вязкости металла ЗТВ выполняли согласно схеме, представленной в ГОСТ 13585 - 68 (рис. 3).

Вырезку образцов Шарпи из многослойных сварных соединений производили из центральной части соединений согласно ГОСТ 6996 - 66. Испытания проводили на маятниковом копре при температуре испытания +20°С и

Третья глава посвящена исследованию структуры и свойств проката класса прочности К56 после дуговой сварки.

Проведено исследование влияния режимов дуговой сварки на структуру и свойства металла околошовного участка ЗТВ. Исследование вели по методу полного факторного эксперимента (ПФЭ) по плану 23 для РДС и 22 для МП и АФ. В качестве варьируемых факторов были выбраны сварочный ток, скорость сварки и угол наклона электрода (только при РДС). В зависимости от способа сварки факторы изменялись в следующих пределах: при

Рис. 3. Схема вырезки образцов: 1 - брусок составной пластины; 2 - образец

- 20°С.

РДС - XI (сварочный ток 80 - 200 А), Х2 (скорость сварки 11-30 м/час), ХЗ (угол наклона электрода 60 - 90°); при МП - XI (сварочный ток 120 - 360 А), Х2 (скорость сварки 12 - 42 м/час); при АФ - XI (сварочный ток 120 - 450 А), Х2 (скорость сварки 12 - 42 м/час). В центре плана проводили три парал-

лельных испытания. Матрица планирования приведена в табл. 4-6.

Таблица 4

_Матрица планирования ПФЭ 23 при РДС_

№ опыта Варьируемые факторы

Сварочный ток I Скорость сварки V Угол наклона электрода а

XI А Х2 м/час ХЗ О

1 -1 80 -1 11 -1 60

2 +1 200 -1 11 -1 60

3 -1 80 +1 30 -1 60

4 +1 200 +1 30 -1 60

5 -1 80 -1 11 +1 90

6 +1 200 -1 11 +1 90

7 -1 80 +1 30 +1 90

8 +1 200 +1 30 +1 90

9 140 21 74

Таблица 5

Матрица планирования ПФЭ 22 при МП

№ опыта Варьируемые факторы

Сварочный ток I Скорость сварки V

XI А Х2 м/час

1 -1 120 -1 12

2 +1 360 -1 12

3 -1 120 +1 42

4 +1 360 +1 42

5 И Ю 27

Таблица 6

Матрица планирования ПФЭ 22 при АФ

№ опыта Варьируемые факторы

Сварочный ток I Скорость сварки V

XI А Х2 м/час

1 -1 120 -1 11

2 +1 450 -1 11

3 -1 120 +1 30

4 +1 450 +1 30

5 280 21

Показано, что металл ОШУ по сравнению с основным металлом характеризуется существенным огрублением структуры (рис. 4). Наблюдаются характерные включения в виде пластинчатых образований, расположенных в объеме первичных зерен. Измерения твердости и микротвердости (рис. 5) показали, что металл ОШУ состоит из феррита игольчатой морфологии, который можно классифицировать как низкоуглеродистый бейнит.

Повышение твердости металла ОШУ при снижении уровня погонной энергии сварки связаны с изменением толщины образовывавшихся пластинчатых структур. Толщина пластин изменяется от 3 - 4 мкм при q/V = 53,5 кДж/см (со = 1,9 °С/с) до 0,5 - 1 мкм при я/У = 1,3 кДж/см (со = 87 °С/с).

а б в

Рис. 4. Структура проката класса прочности К56: а - в состоянии поставки, 400; б - ОШУ при Я/У = 1,3 кДж/см (со = 87 °С/с), 10 00; в - ОШУ при я/У = 16 кДж/см (со = 20,5 °С/с), 10 00

225 > 200 * 175

53.5 24,8 16 7.14 1.3 Я/V, кДж/см

| Д НУ. кг/мма —Микротвердостъ, МПа |

ЯЛ/. кДж/см

а б

Рис. 5. Изменение механических свойств металла ОШУ в зависимости от уровня погонной энергии q/V сварки: а-твердости и микротвердости; б-ударной вязкости

Снижение ударной вязкости металла ОШУ по сравнению с основным металлом обусловлено укрупнением зерна аустенита (рис. 6). В состоянии поставки зерно аустенита соответствует № 8 - 9 по ГОСТ 5639 - 82, в металле ОШУ при погонной энергии q/V =1,3 кДж/см - № 5 - 6, в металле ОШУ при погонной энергии q/V =16 кДж/см - № 4.

