Влияние технологии производства стали на однородность структуры и загрязненность неметаллическими включениями с целью повышения надежности магистральных трубопроводов

Морозова, Татьяна Васильевна

автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Влияние технологии производства стали на однородность структуры и загрязненность неметаллическими включениями с целью повышения надежности магистральных трубопроводов

кандидата технических наук: Морозова, Татьяна Васильевна
город: Москва
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.16.02

Диссертация по металлургии на тему «Влияние технологии производства стали на однородность структуры и загрязненность неметаллическими включениями с целью повышения надежности магистральных трубопроводов»

Автореферат диссертации по теме "Влияние технологии производства стали на однородность структуры и загрязненность неметаллическими включениями с целью повышения надежности магистральных трубопроводов"

На правах рукописи

005007218

МОРОЗОВА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ НА ОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ И ЗАГРЯЗНЕННОСТЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2ЯНВт

Москва-2012

005007218

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дуб Алексей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Куклев Александр Валентинович;

кандидат технических наук, доцент Еланский Дмитрий Геннадьевич

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН)

Защита состоится «26» января 2012 г. в 11.00 часов

на заседании диссертационного совета Д217.042.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, малый конференц-зал (главный корпус, 2 этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Автореферат разослан «26» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Е.В. Макарычева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время на стадии проектирования и строительства находится ряд крупных российских и транснациональных трубопроводов. Строительство и эксплуатация новых трубопроводов происходит в гораздо более жестких условиях, чем 10 и более лет назад: при повышенных давлениях до 22 МПа, низких температурах до минус 60°С, с морскими переходами, переходами через водные преграды, прокладка в горных районах и заболоченных территориях, через районы с сейсмической активностью до 9 балла включительно. При эксплуатации трубопроводы подвергаются циклическим нагрузкам, связанным с температурными колебаниями, вибрациями вблизи компрессорных станций и перепадами давления транспортируемой среды. Эксплуатация в чрезвычайно сложных условиях с возможными серьезными последствиями в случае возникновения аварийных ситуаций обусловливает отнесение таких трубопроводов к техногенно опасным системам. Поэтому к ним должны предъявляться очень высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.

При ужесточении условий прокладки и работы трубопроводов для достижения надежности эксплуатации не достаточно обеспечивать требуемый уровень прочностных (во многих случаях -это класс прочности К60 и выше), пластических свойств и ударной вязкости при заданных температурах монтажа и эксплуатации. Необходимо, чтобы металл труб также обладал высокой трещиностойкосгью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью. С увеличением толщины стенки трубы (до 40 мм и более) и рабочего давления изменяется характер напряженного состояния стенки трубы, становится значимой величиной составляющая напряжения в г-направлении, что при наличии анизотропии свойств в данном направлении может стать причиной разрушения трубопроводов.

С увеличением проектного срока эксплуатации трубопроводов до 50 лет при выборе материалов для изготовления труб в обязательном порядке необходимо учитывать склонность металла к деградации свойств в процессе эксплуатации. Жесткие требования к металлу могут быть удовлетворены путем строгой регламентации в технических условиях характеристик качества металла, предельно допустимые значения которых должны устанавливаться на основе их корреляционной связи с механическими и эксплуатационными свойствами, определяющими надежность трубопровода. Одним из путей обеспечения высоких механических и эксплуатационных свойств является управление качеством трубного металла, в том числе закладывающегося в процессе металлургического производства.

В связи с этим актуальным является комплексное исследование факторов, оказывающих влияние на механические и эксплуатационные свойства, выявление способов их повышения и оптимального сочетания в процессе металлургического передела для обеспечения надежности и долговечности эксплуатации магистральных нефтегазопроводов.

Цель работы Установить комплекс характеристик качества металла и разработать технологию производства стали, обеспечивающие повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.

Поставленную цель достигали через решение следующих задач:

1. определение комплекса характеристик качества металла, выявление их взаимосвязи со свойствами, определяющими надежность эксплуатации магистральных трубопроводов (прочностными, пластическими свойствами, ударной вязкостью, трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью и склонностью к деградации свойств, в том числе в средах, содержащих сероводород, анизотропией свойств);

2. исследование влияния химического состава и технологических параметров выплавки на характеристики качества трубных низколегированных низкоуглеродистых сталей;

3. выбор и обоснование технологических рекомендаций по выплавке стали с характеристиками качества, обеспечивающими повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.

