автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние способа формовки нефтегазопроводных труб большого диаметра класса прочности К60 на процессы деформационного старения и сопротивление разрушению

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ФОРМОВКИ НЕФТЕГАЗОПРОВОДЫ!)!* ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА КЛАССА ПРОЧНОСТИ К60 НА ПРОЦЕССЫ ДЕФОРМАЦИОННОГО СТАРЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ

05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ГЕИ 2015

Москва 2015

005562669

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» (ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»)

Научный руководитель: доктор технических наук

ШАБАЛОВ Иван Павлович Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

ведущий научный сотрудник лаборатории конструкционных сталей и сплавов им. академика Н.Т. Гудцова (№7) Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН КОСТИНА Мария Владимировна кандидат технических наук, главный специалист по исследованиям ИТЦ ОАО «ВМЗ» ИЛЬИНСКИЙ Вячеслав Игоревич

Ведущее предприятие: ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Защита состоится 28 октября 2015 г. в 11 ч. на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» по адресу: Москва, 105005, ул. Радио, 23/9, стр. 2.

Отзывы на автореферат с указанием даты составления, в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: Москва, 105005, ул. Радио, 23/9, стр. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и на сайте http://chermet.net

Автореферат разослан 14 сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.035.01,

доктор технических наук Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Актуальность представленной работы, посвященной установлению закономерности влияния трубного передела на структурное состояние и комплекс механических свойств сталей для труб большого диаметра, изготавливаемых различными способами формовки, состоит в том, что результаты позволяют прогнозировать эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов в ходе длительной эксплуатации.

Газовая промышленность, являясь одной из основных бюджетообразующих отраслей РФ, представляет собой огромную динамично развивающуюся структуру. Постоянно развиваются направления транспортировки и распределения газа. В настоящий момент транспортировка газа от месторождений до конечного потребителя включает в себя около 200 тыс. км магистральных газопроводов. При этом срок эксплуатации многих магистральных трубопроводов превысил проектные 30 лет. В связи с этим проведено множество исследовательских работ по оценке их технического состояния, в результате которых определено, что в ходе длительной эксплуатации происходит деградация свойств металла труб, связанная с деформационным и естественным старением. Все исследованные прямошовные трубы, как импортного, так и отечественного производства, изготавливались по иО-образной схеме формовки.

В связи с постоянным ростом требований по свойствам и сортаменту трубные заводы за последнее десятилетие ввели в эксплуатацию четыре трубоэлектросварочных агрегата для производства труб большого диаметра со станами пошаговой и вальцевой формовки. Существующий опыт поставок труб с новых линий не позволяет делать выводы о влиянии типа формовки на потребительские свойства материала труб после длительной эксплуатации. В то же время известно, что эксплуатационная надежность труб магистральных трубопроводов зависит от однородности свойств металла по сечению трубы, которая в свою очередь определяется технологической схемой формовки, равномерностью приложения усилий при изгибе листа и др. Неоднородность свойств металла является одним из основных факторов, определяющих конструкционную прочность трубы, поскольку от нее зависит вероятность возникновения локальных напряжений и образования дефектов типа микротрещин в ходе длительной эксплуатации. В связи с этим важным является проведение системного сравнительного исследования влияния различных схем формовки на однородность структурного состояния и

свойств по сечению трубы. Кроме того, поскольку одним из основных процессов, приводящих к деградации свойств металла, является деформационное старение, то по склонности к деформационному старению возможно прогнозировать изменение свойств металла труб, изготовленных по новым схемам формовки. Данная работа отвечает на вопрос о влиянии типа формовки на потребительские свойства металла труб после длительной эксплуатации.

Целью диссертационной работы является определение закономерностей влияния трубного передела на изменение комплекса механических характеристик труб большого диаметра при их изготовлении на станах с различными схемами формовки с учетом изменения склонности металла к деформационному старению.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Определить «экстремальные» сечения трубной заготовки, на которые оказывается наименьшее и наибольшее воздействие рабочего инструмента в процессе изготовления труб.

2. Исследовать комплекс механических свойств и характеристик сопротивления разрушению металла листового проката, трубной заготовки и готовой трубы в различных сечениях для формовки каждого типа как в исходном, так и состаренном состояниях.

3. Выявить закономерности изменения механических свойств и тре-щиностойкости в результате трубного передела.

4. Выявить сечения труб с максимальным изменением механических свойств и трещиностойкости металла в зависимости от схемы формовки.

5. Оценить влияние трубного предела на склонность к деформационному старению, уровень остаточных микронапряжений и температурную зависимость внутреннего трения.

Научная новизна

1. Аналитически определены наиболее напряженно-деформированные сечения трубной заготовки и готовой трубы для формовки различных типов (пошаговая, иО-образная и вальцевая). Экспериментально подтверждено наиболее негативное влияние трубного передела на физико-механические свойства и структурное состояние в сечении «кромка» для иО-образной и пошаговой формовок. Установлена максимальная

однородность проанализированных параметров по окружности готовой трубы для вальцевой формовки.

2. Обнаружен эффект повышения в два-три раза склонности к деформационному старению трубной стали в результате малых деформаций при трубном переделе, что является следствием повышения концентрации свободных атомов внедрения, плотности подвижных дислокаций и локальных микронапряжений.