а б в

Рис. 6. Зерно аустенита проката класса прочности К56: а-в состоянии поставки, 10 00; б-ОШУ при q/V = 1,3 кДж/см (со = 87 °С/с), 10 00; в - ОШУ при q/V = 16 кДж/см (ш = 20,5 °С/с), 10 00

После обработки результатов полного факторного эксперимента (табл. 7) получили адекватные математические зависимости механических свойств металла ОШУ от параметров режима дуговой сварки (1) - (9).

Таблица 7

Механические свойства металла ОШУ в зависимости от способа и режима дуговой сварки

№ опыта РДС МП АФ

ЧІ § НУ 8" 2 и д НУ о" ^ £ " 8" г НУ

1 220 217 162 237 226 183 235 232 166

2 232 227 169 248 241 151 252 248 155

3 217 207 239 224 218 232 226 223 203

4 227 225 203 230 224 189 237 231 159

5 222 219 160 233 227 192 235 232 179

6 245 239 166 - - - - - -

7 218 211 236 - - - - - -

8 225 224 198 - - - - - -

9 226 220 190 - - - - - -

НУРДС =191,63 -7,63-Хх + 27,38-Х2 -10,88 ■ X, -Хг\

(Рр>04 = 0,93, Ртвбл = 19,25)

КСУ20РДС =225,75 + 6,5-X,-4- ;

(Рр»„ = 4,08, К.,» = 19,3)

20РДС = 221,13 + 7,63 • X, - 4,3 8 • Х2; (Рр.„ = 2,36, Рта6л= 19,3) НУМП =188,8-18,8-^+21,8-Х,;

(Ррасч = 7,56 , Ртабл = 18,51)

(Ррасч 4,2, Ртабл 19)

КСУ_20Ш = 227,3 + 5,3 • X, - 6,3 • X,; (Ррсч = 4,67, ^,6,, = 18,51)

НУАФ =170,8-13,8• Х1 +10,3-Х, -8,3-Х,-Х2;

(Ррасч = 0,3 , Рт,бл = 18,51)

КСУ20АФ = 237,5 + 7 ■ X, - 6 • Х2;

(Ррасч = 3,85, РТабл = 18,51)

КСУ-20ЛФ = 233,5 + 6-X,- 6,5 • X, •

(Ррасч = 6,85 , Ртабл = 1 8,51)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

Наименьшее упрочнение металла ОШУ наблюдается на режиме № 2 (Я/У = 16 кДж/см) при РДС, режиме № 2 (ц/У = 24,8 кДж/см) при МП, режиме № 2 (ц/У = 53,5 кДж/см), №4 (Ч/У = 19,3 кДж/см), № 5 (я/У = 13, 5 кДж/см) при АФ. На данных режимах в металле ОШУ формируется пластинчатая структура низкоуглеродистого бейнита с толщиной пластин 2,5 - 4 мкм.

Мартенситных структур в металле ЗТВ в рассмотренном интервале погонных энергий и скоростей охлаждения не наблюдается. Слабая закаливаемость, при воздействии термических циклов сварки, может быть объяснена тем, что ниобий, являясь карбидообразующим элементом, связывает углерод в карбид ниобия и тем самым смещает распад аустенита в области более высоких температур.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния параметров режима дуговой сварки на структуру и механические свойства металла ОШУ многослойных сварных соединений проката класса прочности К56.

Исследовали сварные соединения, выполненные способами РДС и МП на режимах, представленных в табл. 8.

Металлографический анализ показал, что многослойные сварные соединения проката класса прочности К56 характеризуются различием структуры ЗТВ по высоте выполненного шва.

Металл ОШУ верхней части соединений характеризуется выделением периферийного видмаштеттового феррита по границам первичных зерен и игольчатых структур в центре зерна (рис. 7 а, б).

Металл ОШУ нижней части соединений представлен нормализованной структурой зернистого феррита и перлита (рис. 7 в).