Научная новизна

1. Установлен комплекс характеристик качества металла, позволяющих обеспечить повышенный уровень эксплуатационной надежности труб: параметры однородности -полосчатость структуры не более 2 балла, химическая неоднородность макроструктуры не более 2 балла и микроструктуры не более 2 класса; чистота металла по неметаллическим включениям (оксидам - не более 2 балла, сульфидам - не более 1 балла).

2. Показано, что для достижения указанного уровня характеристик качества металла необходимо одновременно ограничивать содержание углерода (не более 0,08%), марганца (1,31,5%), фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), кислорода (не более 0,0020%).

3. Впервые установлено качественное и количественное влияние перечисленных характеристик качества металла на комплекс механических и эксплуатационных свойств, определяющих надежность эксплуатации магистральных трубопроводов: ударную вязкость, статическую и циклическую трещиностойкость, коррозионную стойкость, в том числе в сероводородсодержащих средах, стойкость к деформационному старению и анизотропию свойств в тангенциальном, осевом и г-направлениях.

Показано, что чистота стали по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла и полосчатость струюуры не более 2 балла являются необходимыми условиями для обеспечения уровня ударной вязкости при отрицательных температурах не менее 200-250 Дж/см2.

Установлено, что металл с повышенными характеристиками качества имеет:

- в 1,5-3 раза большую величину критического /-интеграла (1С) и до 3,5 раза большую величину критического раскрытия в вершине трещины 5С при испытаниях статической трещиностойкости;

- скорость роста трещины до 5 раз меньше при испытаниях циклической трещиностойкости;

- меньшую склонность к деградации свойств: снижение ударной вязкости КСУ.60 при деформационном старении падает на величину в 3 раза меньшую - 50 Дж/см2;

- более высокую стойкость к общей коррозии в водной среде: не более 0,01 мм/год в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,04-0,09 мм/год;

- повышенную стойкость к питтиговой коррозии: 1,2-1,3 г/м2-ч по отношению к трубам в обычном исполнении, скорость коррозии которых находится в интервале 1,5-2,0 г/м2-ч;

- высокую стойкость к водородному растрескиванию, характеризующуюся минимальной протяженностью образующихся трещин (коэффициент длины трещины СЬЯ не более 1,5%, и коэффициент толщины трещины СТЯ=0%);

- большую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением: условное пороговое напряжение составляет не менее 0,85сгт в сравнении с трубами в обычном исполнении -0,65от.

Практическая значимость

1. Разработаны технологические мероприятия, эффективность которых подтверждена на серии опытно-промышленных плавок, по получению стали с низким содержанием фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), с высокой чистотой по неметаллическим включениям (оксиды не более 2 балла, сульфиды - не более 1 балла).

2. На основании разработанных требований к трубным сталям внесены соответствующие изменения в проекты нормативных документов:

- стандарт ОАО «АК «Транснефть», «Трубы нефтепроводные большого диаметра. Общие технические требования»;

- проект ГОСТ Р «Национальный стандарт РФ. Трубопроводы магистральные. Общие технические требования на трубы».

3. Результаты исследований использованы при разработке новых методик, позволяющих оценивать структурную неоднородность сталей с бейнитной структурой:

-«Методика оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью эталонных шкал», 2007 г.;

- «Методика количественной оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью автоматического анализа изображений», 2007 г.

4. Получен патент на «Способ внепечной обработки», №2362811 от 23.10.2007.

Апробация работы

Основное содержание диссертации отражено в 13 статьях, опубликованных в профильных журналах и сборниках, в том числе 4 статьи - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 7 международных и российских научно-технических конференциях:

• Четвертая конференция молодых специалистов «Металлургия XXI века» (г. Москва, ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова, 2008 г.);

• Конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (г. Москва, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина», 2008 г.);

• Конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Баумана, 2009 год);

• Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2009)» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, 2009 г.);

• II Международная конференция «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей» (г. Москва, ФГУП «ЦНИИЧермет им. И.П.Бардина», 2010 г.);

• XVIII Международная научно-техническая конференция «ТРУБЫ-2010» (г. Челябинск, ОАО «РосНИТИ», 2010 г.);

• Научно-техническая конференция, посвященная 5-летию научно и научно-технической деятельности ЦФМК (г. Москва, ФГУП «ЦНИИЧермет им. Бардина», 2011 г.).