3. Показано, что в результате трубного передела и старения снижаются трещиностойкость (на 5-35% в зависимости от способа формовки) и хладостойкость (на 5-15°) металла труб до уровня минимально допустимых величин в результате закрепления дислокаций атмосферами атомов внедрения независимо от первоначального уровня ударной вязкости.

4. Установлен эффект наследования структурного состояния и свойств металла в ходе трубного передела в ранее определенных сечениях, заключающийся в том, что изменение свойств металла листового проката происходит до экспандирования и не существенно корректируется после экспандирования.

5. Выявлена ранее неизвестная обратная зависимость работы зарождения и работы распространения трещины при статических и динамических испытаниях трубных сталей от предела общей текучести, увеличение которых при уменьшении последнего отражает большую степень развития пластической деформации перед надрезом или трещиной.

Практические рекомендации

1. С целью снижения напряжений в прикромочной зоне и повышения однородности свойств по окружности готовой трубы рекомендуется усовершенствовать конструкцию оснастки кромкогибочных прессов и режимы формовки прикромочной зоны.

2. Выявленная неоднородность свойств по окружности готовой трубы вследствие трубного передела свидетельствует о необходимости повысить требования к механическим характеристикам (предел текучести, относительное и равномерное удлинение, ударная вязкость) металла листового проката для снижения риска выхода результатов сдаточных испытаний металла готовых труб за нормативные допуски.

3. Поскольку изменение свойств металла листового проката в процессе трубного передела происходит на стадии формообразования профиля трубы и не существенно корректируется в процессе экспандирования, то при разработке технологических режимов экспандирования для

получения заданных геометрических параметров готовой трубы можно не учитывать влияние величины деформации при экспандировании на уровень нормируемых механических характеристик.

4. Рекомендуется введение дополнительных сдаточных испытаний на склонность к деформационному старению металла готовых труб: испытания на ударную вязкость металла труб, предназначенных для эксплуатации в районах Крайнего Севера; испытания на растяжение по использованной в исследовании методике - для эксплуатации в сейсмоактивных зонах или зонах вечной мерзлоты.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Выявленные наиболее напряженно-деформированные сечения по окружности трубы. Наибольшая однородность свойств по окружности трубы, изготовленной вальцевой формовкой.

2. Эффект повышения склонности к деформационному старению трубной стали в результате трубного передела.

3. Снижение параметров трещиностойкости и хладостойкости металла труб в ходе трубного передела и старения.

4. Эффект наследования особенностей структурного состояния и свойств металла по окружности трубы в ходе трубного передела.

5. Зависимость составляющих работы разрушения при статических и динамических испытаниях трубных сталей от предела общей текучести.

Достоверность результатов исследования

Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается применением современного оборудования, прошедшего сертификацию в установленном порядке, а также использованием апробированных методик исследований и испытаний.

Личный вклад автора. Основные положения результатов диссертационной работы основываются на исследованиях, выполненных лично или с непосредственном участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад состоит в постановке целей и задач исследования, непосредственном участии в получении экспериментальных данных, анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:

III конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (14-15 декабря 2011 года, Москва);

XXI Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (06-10 февраля 2012 года, Магнитогорск);

III международная конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (14—15 июня 2012 года, Москва);

Седьмая Международная Конференция ФППК-2012 «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (29 октября - 02 ноября 2012 года, Черноголовка);

53 Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности» (02-05 октября 2012 года, Витебск, Белоруссия);

IV конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (17-18 декабря 2012 года, Москва);

IX конгресс прокатчиков (16-18 апреля 2013 года, Череповец);

XXII Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (02-06 февраля 2014, Оренбург);

Международный научно-технический конгресс ОМД 2014 «Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии» (1417 апреля 2014 года, Москва).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано шесть статей в рецензируемых изданиях, включенных в перечень журналов, рекомендованных ВАК, и восемь работ в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы из 96 наименований. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основе анализа отечественных и зарубежных источников изучено состояние вопроса, проведен краткий анализ и обобщены результаты исследований влияния длительной эксплуатации магистральных труб большого диаметра на комплекс их механических характеристик. Показано, что на момент начала работы фактически не имелось данных о влиянии типа формовки прямошовных труб большого диаметра на комплекс механических характеристик в ходе их длительной эксплуатации.

Проведен анализ особенностей различных типов формовки прямо-шовных труб большого диаметра и для формовки каждого типа определено по три наиболее характерных сечения по окружности труб (иО-об-разная - «кромка», «2 часа», «дно»; пошаговая - «кромка», «пуансон», «перекрытие»; вальцевая - «кромка», «90°», «дно») для дальнейшего исследования (рисунок 1).

Как видно из таблицы 1, исследованные стали имеют близкий по элементам и атомам внедрения химический состав, типичный для сталей класса прочности К60.

в

Рис. 1. Схема вырезки темплетов из трубной заготовки (только для пошаговой

формовки) и готовых труб: а - иО-образная формовка, б - пошаговая формовка, в - вальцевая формовка

Тип формовки Содержание элементов, мае. %

С Si Мп Р S Cr Ni Mo Си AI T1 V Nb N

UO-образ-ная 0,11 0,34 1,57 0,013 0,002 0,04 0,022 <0,005 0,013 0,034 0,013 0,083 0,034 0,005

Пошаговая 0,07 0,30 1,66 0,009 0,003 0,032 0,180 <0,005 0,21 0,045 0,020 0,055 0,050 0,004

Вальцевая 0,10 0,25 1,69 0,010 0,002 0,026 0,030 <0,005 0,059 0,029 0,016 0,055 0,048 0,005

Во второй главе описаны материалы и методики исследований. Исследование проводилось на сталях класса прочности КбО, сортамент труб и характеристики листового проката приведены в таблице 2.