Таблица 8

Режимы сварки многослойных стыковых соединений

№ слоя Сила тока 1, А Скорость V, м/час Напряжение и, В Погонная энергия q/V,кДж/cм

РДС

Соединение № 1

1 80 12,1 18-20 3,35

2 120 12,5 23-25 6,17

3 160 15,2 26-28 7,71

4 120 13,4 23-25 5,84

Соединение № 2

1 80 11,2 18-20 3,67

2 80 11,6 18-20 3,56

3 100 13,1 20-23 4,58

4 80 12,2 18-20 3,35

МП

Соединение № 3

1 142 15 20 4,5

2 260 31 31,5 6,19

3 260 22 31,5 8,73

4 270 14 31,5 ' 14,17

Соединение № 4

1 123 13,3 18 3,89

2 123 12,4 18 4,23

3 135 14,6 20 4,39

4 127 12,7 18 4,24

Рис. 7. Структура металла ОШУ соединения №1: а - верхняя часть, 10 00; б - верхняя часть , 2 00; в - нижняя часть, 4 00

Структурная неоднородность, характерная для многослойных сварных соединений, обусловлена явлением автотермообработки, когда каждый следующий накладываемый слой термообрабатывает предыдущие. На рис. 8 хорошо видно изменение температур в ЗТВ нижней части соединения во время заполнения и облицовки разделки стыка. Вследствие чего в нижней части соединения происходит нормализация металла и образуется зернистая структура, в то время как верхняя часть характеризуется наличием грубых пластинчатых структур.

а б

Рис. 8. Распределение температур (°С) при РДС (а) и МП (б): 2 - при наложении второго слоя, 3 — при наложении третьего слоя; 4 - при наложении четвертого слоя

Измерения твердости по Виккерсу показали, что наибольшее упрочнение металла наблюдается в околошовном участке ЗТВ в верхней части соединений (рис. 9), где происходит образование игольчатых структур. Максимальная твердость металла достигает 150 - 160 HV в соединениях № 1 и № 3 при суммарной погонной энергии сварки 23 кДж/см и 33,6 кДж/см, соответственно. В соединении № 2 и № 4 максимальная твердость в металле ОШУ достигает 140 - 150 HV при суммарной погонной энергии сварки 15,2 кДж/см и 16,8 кДж/см, соответственно.

Г

Рис. 9. Распределение твердости Виккерса металла ОШУ по высоте соединений: а- № 1; б-№2; в-№3; г-№4

Из анализа данных (рис. 10) следует, что металл ОШУ обладает меньшей ударной вязкостью по сравнению с основным металлом (табл. 2), что связано с ростом зерна и значительным огрублением структуры.

К металлу сварных соединений трубных сталей предъявляют высокие требования по механическим свойствам. Согласно требованиям ОАО «Газпром» твердость металла шва должна быть не более 280 НУ, а твердость металла ЗТВ для труб из сталей класса прочности от К56 до К60 не должна превышать 325 НУ. Ударная вязкость ЗТВ при испытаниях на ударный изгиб по Шарпи, при температуре испытания -20°С должна быть не менее 50 Дж/см2. Сравнивая данные по твердости металла сварных соединений и уровню ударной вязкости металла ОШУ с нормативными данными, можно заключить, что сварку многослойных соединений стали класса прочности К56 можно производить в диапазоне суммарной погонной энергии 15, 2 - 33,6 кДж/см.

Согласно результатам расчета углеродного эквивалента рассматриваемая в работе сталь обладает повышенной склонностью к образованию холодных трещин. Однако, из сопоставления значений углеродного эквивалента с результатами исследования микроструктуры и свойств металла ЗТВ видно,

что исследуемая в работе сталь не склонна образованию мартенситных структур и, как следствие, холодных трещин при воздействии сварочных термических циклов и обладает хорошей свариваемостью. Поэтому была проведена корректировка выражений для определения углеродного эквивалента с целью более адекватного описания склонности проката класса прочности К56 к образованию закалочных структур и холодных трещин в металле сварных соединений.

Корректировку параметрических уравнений проводили по оригинальной авторской методике (Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М.) применительно к марганцевым сталям. Для сталей с содержанием углерода от 0,1 до 0,15 % и марганца от 1,4 до 1,8 % коэффициент эквивалентности марганца т = 7-9. Поэтому для расчета углеродного эквивалента исследуемой нами трубного проката класса прочности К56 с концентрацией углерода 0,11% и марганца 1,56 % целесообразно применять зависимости с более высокими значениями щ . Поэтому можно использовать параметрические зависимости в несколько модифицированном виде:

_ Мп Я Сг № Мо V Си Р ,1П.

С,ГЯ = С + — + — + — + — + — + — + — + — (10)

Экв 8 24 5 40 4 14 13 2

зкв 8 5 15

Из сопоставления результатов расчета с по зависимостям (10) и (11) (по формуле (10) сэкв = 0,341 %, по формуле (И) сэкв = 0,342 %,) с критическими значениями (Сэкв = 0,40 %) следует, что исследуемая сталь класса

прочности К56 обладает высокой устойчивостью к образованию закалочных структур и холодных трещин в металле сварных соединений, что в свою очередь подтверждается экспериментальными данными.