Достоверность результатов

При выполнении работы были использованы современные методы исследований, включавшие оценку величины неоднородности макро- и микроструктуры, степени ликвации химических элементов в металле, испытание механических и эксплуатационных свойств. Для измерения величины полосчатости феррито-бейнитной структуры низколегированных трубных сталей использовали новую методику, основанную на применении эталонных шкал. Методика была разработана совместно с Санкт-Петербургским Государственным Политехническим университетом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературных источников из 108 наименований, содержит страниц машинописного текста, 56 рисунков, 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, определены цель ее проведения и задачи, сформулированы научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен аналитический обзор причин разрушения магистральных трубопроводов, среди которых выделены загрязненность неметаллическими включениями и неоднородность металла труб. Приведены современные данные о влиянии названных характеристик качества металла на механические и служебные свойства исследуемых сталей.

Отмечено отсутствие в литературе сведений по:

- оценке комплексного влияния углерода, марганца, фосфора, серы на величину неоднородности микро- и макроструктуры металла труб для магистральных нефтегазопроводов;

- обоснованию требований к составу стали для обеспечения требуемой химической и структурной однородности металла труб разного уровня надежности;

- влиянию неоднородности металла на механические свойства, анизотропию свойств, ударную вязкость (в том числе, при отрицательных температурах), трещиностойкость, склонность металла к деформационному старению, коррозионную стойкость.

Проведенный анализ литературных данных позволил определить направление в разработке технологических рекомендаций при изготовлении сталей для труб повышенной эксплуатационной

надежности и долговечности для нефтегазопроводов, эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях.

Во второй главе приведены методы, методики и материал, использованные при исследовании.

Величину зерна металла в работе определяли по ГОСТ 5639-84 (шкала 1). Загрязненность металла труб неметаллическими включениями оценивали по ГОСТ 1778-80 с помощью автоматического анализатора изображений. Количественный анализ загрязненности сталей неметаллическими включениями проводили по американскому стандарту ASTM Е1245-03 с использованием автоматического анализатора изображений и программного обеспечения «Thixomet Pro».

Оценку полосчатости ферритно-перлитной структуры проводили по ряду А ГОСТ 5640. Для оценки полосчатости металла с ферритно-бейнитной структурой применяли новую, разработанную в 2006 году совместно с ГОУ «СПбГПУ» и ОАО «ВНИИСТ», методику «Оценка структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью эталонных шкал».

Ликвационную неоднородность макроструктуры выявляли на образцах металла в полную толщину при горячем травлении и оценивали по методике фирмы Mannesman В120 «Guideline for the evaluation of segregation behavior of continuous casting plates by means of deep etching» (Германия). Осевую неоднородность микроструктуры определяли в центральной зоне по толщине листа или стенки трубы по методике GB/T13298-1991 «Metal - Inspection method of microstructure» (Китай).

Для определения с помощью микрорентгеноспектрального анализа коэффициентов ликвации элементов выявляли ликвационную неоднородность микроструктуры травлением поверхности шлифов в реактиве Обергоффера. Микрорентгеноспектральный анализ проводили на РЭМ Zeiss Supra 55 VP с энергодисперсионной приставкой Oxford Instruments INCA и при сканировании рентгеновским локальным микроанализатором Camebax Microbeam (Франция). Микротвердость металла определяли с помощью микротвердомера Buehler Micromet 5103 по ГОСТ 9450-76 при нагрузке 0,01 кг (HV0,01) и твердость - при нагрузке 10 кг (HV10) на твердомере Vickers 430 SVD фирмы Wolpert Wilson (INSTRON).

Исследование свойств металла начинали с определения механических свойств. Испытания на растяжение проводили на образцах типа 2 по ГОСТ 1497-84. Ударную вязкость определяли на образцах Шарпи (тип 11 по ГОСТ 9454-78). Охлаждение образцов для испытаний при отрицательных температурах осуществляли в холодильной камере Lauda Criomat. Испытания образцов проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78.