Проводилось исследование изменения свойств металла труб после трубного передела в сравнении со свойствами металла листового проката, из которого изготавливались трубы, а также сравнение результатов в различных сечениях по окружности трубы.

Для этого образцы отбирались от листового проката (далее лист) и трубы сформованной, сваренной и экспандированной из того же листового проката (далее готовая труба). Для пошаговой формовки дополнительно отбирались образцы из трубы до экспандирования (далее трубная заготовка).

Таблица 2. Материалы исследования

Тип формовки UO-образная Пошаговая Вальцевая

Предмет исследования, металл Листовой прокат, готовая труба Листовой прокат, трубная заготовка, готовая труба Листовой прокат, готовая труба

Диаметр х толщина стенки, мм 720x18,0 1420x21,6 1220x14,0

Класс прочности К60 К60 К60

Временное сопротивление, МПа 647 670 652

Предел текучести, МПа 546 550 569

Относительное удлинение, % 28,7 26,3 26,6

Ударная вязкость КСи-40, Дж/см2 340 243 273

Примечание. Нормативные допуски для труб класса прочности К60: временное сопротивление не менее 590 МПа, предел текучести не менее 480 МПа, относительное удлинение не менее 20 %, ударная вязкость не менее 49 Дж/см2.

Размеры образцов выбирались таким образом, чтобы их можно было вырезать из не выпрямленных темплетов от трубной заготовки и готовой трубы. Это позволило устранить влияние деформации при выпрямлении трубного темплета и исследовать комплекс свойств металла готовой трубы в том состоянии, в котором предполагается ее эксплуатация. Образцы от участка «кромка» отбирались на расстоянии, достаточном для исключения зоны термического влияния при сварке.

Образцы вырезались из средней трети по толщине стенки трубы в поперечном направлении. Из листового проката образцы отбирались также в поперечном направлении из средней трети по толщине проката (рис. 2).

Количественный спектральный анализ образцов металла листа трех схем формовки проводили методом эмиссионного спектрального анализа в соответствии с ГОСТ 18895 «Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа» на приборе ОВЬБ.

Металлографические исследования проводили методом оптической микроскопии на световом микроскопе №соп МА200 при увеличении до хЮОО. Травление микрошлифов осуществляли 3%-ным раствором азотной кислоты. Размер зерна оценивали в соответствии с ГОСТ 5639.

Исследованные стали отличались различной микроструктурой: одна сталь - ферритно-бейнитная (ФБ) и две стали с ферритно-перлитной (ФП) микроструктурой, различающиеся величиной зерна (табл. 3).

Для исследования склонности к деформационному старению проводили испытание на растяжение по ГОСТ 1497-84 при температуре

Таблица 3. Микроструктура исследуемых сталей

Тип формовки иО-образная Пошаговая Вальцевая

Микроструктура ФП (ПФ - 80-85%, П - 15-20%) ФБ (ПФ - 30%, Б -70%) ФП (ПФ - 85-90%, П - 10-15%)

Величина зерна, мкм 17 5 12

Балл зерна по ГОСТ 5639 8-9 12 10

Полосчатость, балл 3 - 2-3

Рис. 2. Схема вырезки образцов из темплетов

20 °С на универсальной испытательной машине ИНСТРОН на цилиндрических образцах пятикратной длины (тип III, образец № 5 по ГОСТ 1497-84). Испытания проводили на образцах диаметром 5 мм с рабочей длиной 25 мм. Образцы деформировали на 2%, в состоянии покоя подвергали старению при 200 °С в течение 1 часа и повторно испытывали на растяжение до разрушения. Склонность стали к деформационному старению определяли по величине Да:

Ла5=°0,2сТ-СТ2

где а02ст - предел текучести образца после старения, ст2 - напряжение, соответствующее деформации на 2%.

Испытания на ударный изгиб проведены на копре МК-30 по ГОСТ 9454-78 на образцах с концентраторами напряжений типа 1, 11 и 19. Температуры испытаний: 20, -40, -80, -196 °С. Определяли долю вязкой составляющей в изломе ударных образцов (ГОСТ 4543), на основе чего определяли критическую температуру перехода в хрупкое состояние.

Испытания на статический изгиб проведены на образцах с острым надрезом (тип 11 по ГОСТ 9454-78). Определяли разрушающее напряжение стр, напряжение общей текучести <гот и составляющие работы разрушения А^ - работу зарождения Аз и работу распространения Ар трещины.

Для оценки остаточных напряжений II рода на рентгеновском диф-рактометре ДРОН-3 определяли микроискажения кристаллической решетки (Аа/а).

Для определения локальных микронапряжений измеряли площади отсеченных периферийных участков 5, и 52 и общую площадь дифракто-граммы 5Г Затем определяли величину локальной концентрации остаточных микронапряжений бдок, % по формуле:

б ="(£ + $ х 100%.

лок х 1 2' 2.

Определение температурной зависимости внутреннего трения проводили по схеме обратного крутильного маятника при частоте колебаний 1,0 Гц в интервале температур 20 - 320 °С. Образец имел квадратное сечение 1x1 мм и длину рабочей части 70 мм. Измерение внутреннего трения проведены в амплитудонезависимой области (с амплитудой 2,2-10~6).