Для выбора управляемых параметров сварки трубного проката класса прочности К56 разработана компьютерная программа для ЭВМ на основе полученных в главе 3 регрессионных уравнений, описывающих зависимость механических свойств металла ЗТВ при однослойной сварке. Применение разработанной программы актуально при выборе параметров дуговой сварки при производстве ремонтных работ или сварке корневого слоя.

С помощью полученных данных были подобраны наиболее выгодные режимы с точки зрения наименьшего ухудшения механических свойств металла ЗТВ. Установлено, что однослойную сварку исследуемой стали в зависимости от способа сварки выгоднее производить при следующих параметрах режима: при РДС - 1 = 120 - 200 А, V = 11 - 20 м/час; при МП - I = 250 -360 А, V = 12 - 25 м/час; при АФ - I = 200 - 450 А, V = 11 - 25 м/час.

Многослойную сварку монтажных соединений, опираясь на данные главы 4, выгоднее производить при пониженных значениях погонной энергии, что обеспечивает меньший перегрев и упрочнение металла ЗТВ. При сварке труб толщиной 12 мм уровень суммарной погонной энергии должен

находиться на следующем уровне: при РДС qFV = 15-16 кДж/см; при МП Я/У = 16- 18 кДж/см.

Основные выводы

1) По методу валиковой пробы установлены закономерности изменения структуры и механических свойств металла околошовного участка ЗТВ высокопрочной низколегированной стали класса прочности К56:

- В диапазоне скоростей охлаждения со = 1,9 — 87°С/с металл ОШУ имеет структуру низкоуглеродистого бейнита пластинчатой морфологии, толщина пластин изменяется от 4 до 0,5 мкм, а твердость металла изменяется диапазоне 151 -239 НУ.

- Характер изменения твердости (151 - 239 НУ) и микротвердости (1398 - 2192 МПа) металла околошовного участка при различных способах и режимах дуговой сварки (53,5 - 1,3 кДж/см) говорит о том, что исследуемая сталь не склонна к образованию мартенситных структур и холодных трещин.

- Получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость механических свойств (твердости, ударной вязкости) металла околошовного участка от управляемых параметров режима сварки (сварочный ток, скорость сварки). Применение разработанных уравнений позволяет выбирать режимы сварки без учета фактора напряжения. Выражения могут быть использованы для выбора параметров однопроходной сварки, при ремонтных работах или сварке корневого слоя. На основе полученных уравнений была создана программа для ЭВМ

2) Установлены закономерности изменения структуры и механических свойств металла околошовного участка ЗТВ многослойных сварных соединений высокопрочного проката класса прочности К56 из низколегированной стали:

- При суммарной погонной энергии сварки (15,2 - 33,6 кДж/см) металл сварных соединений характеризуется наличием структурной неоднородности по высоте соединений. Металл околошовного участка верхней части соединений характеризуется наличием видманштеттового феррита по границам зерен и пластинчатых структур внутри зерна. Вследствие эффекта автотермообработки структура металла околошовного участка нижней части характеризуется нормализованной ферритной структурой (номер зерна 5 — 6 по ГОСТ 5639).

- Снижение уровня суммарной погонной энергии (менее 20 кДж/см) способствует уменьшению размера околошовного участка и приводит к понижению максимальной твердости на 19 НУ, с 161 до 142 НУ за счет меньшего перегрева металла, что обеспечивает более высокую стабильность механических свойств сварного соединения.

3) Для более адекватного определения склонности высокопрочного проката класса прочности К56 из низколегированной стали к образованию мартенситных структур и холодных трещин при воздействии термических циклов сварки по значению углеродного эквивалента предложены модифицированные параметрические уравнения с измененным коэффициентом эквивалентности марганца.