Оценку статической трещиностойкости проводили в соответствии со стандартами ГОСТ 25.506-85, ASTM Е1921-02 и BS 7448. Для испытаний использовали компактные и плоские образцы на 3-х точечный изгиб, вырезанные в тангенциальном направлении.

Циклическую трещиностойкость металла оценивали, исследуя скорость роста трещины (СРТ) в соответствии с РД 50-345-82 "Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов".

Склонность металла к деформационному старению в зависимости от структурной и химической неоднородности оценивали по результатам испытаний на ударный изгиб по ГОСТ 7268-82.

Стойкость стали против водородного растрескивания типа расслоение испытывали по методике стандарта NACE TM 0284, против сероводородного растрескивания под напряжением -по методике американского стандарта NACE ТМ-01-99, метод А.

Исследование влияния технологических параметров и состава металла на загрязненность неметаллическими включениями и неоднородность структуры, установление взаимосвязи характеристик качества металла с прочностными, пластическими свойствами, ударной вязкостью, трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью и склонностью к деградации свойств проводили на металле штрипсов и труб с толщиной стенки от 12 до 40 мм отечественного и зарубежного производства (табл. 1) классов прочности К56 - К65, предназначенных для строительства магистральных нефте- и газопроводов. Производителями штрипса являлись ОАО «Северсталь», ОАО "Азовсталь", BAOSTEEL BRANCH (Китай), Nisco (Китай), Steel Flower Со Ltd (Корея), Dillinger Hütte GTS (Германия). Трубы были изготовлены на

ОАО «ВМЗ», ЗАО «Ижорский трубный завод», ОАО «ЧТПЗ», ОАО «ВТЗ», Steel Flower Со Ltd (Корея), BAOSTEEL BRANCH (Китай), Dillinger Hütte GTS (Германия).

Исследовался металл труб и штрипса из сталей Х80, 10Г2ФБ, 10Г2ФБЮ, К60, 17Г1С, отличавшийся степенью неоднородности структуры (полосчатость варьировалась от 0 до 4 балла). Макро- и микроструктурная неоднородность металла варьировалась в широком интервале: 1-4,5 балл и 0-5 класс соответственно.

Для определения влияния характеристик качества металла на механические и эксплуатационные свойства исследованный металл разделили на две группы:

- первая группа (Х80-1, Х80-2, Х80-3, Х80-4, Х80-5, 10Г2ФБ-1, 10Г2ФБ-2, 10Г2ФБЮ-1, К60-1, К60-2, К60-3) - металл с содержанием углерода не более 0,08%, чистый по примесям (содержание серы не более 0,005% и фосфора не более 0,010%), с полосчатостью не выше 2 балла, имеет феррито-бейнитную структуру с размером зерна 10-12 номер;

- вторая группа (10Г2ФБ-3, 10Г2ФБЮ-2, К60-4, 17Г1С) - металл с содержанием углерода до 0,17%, большей загрязненностью примесями (содержание серы до 0,03%, фосфора до 0,018%), значительной структурной неоднородностью (полосчатость 3-4 балл), отличается большей разнозернистостью (от 9 до 12 номера) и состоит из феррита и перлита, либо феррита и бейнита.

В третьей главе приведены результаты исследования загрязненности стали неметаллическими включениями, оценки величины макро- и микроликвации в трубном металле. С помощью микрорентгеноспектрального анализа исследованы химическая и структурная неоднородность трубного металла, определены коэффициенты ликвации марганца и фосфора, исследовано изменение твердости и микротвердости металла по толщине штрипса или стенки трубы в зависимости от величины неоднородности макро- и микроструктур.

В результате проведенных микроструктурных исследований основного металла труб показано, что ограничение содержания углерода не более 0,08% в сочетании с контролируемой прокаткой позволяет обеспечить величину полосчатости структуры не более 2 балла (табл. 1).

Установлено по результатам микрорентгеноспектрального анализа, что микро- и макроструктурная неоднородность в наибольшей степени коррелирует с ликвацией углерода, фосфора, марганца и серы. Зоны с наибольшей ликвацией серы, в основном в осевой зоне (рис. 1), содержали вытянутые в направлении прокатки сульфиды марганца. В зонах, обогащенных углеродом, (рис. 2) наблюдались выделившиеся карбонитридные включения.