В третьей главе приведены результаты исследования и их обсуждение.

Механические характеристики

Испытания на растяжение показали минимальные изменения свойств вследствие трубного передела (рис. 3, 4). Наблюдается неоднородность по окружности трубы, в наибольшей мере проявляющаяся для иО-образной формовки.

800

700 652

600

500 569

400

300

200

100 ■

0 ■

е.. ог 800

700 600 500 -400 300 -200 100 0

Готовая труба

Готовая труба

Рис. 3. Изменение временного сопротивления и предела текучести в результате трубного передела: а - иО-образная формовка (I - «кромка»; II - «дно»; III - «2 часа»); б - вальцевая формовка (I — «кромка»; II - «дно»; III - «90°»)

800-,-

700 600 500 400 300 200 100 0

«Л1 11 111

661 645 639

Трубная заготовка

труба

Во всех случаях в готовой трубе максимальные значения зафиксированы преимущественно в сечениях «кромка». Это позволяет предположить, что в этом сечении упрочение максимально вследствие наклепа при формообразовании.

Необходимо отметить, что в листе и трубной заготовке наблюдается физический предел текучести, который отсутствует в готовой трубе (рис. 5, а). На примере пошаговой формовки показано, что формовка тела трубы незначительно меняет длину площадки текучести для сечений «пуансон» и «перекрытие», в то время как для сечения «кромка» площадка текучести снижается почти вдвое, что отчётливо видно на диаграммах растяжения (рис. 5, б).

После трубного передела проявляется разброс значений относительного и равномерного удлинения по окружности трубы приблизительно одинаковый для формовки всех видов, величина которого не превышает 7%. Наименьшие значения этих показателей зафиксированы в сечении «кромка» для пошаговой и вальцевой формовок (рис. 6).

Рис. 4. Изменение временного сопротивления и предела текучести в результате трубного передела при пошаговой формовке (I - «кромка»; II — «пуансон»;

III - «перекрытие»)

Готовая труба

Рис. 5. Изменение величины площадки текучести в результате трубного передела при пошаговой формовке (I - «кромка»; II - «пуансон»; III - «перекрытие»)

Рис. 6. Изменение величины относительного и равномерного удлинения в результате трубного передела: а - пошаговая формовка (I - «кромка»; II - «пуансон»; III - «перекрытие»); б - вальцевая формовка (I - «кромка»; II - «дно»; III - «90°»)

Ударная вязкость

Испытания на ударный изгиб на образцах с круглым надрезом показали, что для пошаговой формовки разброс значений по окружности трубной заготовки и готовой трубы незначительный (рис. 7). Уровень значений от листа к трубной заготовке и готовой трубе не меняется.

При переходе от круглого к острому надрезу наблюдается незначительный сдвиг кривых.

Для иО-образной и вальцевой формовки наблюдается более существенный разброс значений ударной вязкости по окружности готовой трубы, чем при пошаговой формовке (рис. 8, 9). При этом

-200 -160 -120 -80

Рис. 7. Изменение величины ударной вязкости на образцах с круглым и острым надрезом в результате трубного передела при пошаговой формовке

350 300 ]! 250

3. 200 <

150 § 100

200 -160 -120 -80 -40 0

-Лист

-Кромка

-Дно

-2 часа

350

300

и 250

< 200

Р 150

й 100

50

0

-Лист

-Кромка

-Дно

-ЭЪ'^Г

-200 -160 -120 -80 -40 0 "С

-200 -160 -120 -80 -40 0 "С

Рис. 8. Изменение величины ударной вязкости на образцах с круглым и острым надрезом в результате трубного передела при иО-образной формовке

-200 -160 -120 -80

Рис. 9. Изменение величины ударной вязкости на образцах с круглым и острым надрезом в результате трубного передела при вальцевой формовке

средний уровень значений остается на уровне листа. Для иО-образной формовки максимальные значения наблюдаются для сечения «кромка».

Фрактографические исследования показали, что трубный передел не оказывает существенного влияния на характер разрушения металла.

На примере пошаговой формовки видно, что при температуре испытаний -80 °С характер разрушения на образцах с острым надрезом не изменяется: вязкий под надрезом и смешанный в области расщеплений (рис. 10). Снижение ударной вязкости объясняется уменьшением протяженности вязкой области под надрезом по месту зарождения трещины.

Рис. 10. Изменение микростроения излома при испытаниях на ударный изгиб при температуре минус 80°С в результате трубного передела при пошаговой формовке: а - лист, под надрезом; б - готовая труба, под надрезом; в - готовая труба, центр излома

90 80 70 60

tí 30 20 10 0.

Рис. 11. Изменение величины работы распространения трещины при динамических испытаниях в результате трубного передела при иО-образной (я) и пошаговой (5) формовках

Испытания на образцах с предварительно (в исходном состоянии) созданной трещиной позволили выделить работу распространения трещины. Трубный передел несущественно влияет на этот показатель, наблюдается значительный разброс по окружности трубы, максимальный разброс зафиксирован для иО-образной формовки (рис. 11).

Испытания на статический изгиб

Трубный передел незначительно изменяет величины разрушающего напряжения и предела общей текучести. Ощутимых различий между уровнем значений в различных сечениях по окружности трубы не наблюдается.