4) Предложены рациональные режимы дуговой сварки, обеспечивающие наименьшее ухудшение структуры и свойств металла околошовного уча-

стка сварных соединений проката класса прочности К56. Режимы опробованы в условиях производственной площадки и рекомендованы к использованию.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емелюшин, А.Н. Исследование структуры и механических свойств сварных соединений стали класса прочности К56 при различных параметрах режима сварки / А.Н. Емелюшин, А.Б. Сычков, В.П. Манин, М.А. Шекшеев // Сварочное производство. 2013. № 1. С. 3 -7. (издание из перечня ВАК)

2. Емелюшин, А.Н. Исследование свариваемости высокопрочной трубной стали класса прочности К56 / А.Н. Емелюшин, А.Б. Сычков, М.А. Шекшеев // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2012. №3. С. 26 - 30. (издание из перечня ВАК)

3. Емелюшин, А.Н. Исследование формирования структуры и свойств сварных соединений трубной стали / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев, A.A. Окулова // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012». - Выпуск 3. Том 10. Одесса: КУПРИЕНКО, 2012 -ЦИТ: 312-341 - С. 30-33.

4. Емелюшин, А.Н. Исследование формирования структуры многослойных сварных соединений трубной стали / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев, A.A. Окулова, A.A. Пупейко // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-ой межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. - Т. 1. - С. 242 - 246.

5. Емелюшин, А.Н. Современные методы выбора рациональных параметров режима сварки низколегированных сталей / А.Н. Емелюшин, А.И. Беляев, М.А. Шекшеев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-ой межрегиональной научно-технической конференции. — Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. — Т.2. — С. 163- 165.

6. Емелюшин, А.Н. Исследование температурного состояния многослойных сварных соединений / А.Н. Емелюшин, C.B. Михайлицын, М.А. Шекшеев // Механическое оборудование металлургических заводов: межрегион. сб. науч. тр. под ред. Корчунова А.Г. Магнитогорск: изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. С. 167 - 174.

7. Сычков, А.Б. Особенности формирования структуры и свойств околошовного участка сварных соединений стали класса прочности К56 при различных параметрах дуговой сварки / А.Б. Сычков, М.А. Шекшеев // Молодежная наука будущее страны: материалы I научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Ставрополь: центр научного знания «Логос», 2012.-С. 108-111.

8. Сычков, А.Б. Исследование формирования структуры и свойств металла зоны термического влияния низколегированной трубной стали при различных параметрах дуговой сварки / А.Б. Сычков, М.А. Шекшеев // Теория и практика внедрения новых технологий и материалов в производстве и строительстве НИЦ «Апробация» - Москва: издательство Перо, 2012. - С. 40 - 44.

9. Емелюшин, А.Н. Особенности формирования структуры и свойств сварных соединений стали класса прочности К56 при различных режимах дуговой сварки / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев // XIII международная научно-техническая Уральская школа-семинар молодых ученых металловедов: Сборник научных трудов. Екатеринбург: УрФУ, 2012. С. 107- 109.

10. Емелюшин, А.Н. Обеспечение требуемых механических свойств околошовного участка зоны термического влияния при сварке низколегированной трубной стали / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев // Тезисы докладов XVI научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК». -Магнитогорск. - 2012. - С. 49.

11. Емелюшин, А.Н. Исследование влияния термических циклов на структуру основного металла при сварке стали категории прочности К56 / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-ой научно-технической конференции. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011.-Т.1.С. 150- 153.

12. Емелюшин, А.Н. Фазовые превращения в околошовной зоне, при сварке соединений стали категории прочности К56 / А.Н. Емелюшин, М.А. Шекшеев // Тезисы докладов XI международной научно-технической конференции молодых работников ОАО «ММК». — Магнитогорск. -2011.-С. 71 -72.

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011619499 «Расчет влияния сварочного нагрева на материал Gefest-Welding» / Емелюшин А.Н., Шекшеев М.А., Александров A.A., Петро-ченко Е.В., Ахметова A.A. / Правообладатель ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова».

Подписано в печать 15.05.2013 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 277.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

04201360126 На правах рукописи

Шекшеев Максим Александрович

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛЕЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К56

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов и сплавов

Технические науки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.Б. Сычков

Содержание

Введение................................................................................................................................................................4

1. Аналитический обзор современного состояния металловедения сварки трубных сталей. Постановка цели и задач исследования...........

1.1. Требования к сталям и прокату для магистральных трубопроводов 6

1.2. Развитие трубных сталей............................................................................................................7

1.2.1. Технология производства низколегированных трубных сталей... 9

1.2.2. Механизм дисперсионного упрочнения трубных сталей......................10

1.3. Производство сварных соединений трубопроводов..........................................11

1.4. Формирование структуры сварных соединений..................................................14

1.4.1. Структура участков зоны термического влияния..........................................14

1.4.2. Превращения в зоне термического влияния сварных соединений трубных сталей.................................................................