Рисунок 1 - Выделения сульфидов в строчках перлита (трубный металл 17Г1С)

Таблица 1 - Химический состав и параметры однородности исследованного металла

№ п/п Маркировка металла Сталь Полосчатость структуры, балл Диаметр трубых толщина или толщина пггрипса, мм Химический состав, %

С Мп Р 8 Мо № Сг Си V № Т( А1 N

Металл первой группы

1 Х80-1 Х80 0 27,7 (штрипс) 0,05 1,62 0,24 0,010 0,003 <0,05 0,10 0,02 0,17 0,05 0,04 0,012 0,03 0,005

2 Х80-2 Х80 0 40,0 (штрипс) 0,05 1,56 0,26 0,008 0,001 <0,05 0,08 0,02 0,19 0,05 0,04 0,013 0,03 0,005

3 Х80-3 Х80 0 27,7 (штрипс) 0,05 1,69 0,28 0,006 0,002 <0,05 0,06 0,02 0,19 0,05 0,04 0,012 0,03 0,005

4 Х80-4 Х80 0 27,7 (штрипс) 0,05 1,69 0,28 0,006 0,002 <0,05 0,06 0,02 0,19 0,06 0,04 0,012 0,03 0,005

5 Х80-5 Х80 0 40,0 (штрипс) 0,06 1,64 0,28 0,007 0,002 <0,05 0,10 0,02 0,19 0,05 0,04 0,011 0,03 0,005

6 10Г2ФБ-1 10Г2ФБ 1,5 1020x12,0 0,06 1,30 0,24 0,007 0,004 <0,05 0,02 0,05 0,02 0,06 0,04 0,013 0,02 0,005

7 10Г2ФБ-2 10Г2ФБ 1 1020x14,0 0,06 1,58 0,26 0,009 0,002 <0,05 0,19 0,21 0,04 0,05 0,08 <0,01 0,04 0,004

9 10Г2ФБЮ-1 10Г2ФБЮ 0 1220x24,0 0,07 1,58 0,32 0,005 0,001 0,002 0,19 0,02 0,02 0,05 0,04 0,023 0,03 0,005

11 К60-1 К60 0 1067x25,5 0,08 1,53 0,30 0,009 0,002 0,071 0,14 0,03 0,09 0,06 0,05 0,011 0,03 0,004

12 К60-2 К60 1 1220x17,8 0,08 1,65 0,23 0,008 0,002 <0,05 0,06 0,07 0,09 <0,02 <0,02 <0,01 0,04 0,004

13 К60-3 К60 1 1220x22,0 0,08 1,70 0,23 0,010 0,003 <0,05 0,20 0,03 0,04 0,06 0,06 0,011 0,03 0,005

Металл второй группы

8 10Г2ФБ-3 10Г2ФБ 4 1220x22,0 0,08 1,68 0,23 0,010 0,007 <0,05 0,02 0,03 0,02 0,06 0,04 0,016 0,04 0,008

10 10Г2ФБЮ-2 10Г2ФБЮ 3,5 1067x21,0 0,11 1,67 0,23 0,015 0,005 <0,05 0,02 0,03 0,02 0,06 0,04 0,015 0,04 0,008

14 К60-4 К60 4 1220x27,0 0,10 1,60 0,32 0,011 0,002 0,010 0,05 0,04 0,03 0,01 0,04 0,020 0,05 0,009

15 17Г1С 17Г1С 3 18,0 (штрипс) 0,17 1,54 0,48 0,018 0,029 0,006 0,09 0,18 0,13 0,10 <0,01 0,007 0,03 0,012

Рисунок 2 - Макроструктурная (а) и микроструктурная (б) неоднородности металла К60-3, выделение карбонитридов титана в бейнитных полосах (в)

Ликвацию фосфора и марганца определяли параллельно линии замеров микротвердости, пересекая полосы химической и структурной неоднородности. Измерения проводили с переменным шагом, обеспечивающим оценку всех структурных составляющих.