100 L 90

й— ■ А а

■ ---^^ ------¿

■ JCOE а иОЕ

а Вальцы -Линия тренда

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 а. Н/мм1

Ар1 Дж/смг 220--200 180 160140 120 100 80-

■ 1СОЕ а иОЕ * * Вальцы-Линия тренда

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 aDT, H/mmj

Аг, Дж/см1 (KCl)

150т-

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1000 1050 1100 1150 cr^, H/мм1 с,

• UOE, (=-40 'С ■ JCOE, (=-80 'С

• JCOE, f=-40 'С а Вальцы, (=-80 'С .Вальцы, (=-40 'С-Линия тренда

1300 1350 1400

1200 1250 о^ Н/мм1 ■ )СОЕ, (=-80'С ■ )СОЕ, (=-40'С • иОЕ, (=-80 'С • иОЕ, (=-40 'С а Вальцы, (=-80 'С * Вальцы, (=-40 'С — Линия тренда

Рис. 12. Зависимость работы зарождения (я, 6) и работы распространения (в, г) трещины от предела общей текучести: а, в -при статических испытаниях: б, г -при динамических испытаниях

Анализ изменения работы зарождения и распространения трещины и предела общей текучести показал линейную связь между этими параметрами (рис. 12): при повышении предела общей текучести наблюдается снижение работы зарождения и работы распространения трещины, что по всей видимости является следствием затруднения протекания процесса релаксации напряжений перед надрезом и трещиной.

Различия в значениях энергии разрушения при статических и динамических испытаниях, очевидно, связаны с тем, что при статических испытаниях распространение трещины происходит по деформированному металлу, тогда как при динамических - по исходному.

Склонность к деформационному старению

Трубный передел увеличивает склонность к деформационному старению в два-три раза (рис. 13). Зафиксирована существенная неоднородность значений по окружности трубы для пошаговой формовки.

До„ МПа До,, МПа Да,, МПа

Лист Готовая труба Лист Трубная заготовка Готовая труба Лист Готовая труба

а б в

Рис. 13. Изменение склонности к деформационному старению в результате трубного передела: а - 1Ю-образная формовка (I - «кромка»; II - «дно»; III - «2 часа»), б - пошаговая формовка (/ - «кромка»; II - «пуансон»; III - «перекрытие»); в - вальцевая формовка (I - «кромка»; II - «дно»; III - «90°»)

Деформационное старение снижает относительное удлинение в среднем на 13% (рис. 14, а). Снижение равномерного удлинения более заметное: так, для пошаговой формовки (микроструктура ФБ) снижение в среднем составляет 25%, для иО-образной и вальцевой формовок (микроструктура ФП) снижение менее существенное - в среднем 20%.

Деформационное старение практически не сказывается на временном сопротивлении в отличие от предела текучести. Так, для ферритно-пер-литной микроструктуры это приводит к повышению отношения предела текучести к временному сопротивлению до уровня 0,90 (рис. 14, б). Для вальцевой формовки (микроструктура ФП с бейнитной составляющей) данное соотношение повышается до 0,92, для пошаговой формовки (микроструктура ФБ) оно достигает 0,99.

28 1 24 29 в ■ 25 ЩЛ 25

1 ■

Рис. 14. Изменение величины относительного и равномерного удлинения (я) и отношения предела текучести к временному сопротивлению (6) в результате трубного передела

Влияние старения на параметры трещиностойкости Испытания на состаренных образцах с предварительно созданной трещиной показали, что для формовки всех типов наблюдается снижение трещиностойкости. При пошаговой формовке (микроструктура ФБ), уровень ударной вязкости снижается на 20-30%, для остальных формовок на 15-20 % (рис. 15).

-КСТ (сост.) - КСТ (иск.)

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 •С

В

Рис. 15. Изменение величины работы распространения трещины при динамических испытаниях в результате старения: я - иО-образная формовка, б - пошаговая формовка, в - вальцевая формовка

Разница в уровне деградации свойств металла труб после старения вероятнее всего связано больше с типом микроструктуры, чем с типом формовки.

Как показано на диаграммах переходных кривых, большая часть поглощенной энергии при испытаниях образцов с круглым и острым надрезам приходится на работу зарождения трещины (рис. 16, серым цветом

Дж/см2

350 -KCU-KCV-КСТ (исх.)-КСТ (сост.)

KCU-KCV-КСТ (исх.)-КСТ (сост.)

Дж/см2 350 300 250 200 150 100 50

о

-KCU-KCV-КСТ (исх.)-КСТ (сост.)

Аз

W i

-200 -160 -120 -80 б

-40 0 °С

Дж/см2

350

-KCU —KCV -КСТ (исх.)-КСТ (сост.)

/ Аз

------ ^ -

300 250 200 150 100 -50 ■ О

-200 -160 -120 -80 -40 О °С S

Рис. 16. Переходные кривые ударной вязкости (средние значения по KCU, KCV, КСТ) для UO-образной (а), пошаговой (6) и вальцевой (в) формовок

KCU -KCV -КСТ (исх.) — КСТ (сост.)

Рис. 17. Переходные кривые доли вязкой составляющей (средние значения по КСУЗ, КСУ, КСТ) для иО-образной (я), пошаговой (6) и вальцевой (в) формовок

показано поле минимальных значений КСУ для сталей класса прочности К60). После же старения значения для всех случаев выравниваются и достигают 30-60 Дж/см2. После старения снижается доля вязкой составляющей в изломе в среднем на 5-15% и повышается температура вязкохрупкого перехода (рис. 17). Учитывая возможные стресс-коррозионные процессы, протекающие в трубопроводах в ходе длительной эксплуатации, вероятно результаты испытаний на образцах с предварительно созданной трещиной наиболее точно отражают реальные условия работы металла трубопроводов.