1.4.2.1 Ферритное превращение..................................................................................................19

1.4.2.2 Бейнитное превращение............................................................................................................20

1.4.2.3 Мартенситное превращение..........................................................................................23

1.5. Влияние химического состава стали на структуру и свойства свар-

25

ных соединений.......................................................................

1.5.1. Влияние легирующих элементов..............................................................................25

1.5.2. Влияние микролегирующих элементов............................................................26

1.6. Свариваемость трубных сталей......................................................................................31

1.7. Цель и задачи работы....................................................................................................................34

2. Объект и методы исследования................................................................................................37

2.1. Выбор материала исследований..........................................................................................37

2.2. Методы и оборудование для экспериментальных исследований.... 38

2.2.1. Сварочное оборудование и материалы..................................................................38

2.2.2. Исследование влияния технологических параметров сварки на

39

2.2.3.1. Проверка адекватности регрессионной модели....................................43

2.2.4. Анализ микроструктуры и рентгенофазовый анализ..................................44

2.2.5. Оценка механических свойств........................................................................................45

2.3. Определение температурно-временных параметров металла

47

при воздействии сварки.............................................................

2.3.1. Расчет параметров термического цикла сварки..............................................48

2.3.2. Исследование температурного состояния многослойных сварных соединений..........................................................................

3. Исследование воздействия дуговой сварки на структуру и свойства

52

проката класса прочности К56.....................................................

3.1. Влияние химического состава стали на склонность к образованию

52

трещин при воздействии сварки..................................................

3.2. Исследование влияния технологических параметров дуговой сварки на структуру и свойства металла околошовного участка прока- 53 та класса прочности К56...............................................................

3.2.1. Влияние параметров ручной дуговой сварки........................... 54

3.2.2. Влияние параметров механизированной сварки..................... 58

3.2.3. Влияние параметров автоматической сварки........................ 61

3.2.4. Исследование свойств металла околошовного участка в зави-

64

симости от параметров режима сварки.........................................

3.3 Исследование влияния скоростей охлаждения на структуру и свой-

68

ства металла околошовного участка..............................................

3.4. Исследование структуры и свойств металла околошовного участ-

73

ка в зависимости от уровня погонной энергии сварки....................

4. Исследование влияния режимов сварки на структуру и свойства многослойных сварных соединений проката класса прочности К56... 4.1. Исследование влияния режимов сварки на структуру многослой ных сварных соединений проката класса прочности К56.................

81 83

4.2. Послойное изучение изменения структуры многослойных свар-

ных соединений проката класса прочности К56...............................

4.3. Исследование влияния режимов сварки на механические свойства

97

многослойных сварных соединений проката класса прочности К56......

4.4. Исследование влияния углеродного эквивалента на трещиностой-

102

кость проката класса прочности К56 при сварке..............................

4.5. Внедрение результатов диссертационной работы..............................................107

Общие выводы..................................................................................................................................................110

Список литературы....................................................................................................................................113

Приложение А................................................................................................................................................121

Приложение Б................................................................................................................................................122

Введение

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.

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. Для удовлетворения потребностей «Транснефти» и «Газпрома» подходил лист, производимый на металлургических предприятиях Украины, Польши, Кореи.

В 2009 году на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ММК)» был пущен в строй реверсивный широкополосный стан горячей прокатки, стан «5000». Основу выпускаемого сортамента составили труб-ный-штрипсовый толстолистовой прокат, поставляемый по различным классам прочности. Основными потребителями продукции стана стали предприятия трубной промышленности - «Челябинский трубопрокатный завод» и «Выксунский металлургический завод».

Тенденции к повышению производительности перекачки нефти и газа определили необходимость перехода на более высокий уровень давления в трубопроводе (номинальное рабочее давление свыше 9,8 МПа), а также использования труб с наибольшими разрешенными для магистральных трубопроводов диаметрами: 1420 мм для газопроводов и 1220 мм для нефтепроводов. Данные обстоятельства обусловили применение для производства трубопроводов высокопрочного низколегированного проката классов прочности К56, К60, К65, К70, так как использование сталей с меньшими прочностными свойствами приводило бы к чрезмерно высоким расчетным значениям толщины стенки трубы.

Низкая себестоимость обусловила широкое применение способов дуговой сварки при производстве труб и монтаже трубопроводов. Однако, неоднородность структуры и свойств, характерных для сварных соединений приводят к разрушению и определяют продолжительность безаварийной эксплуатации трубопроводов.