Повышение величины неоднородности микроструктуры металла совпадает с увеличением коэффициентов ликвации марганца и фосфора в металле и повышением микротвердости (рис. 3 и 4). Например, при минимальном повышении концентрации марганца в трубном металле 10Г2ФБ-1 - до 1,43% при его среднем значении 1,30%, ликвации фосфора - до 0,012% (среднее содержание в стали - 0,007%) микротвердость повышается в 1,3 раза по сравнению со средним значением. Увеличение микротвердости в 1,9 раз соответствует случаю, когда содержание марганца в трубном металле 10Г2ФБ-3 (рис. 5) от среднего значения 1,68% возрастает в зоне ликвации до 2,62%, а фосфора - от среднего значения 0,010% увеличивается до 0,058%. При этом микротвердость в осевой зоне увеличивается от 223 до 429.

Концентрация фосфора в зонах ликвации для исследованного металла увеличивалась от 1,7 до 9 раза, марганца - в 1,1-1,7 раза.

Рисунок 3 - Параллельное изменение содержания фосфора, марганца и микротвердости в зоне ликвации в однородном трубном металле 10Г2ФБ-1 из первой группы с полосчатостью

структуры 1 балл,

осевой неоднородностью микроструктуры 1 класс: а) изменение микротвердости и б) изменение содержания фосфора и марганца в зоне ликвации

450 400 л 350 £ 300 £ 250 § 200 Ё 150 ё" 100 | 50 0

Зрны ликвации

26

то

о 24

■а 22

о> р? 18

о. 1"

ф

Ч 12 О

О 10

Зоны ликвации

ш

10

мкм —*

толщине листа

-«-Мп 190 мкм

1.!

1,7

;- 1,6 1,5'

10 мкм

Рисунок 4 - Параллельное изменение содержания фосфора, марганца и микротвердости в зоне ликвации в трубном металле 10Г2ФБЮ-2 из второй группы с полосчатостью структуры 3,5 балл, осевой неоднородностью микроструктуры 4 класс: а) изменение микротвердости и б) изменение содержания фосфора и марганца в зоне ликвации

[Мп] =1,30% [Р] = 0,007% микротвер-

= 223

а б

Рисунок 5 - Повышение микротвердости с увеличением неоднородности металла а) 10Г2ФБ-1 с 1,5 баллом полосчатости и б) 10Г2ФБ-3 с 4 баллом полосчатости

Из полученных зависимостей, приведенных на рисунке 6а следует, что для труб, эксплуатация которых предполагает контакт с сероводородсодержащей средой, содержание марганца в осевой зоне должно быть не более 1,7%. Учитывая полученные в ходе исследований минимальные коэффициенты ликвации марганца Кмп=1,1, среднее содержание марганца в трубном металле должно ограничиваться величиной не более 1,5%. При выполнении данного условия микротвердость в осевой зоне металла не будет превышать величину 330 НУ0,01 -требование, соблюдение которого необходимо для предупреждения водородного растрескивания трубного металла. Также необходимо, чтобы в зоне ликвации содержание фосфора не превышало 0,015% в связи с его охрупчивающим воздействием на металл. Учитывая минимальный коэффициент ликвации фосфора в исследованном металле Кр=1,7, его среднее содержание в металле должно быть не более 0,010%.

Содержание марганца, % Содержание фосфора, %

а б

Рисунок 6 - Зависимость микротвердости от содержания а) марганца и б) фосфора в металле в

осевой и вне осевой зонах

Таким образом, на данном этапе работы было показано, что в качестве характеристик однородности трубного металла могут выступать полосчатость структуры, неоднородность макро-и микроструктуры, величины которых зависят от содержания в стали углерода, серы, фосфора, марганца.

Для разработки технологии производства металла для труб повышенной эксплуатационной надежности, необходимо было определить уровень требований к химическому составу и параметрам однородности металла. Эти требования обосновывали, определяя влияние химического состава и параметров однородности на механические и эксплуатационные свойства металла труб, определяющие надежность их эксплуатации.

Для обоснования необходимости введения требований к металлу труб повышенной эксплуатационной надежности и ограничения допустимой полосчатости и осевой ликвационной неоднородности металла, загрязненности неметаллическими включениями проведены исследования влияния характеристик качества на механические и эксплуатационные свойства. Испытания проводили, сравнивая свойства металла из первой и второй групп.

Испытания показали, что чистота стали по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла и полосчатость структуры не более 2 балла являются необходимым условием для обеспечения уровня ударной вязкости не менее 200-250 Дж/см2 при отрицательных температурах до минус 60°С (рис. 7).