Можно предположить, что при длительной эксплуатации труб ни одна из исследованных микроструктур не имеет существенных преимуществ, невзирая на довольно высокий уровень ударной вязкости в состоянии поставки.

Остаточные микронапряжения II рода и локальные микронапряжения

Трубный передел повышает уровень остаточных микронапряжений на 40-48%. В наибольшей степени это отмечено для труб 1Ю-образной и вальцевой формовок (рис. 18). Исследование металла трубной заготовки до экспандирования показало, что при пошаговой формовке уровень остаточных микронапряжений в среднем повышается на 29 % по сравнению с листовым прокатом и еще на 11% после экспандирования (рис. 19, а).

В результате оценки локальных микронапряжений установлен их рост в среднем на 15%. Необходимо отметить, что для труб пошаговой формовки значения локальных микронапряжений для сечения «кромка» заметно выделяются (рис. 19, б). Повышенный уровень локальных микронапряжений в этой области может способствовать образованию и развитию микротрещин в ходе длительной эксплуатации труб.

3,50

3,00

- 2,50 Ь

3 2,00 го

"а 1,50

«э

1,00 0,50 0,00

Рис. 18. Изменение величины остаточных микронапряжений II рода в результате трубного передела: а -1ГО-образная формовка, б - вальцевая формовка

Да/а хЮ -

Лист (51+Б2)/51, %

Пуансон|Перекр. |Кромка Трубная заготовка

Пуансон| Перекр. | Кромка Готовая труба

14,0

11,2

12,3

Лист

Пуансон| Перекр. | Кромка Трубная заготовка

Пуансон| Перекр. [ Кромка Готовая труба

Рис. 19. Изменение величины остаточных микронапряжений II рода (я) и локальных микронапряжений (б) в результате трубного передела при пошаговой формовке

Температурная зависимость внутреннего трения Для исследованных сталей в исходном и состаренном состоянии были получены температурные зависимости внутреннего трения из которых видно, что трубный передел увеличивает высоту пика Снука, при этом преимущественно максимальный рост пика наблюдается для сечения «кромка» (табл. 4). Это свидетельствует об увеличении количества свободных атомов внедрения вследствие пластической деформации в процессе формообразования. Также возрастает пик Кестера в связи с увеличением подвижности дислокаций и ростом локальных миронапряжений.

После старения пик Снука преимущественно исчезает, а пик Кестера существенно снижается вследствие закрепления подвижных дислокаций атмосферами атомов внедрения.

Таблица 4. Температурная зависимость внутреннего трения

(о

Тип формовки Место отбора образцов Исходное состояние Состаренное состояние

Пик Снука Пик Кестера Пик Снука Пик Кестера

Т,° С Т,° С СИЮ-4 Т,°С д-110-4 Т,° С (¿-ЧО-4

ио- образная Лист 60 2,2 225 4,7 - - 225 2,4

Готовая труба Кромка 85 6,5 255 6,6 - - 240 3

Дно 108 5,8 275 11,8 - - 240 5,6

Пошаговая Лист 52 2,7 220 4,5 - - 210 4

Трубная заготовка Пуансон 100 4,5 255 5,2 - - 220 3

Кромка 90 4,8 255 4,5 - - 215 2,6

Готовая труба Пуансон 108 4,6 245 7,2 110 2,2 210 4,4

Перекрытие 130 3,1 247 6,1 - - 245 3,6

Кромка 60 6,4 255 6,6 - - 210 2,9

Вальцевая Лист 50 2,4 210 5,2 - - 200 3

Готовая труба Кромка 100 4,2 283 6,0 70 2,4 240 3,6

90" 62 4,2 223 4,0 - - 220 3,4

Дно 95 3,2 270 11,6 - - 235 6

Явление деформационного старения железа и его сплавов является следствием взаимодействия атомов внедрения (углерода и азота) с дислокациями. Возникновение свежих дислокаций в результате деформации и последующий нагрев приводят к закреплению их вследствие образования на дислокациях атмосфер атомов внедрения, которые затрудняют их перемещение, повышая предел текучести. Известно, что для полной блокировки дислокаций в отожженном железе достаточно 10~3 % углерода. В исследованной стали содержание углерода превышает предел растворимости, и часть его связана в карбидах. Можно полагать, что полное закрепление дислокаций в исследованной стали происходит при концентрации атомов углерода и азота меньшей, чем минимальное их содержание в металле.

Увеличение прироста предела текучести Дст, в результате трубного передела, по-видимому, является следствием отрыва дислокаций от точек закрепления и увеличения концентрации свободных атомов внедрения. Деформация и последующий нагрев приводят к уменьшению числа свободных атомов внедрения. Это подтверждают результаты измерения температурной зависимости внутреннего трения.

Так, в металле готовой трубы на температурной зависимости внутреннего трения пик Снука, высота которого пропорциональна концентрации свободных атомов внедрения, существенно меньше, чем в металле листа. Старение приводит к уменьшению высоты или исчезновению этого пика, что отражает понижение концентрации свободных атомов внедрения в результате перехода их на дислокации.