Целью настоящей работы является обеспечение формирования требуемых структуры и свойств сварных соединений проката класса прочности К56 при различной технологии дуговой сварки, которая была успешно решена в ниже приводимой диссертационной работе.

1. Аналитический обзор современного состояния металловедения сварки трубных сталей. Постановка цели и задач исследования

1.1. Требования к сталям и прокату для магистральных трубопроводов

Трубопровод это сложное сооружение высокого уровня безопасности и надежности [1, 2].

Для снижения металлоемкости магистральных трубопроводов в России и за рубежом ведется разработка трубных сталей высокой прочности, обладающих комплексом свойств, необходимых для эксплуатации в тяжелых природных условиях.

В целях предупреждения разрушений к трубам предъявляются высокие требования в отношении механических свойств. В частности, эти требования сводятся к тому, что основной металл должен иметь высокую прочность, обладать хорошей вязкостью и способностью сопротивляться хрупкому разрушению при температурах строительства и эксплуатации, а также иметь хорошую пластичность и свариваемость [3-5].

В настоящее время требования к ударной вязкости для нефтепроводов из труб диаметром 1220 мм нормируются на уровне 50 - 80 Дж/см2. Для газопроводов нормируемый показатель ударной вязкости достигает 150 Дж/см2 [6, 7].

Высокие требования к ударной вязкости сталей для газопроводов объясняются необходимостью охлаждения газа при транспортировке. При транспортировке нефти таких проблем не возникает, так как в северных районах ее подогревают, и основная задача сводится к принятию мер предотвращающих образование дефектов сварки в процессе строительства трубопровода [8].

При сварке технологических стыков в заводских условиях и кольцевых неповоротных стыков при монтаже трубопроводов ключевым показателем трубных сталей является свариваемость. Под свариваемостью пони-

мается свойство металла образовывать при установленной технологии сварки надежное соединение, отвечающее требованиям нормативно-технической документации. Другой характеристикой свариваемости является способность металла сварного соединения сопротивляться образованию трещин [9].

Трубы большого диаметра (ТБД), применяемые при строительстве магистральных трубопроводов, производятся с применением дуговой сварки под флюсом. В монтажных и ремонтных работах широкое применение нашли способы ручной дуговой сварки покрытым электродом и сварки плавящимся электродом в среде защитных газов. Процесс сварки характеризуется интенсивным нагревом и охлаждением кромок свариваемого металла. При этом происходит образование зоны термического влияния (ЗТВ), в которой возможно появление неблагоприятных структур, из-за чего может произойти снижение вязкости металла и его охрупчивание [10].

Таким образом, обеспечение свариваемости и работоспособности сварного соединения являются одними из основных вопросов при разработке технологии производства высокопрочных труб.

1.2. Развитие трубных сталей

В первоначальный период развития трубопроводного транспорта в СССР в начале 1950-х годов для изготовления труб магистральных трубопроводов применяли горячекатаные стали, прочностные свойства которых обеспечивались за счет твердорастворного, преимущественно, механизма посредством повышения в стали содержания углерода и марганца или хрома. Стали соответствовали зарубежным стандартам категориям Х42 - Х46 и обладали невысокой ударной вязкостью. Для экспандированных труб диаметром до 1020мм применяли сталь 19Г, для горячекатаных труб - 14ХГС. Указанные стали имели повышенную склонность к хрупкому разрушению, известны случаи протяженных разрушений газопроводов [11].

В середине 1960-х годов для газонефтепроводных труб диаметром до 1220 мм на давление 5,5 МПа были созданы низколегированные кремний-марганцевые (Si-Mn) стали также на основе твердорастворного упрочнения (горячекатаные и нормализованные) с пределом прочности сгв <510 Н/мм2 (17ГС, 17Г1С), которые позже были усовершенствованы (нормализованная сталь марки 17Г1С-У с содержанием < 0,02% S).

В дальнейшем накопленный опыт применения низколегированных Si-Mn сталей для газопроводных труб показал, что последующее повышение их прочности за счет увеличения содержания углерода и элементов, входящих в твердый а-раствор, не представляется возможным, ввиду ухудшения вязкости и свариваемости. Поэтому развитие сталей вели путем использования дисперсионного упрочнения и измельчения зерна феррита за счет микролегирования ванадием в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0,025%).