Об увеличении плотности подвижных дислокаций в результате трубного передела свидетельствует величина другого пика внутреннего трения на ТЗВТ - пика Кестера, высота которого связана с подвижностью дислокаций. Имеются также основания полагать, что величина этого максимума на ТЗВТ отражает уровень остаточных микронапряжений в структуре стали.

В пользу последнего свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа. Формовка трубной заготовки повышает уровень микроискажений кристаллической решетки в среднем на 40-48%. Увеличение микроискажений кристаллической решетки в результате трубного передела является следствием накопленной пластической деформации, однако существенного различия в величине искажений по сечению готовой трубы не обнаружено.

Известно, что в ходе длительной эксплуатации в металле труб развивается процесс деформационного старения, приводящий к снижению сопротивления разрушению. При этом наблюдается снижение прироста предела текучести Да, поскольку уменьшается концентрация свободных атомов внедрения. В связи с этим величина До в определенной степени служит показателем интенсивности протекания процесса деформационного старения в металле труб при эксплуатации, как начальной стадии деградации свойств.

Можно полагать, что высокая склонность к деформационному старению металла готовой трубы означает не что иное, как повышенную вероятность развития этого процесса в ходе последующей эксплуатации. Разумеется, при этом необходимо учитывать условия эксплуатации трубопровода - рабочее давление, его перепады, температуру, внешние нагрузки и др.

В заключение отметим, что полученные результаты подтверждают ранее высказанное предположение, что стандартные механические свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость) не в полной мере отражают эксплуатационную надежность металла труб. Зарождение и распространение трещины, особенно хрупкой - процесс локальный, зависящий от свойств в локальных объемах металла, таких как сопротивление зарождению и распространению трещины, предел общей текучести в вершине надреза, склонность к деформационному старению и др. Измерение этих характеристик может быть полезным для прогнозирования влияния технологических факторов производства труб на их надежность в ходе длительной эксплуатации.

Проведенное исследование позволило определить механизм влияния формовки труб на склонность к деформационному старению. Склонность к деформационному старению трубной стали повышается после формовки трубы, в связи с увеличением концентрации свободных атомов внедрения в результате отрыва дислокаций от точек закрепления, повышения плотности подвижных дислокаций и уровня внутренних микронапряжений, вследствие протекания малой пластической деформации при трубном переделе листовой заготовки и экспандировании трубы. Старение же приводит к закреплению подвижных дислокаций атмосферами атомов внедрения, повышению предела текучести и снижению сопротивления разрушению.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые проведено комплексное сравнительное исследование влияния способов формовки (пошаговая, ИО-образная и вальцевая) на комплекс механических свойств, сопротивление разрушению, склонность к деформационному старению и структурное состояние металла электросварных труб большого диаметра из стали класса прочности К60. На основе анализа технологических особенностей типов формовки по всем этапам формообразования (формовка кромки, формовка тела трубы, сварка технологического, внутреннего и наружного швов, экспандирова-ние) определены наиболее напряженные сечения трубной заготовки (пошаговая — «кромка», «пуансон», «перекрытие»; иО-образная — «кромка», «2 часа», «дно»; вальцевая — «кромка», «90°», «дно»). Показано, что стандартные механические свойства практически не зависят от способа формовки труб, тогда как специальные (трещиностойкость, сопротивление хрупкому разрушению, склонность к деформационному старению, уровень остаточных микронапряжений, параметров внутреннего трения) зависят от способа формовки и изменяются по окружности готовой трубы.

2. Установлено, что трубный передел повышает склонность к деформационному старению в 2-3 раза для всех типов формовки. При этом для пошаговой формовки выявлена значительная неоднородность значений прироста предела текучести по сечению трубы (13%) по сравнению с иО-образной формовкой и формовкой на вальцах (7,5 и 6,6% соответственно). Показано, что старение снижает работу распространения трещины в наибольшей степени (23-32%) для ферритно-бейнитной стали (пошаговая формовка), для ферритно-перлитной стали (иО-образная и вальцевая формовки) снижение меньше (5—15%). Старение повышает температуру вязкохрупкого перехода, сдвигая переходные кривые на 5-15° в область более высоких температур. Деформационное старение повышает отношение предела текучести к временному сопротивлению после пошаговой формовки с 0,80 до 0,99, для иО-образной и вальцевой формовок от 0,81-0,83 до 0,90-0,92, а также снижает относительное и равномерное удлинение, в наибольшей степени (на 25%) для пошаговой формовки, что, вероятно, является следствием не только различного способа формовки, но и различия микроструктуры исследованных сталей.

3. Установлена инвариантная к типу микроструктуры трубной стали зависимость величины работы зарождения и распространения (как при статических, так и динамических испытаниях) трещины от уровня предела

общей текучести, при понижении которого наблюдается повышение работы зарождения и распространения трещины, что является следствием облегчения протекания процесса релаксации напряжений и снижения уровня локальных растягивающих напряжений перед надрезом и трещиной.

4. Установлено, что трубный передел повышает остаточные микронапряжения на 40—48%, локальные микронапряжения на 11-19% в зависимости от вида формовки. Минимальное увеличение остаточных микронапряжений зафиксировано для пошаговой формовки. Рентгено-структурные исследования металла трубной заготовки до экспандирова-ния на примере пошаговой формовки позволило установить, что остаточные микронапряжения в большей мере возрастают при формовке трубной заготовки (75 % от общего уровня роста остаточных микронапряжений), чем после экспандирования (25 %).

5. На температурной зависимости внутреннего трения установлено повышение высоты 40°-го пика (Снука) и 200°-го пика (Кестера) внутреннего терния в результате трубного передела. В наибольшей степени рост высоты пика Снука для всех способов формовки отмечен в области «кромка», что подтверждает наибольшую степень деформации в этой зоне трубы. Нагрев при 200 °С приводит к исчезновению или снижению высоты пика Снука и уменьшению высоты пика Кестера, что является следствием уменьшения концентрации свободных атомов внедрения, плотности подвижных дислокаций и релаксации остаточных микронапряжений.

6. Предложен и экспериментально обоснован методами рентгено-структурного анализа и измерения температурной зависимости внутреннего трения механизм повышения склонности к деформационному старению трубной стали в результате формовки трубы, состоящий в увеличении концентрации свободных атомов внедрения в результате отрыва дислокаций от точек закрепления, плотности подвижных дислокаций и уровня внутренних микронапряжений, вследствие протекания малой пластической деформации (~ 3 %) при трубном переделе листовой заготовки и экспандировании трубы. Старение приводит к закреплению подвижных дислокаций атмосферами атомов внедрения и повышению предела текучести.

7. Экспериментально подтверждено наиболее негативное влияние трубного передела на физико-механические свойства в сечении «кромка» для иО-образной и пошаговой формовок, что обусловлено наиболее сложной схемой нагружения в этой области трубы на всех этапах фор-

мообразования. Зафиксирована максимальная однородность проанализированных параметров по окружности готовой трубы для вальцевой формовки.

8. На примере пошаговой формовки установлен эффект наследования особенностей структурного состояния и свойств металла труб в ранее определенных сечениях, заключающееся в том, что изменение свойств металла листового проката происходит на стадии формообразования профиля трубы и не существенно корректируется в процессе экспанди-рования.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Шабалов И.П., Самусев C.B., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А. Определение экстремальных сечений трубной заготовки различных технологических схем производства для проведения исследований потребительских свойств труб магистральных газопроводов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2012. № 2. С. 94-100.

2. Шабалов И.П., Самусев C.B., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А. Выявление экстремально нагруженных участков трубной заготовки при ее производстве в линиях с JCOE схемой формовки // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2012. № 3. С. 94-100.

3. Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Исследование механических свойств трубной заготовки на различных этапах JCOE-формовки // Деформация и разрушение материалов. 2014. № 3. С. 39-48.

4. Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Влияние формовки в вальцах на комплекс механических свойств металла электросварных труб большого диаметра // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 1. С. 60-69.

5. Ливанова О.В., Соловьев Д.М., Шабалов И.П., Филиппов Г.А. Механизмы разрушения сварных соединения магистральных нефтепроводов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 2. С. 66-72.

6. Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Влияние UO-образной формовки на комплекс механических свойств металла электросварных труб большого диаметра // Сталь. 2015. № 4. С. 56-61.

Сборники и материалы конференций, основные из которых:

7. Филиппов Г.А., Шабалов И.П., Соловьев Д.М. Влияние напряженно-деформированного и структурного состояния на трещиностойкость ме-

талла труб большого диаметра различных технологий производства: Матер. Междунар. конф. XXI Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, 2012). С. 145.

8. Соловьев Д.М., Шабалов И.П., Филиппов Г.А. Неоднородность пластической деформации при изготовлении электросварных труб и ее влияние на трещиностойкость трубной стали: Тез. VII Междунар. конф. «Фазовые превращения и прочность кристаллов» ФППК-2012 (Черноголовка, 2012). С. 48.

9. Ливанова О.В., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Шабалов И.П. Структурное состояние низколегированных сталей и склонность к замедленному разрушению в условиях насыщения водородом: Сб. матер. 53-й Междунар. науч. конф. «Актуальные проблемы прочности (Витебск, 2012). С. 60-62.

10. Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Шабалов И.П. Оценка влияния трубного передела на механические характеристики труб большого диаметра: Сб. тез. IV конф. молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий» (Москва, 2012). С. 42-43.

11. Шабалов И.П., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А. Влияние технологии формовки на комплекс механических свойств и сопротивление разрушению электросварных труб: Сб. докл. IX Конгресса прокатчиков (Череповец, 2013). С. 154-159.

12. Ливанова Н.О., Соловьев Д.М., Филиппов Г.А., Ливанова О.В. Моделирование деградационных процессов в металле труб при длительной эксплуатации, подвижность водорода и склонность к замедленному разрушению: Матер. XXII Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Оренбург, 2014). С. 53-55.

13. Соловьев Д.М., Шабалов И.П., Ливанова О.В., Филиппов Г.А. Влияние способа деформации при производстве электросварных труб на склонность к деформационному старению и трещиностойкости: Матер. XXII Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Оренбург, 2014). С. 55-57.

14. Шабалов И.П., Филиппов Г.А., Соловьев Д.М., Ливанова О.В. Влияние технологии формовки листовой заготовки на комплекс механических свойств электросварных труб: Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конгресса ОМД 2014 «Фундаментальные проблемы. Инновационные материалы и технологии» (Москва, 2014). С. 17-23.

Подписано в печать 21.08.2015. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 99 Отпечатано в ООО «Металлургиздат» 105005, Москва, ул. Радио, д. 9/23, стр. 2