Низколегированные стали третьего поколения (с конца 1960-х годов) скарбонитридным упрочнением (нормализованные стали 14Г2САФ, 16Г2САФ, 17Г2АФ, 14Г2АФ-У) имели ав= 550 - 590 Н/мм2, что соответствовало категориям прочности Х56 - Х60 по стандарту API (American Petroleum Institute) [12].

Указанные стали по комплексу свойств (прочность, ударная вязкость, пластичность) существенно превосходили Si-Mn стали. Высокие вязкие свойства таких сталей достигались в результате снижения содержания серы (до 0,008% в стали 14Г2АФ-У). Однако нормализованные стали не соответствовали предъявляемым требованиям по предотвращению возможности лавинных разрушений вследствие невысоких характеристик сопротивления хрупкому разрушению.

Параллельно с целью повышения сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости металла для труб с сгв = 510 — 540 Н/мм2 была создана группа экономнолегированных сталей 13ГС, 13Г1С-У, подвергаемых термомеханической прокатке, которые характеризовались пониженным содержа- 8 -

нием углерода, повышенной чистотой по сере (до 0,007%) и микролегирующей добавкой титана [13].

Трубные стали четвертого поколения - малоперлитные с добавками карбонитридообразующих элементов, подвергаемые термомеханической (контролируемой) прокатке, с переделом прочности ств= 550 - 590 Н/мм2, например - 05Г1Б, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ. Температура эксплуатации труб из этих сталей -15 - -20°С. В связи уникальным влиянием ниобия на процесс структурообразования при горячей деформации (рекристаллизация, рост зерна, дисперсионное твердение) его используют для легирования практически всех сталей четвертого поколения.

Дальнейшее развитие сталей сосредотачивалось в направлении создания низколегированных сталей, например 03Г2БТР, 08Г2МФ, 08Г2ФБТ и др., с иными типами структур (игольчатого феррита, феррито-бейнитной) подвергаемых термомеханической прокатке с временным сопротивлением до 640 Н/мм2 [5].

1.2.1. Технология производства низколегированных трубных сталей

Современные трубные стали производятся посредством их термомеханической прокатки. Термомеханическая прокатка (контролируемая прокатка) определяется как процесс, позволяющий получить свойства материала, недостижимые при проведении только термической обработки.

Наиболее эффективным способом улучшения, как прочности, так и вязкости конструкционных сталей является измельчение зерна [11]. Процесс термомеханической прокатки направлен на достижение этой цели путем объединения пластической деформации и управления процессами формирования микроструктуры - ускоренным охлаждением и наличием мелкодисперсных включений карбонитридов преимущественно ванадия и ниобия.

Основные этапы процесса: нагрев заготовки, черновая (предварительная) прокатка, чистовая (окончательная) прокатка, последеформацион-ное охлаждение.

Для облегчения процесса горячей деформации традиционно применяли довольно высокие температуры под прокатку. Однако процесс термомеханической прокатки в отличие от обычной горячей прокатки начинается с контроля величины зерна при нагреве перед деформацией. Чем меньше аус-тенитное зерно перед деформацией, тем ниже температура прокатки и выше степень деформации при каждом пропуске, тем мельче будет рекристалли-зованное зерно.

1.2.2. Механизм дисперсионного упрочнения трубных сталей

Основными упрочняющими дисперсными фазами в сталях являются карбиды, нитриды и комплексные соединения на их основе. Карбиды и нитриды переходных металлов относятся к фазам внедрения и в большинстве случаев образуют кристаллическую решетку типа ЫаС1, в которой атомы С и N заполняют октаэдрические междоузлия. Элементы IV и V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, к числу которых относятся ниобий, ванадий и титан, являются сильными карбидо- и нитридообразующими элементами. Кинетика выделения карбонитридных фаз из твердого раствора определяется условиями образования зародышей, диффузионной подвижностью элементов, степенью переохлаждения и уровнем внутренних напряжений [11].

Дисперсионное упрочнение является результатом торможения дислокаций выделениями. Упрочнение стали определяется механизмами взаимодействия дислокаций с частицами: торможение упругими полями напряжений, перерезание или огибание частиц. Реализация механизмов упрочнения зависит от природы и морфологии фаз.

Эффект дисперсионного упрочнения в первую очередь определяется объемной долей и размером частиц (рис. 1.1). Очень эффективны для дисперсионного твердения частицы размером примерно от 1 до 2 нм. Такие дисперсные выделения когерентны с матрицей, они обычно формируются в процессе или после у-а-превращения в феррите.

Содержание ниобия. %

Рис. 1.1. Эффект дисперсионного твердения частицами фазы МэС в зав