Полученные результаты оценки характеристик статической и циклической трещиностойкости показали, что металл с повышенными характеристиками качества (из первой группы) в сравнении с трубным металлом из второй группы обладает:

- более высокой статической трещиностойкостью при температуре от плюс 20°С до минус 40°С - в 1,5-3 раза большей величиной критического .^интеграла (]с) и до 3,5 раза большей величиной критического раскрытия в вершине трещины 8С (см. табл. 2);

- более высокой циклической трещиностойкостью: до 5 раз меньшей скоростью роста трещины (см. табл. 3 и рис. 8).

Загрязненность неметаллическими включениями, %об.

а

Полосчатость, балл б

Рисунок 7 - Влияние а) загрязненности оксидными неметаллическими включениями и б) полосчатости структуры на ударную вязкость металла

Маркировка Содержание элементов, % Полосчатость, балл Неоднородность микроструктуры, класс Температура испытаний, °С Критическое раскрытие в вершине трещины, 5С, мм Критический J-интеграл, h, кДж/м

С S Р

Металл первой группы

10Г2ФБ-1 0,06 0,004 0,007 1,5 1 20 0,58 924

-20 0,48 892

-40 0,33 663

10Г2ФБ-2 0,06 0,002 0,009 1 1 20 1,05 1111

-20 0,62 727

-40 0,50 670

Металл второй группы

10Г2ФБ-3 0,08 0,007 0,010 4 4 20 0,48 382

-20 0,42 578

-40 0,14 100

Таблица 3 - Характеристики сопротивления материала развитию трещины при циклических нагрузках_____

Маркировка Содержание элементов, % Полосчатость структуры, балл Неоднородность микроструктуры, класс Коэффициенты уравнения dl/dN=C-(Kmax)n

С S Р С, 1012м/цикл п

Металл первой группы

10Г2ФБ-1 0,06 0,004 0,007 1,5 1 8,14 2,72

Металл второй группы

10Г2ФБ-3 0,08 0,007 0,010 4 4 1,95 3,21

10Г2ФБЮ-2 0,11 0,005 0,015 3,5 4 1,30 3,37

17Г1С 0,17 0,029 0,018 3 3 0,49 3,71

Показано, что металл с полосчатостью структуры 4 балл обладает анизотропией механических свойств, причем ударная вязкость в z-направлении существенно ниже (до 10 и более раз), чем в осевом и тангенциальном. Скорость роста трещины в образцах, вырезанных в z-направлении до 5й раз выше, чем скорость роста трещины в осевом и тангенциальном направлениях.

Также было оценено влияние неоднородности металла на склонность к деградации свойств в процессе эксплуатации. Установлено, что даже в случае, если металл с сильно выраженной неоднородностью структуры в исходном состоянии будет обладать высокой вязкостью, то при температуре до минус 60°С ударная вязкость KCV после деформационного старения будет значительно снижаться в сравнении с однородным металлом. Для металла с 4 баллом полосчатости структуры ударная вязкость в результате деформационного старения снижается на 150 Дж/см2, для более однородного металла (1 балл) эта величина в 3 раза меньше - 50 Дж/см2 (см. рис. 9). Для предотвращения хрупкого разрушения трубопроводов учет снижения характеристик вязкости трубного металла в процессе длительной эксплуатации возможен путем экспериментальной оценки склонности трубной стали к деформационному старению либо на основании собранной базы статистических данных. Вторым способом учета явления деформационного старения может быть введение температурной поправки, на 10-20 °С понижающей температуру проведения сдаточных испытаний при определении ударной вязкости.

1-ю-5

1-104

1-10-в

100

Ктах, Мпа.м"2

Рисунок 8 - Влияние качества металла на параметр циклической трещиностойкости - скорость

роста трещины

> о

-100

-80

-60

-40

-20

Температура испытаний, °С

Рисунок 9 - Влияние неоднородности трубного металла на склонность к деформационному

старению

Результаты испытаний коррозионной стойкости показали, что использование труб с повышенными характеристиками качества (металл первой группы) обеспечивает:

- более высокую стойкость к общей коррозии в водной среде, содержащей активаторы коррозии, - 0,01 мм/год в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,04-0,09 мм/год;

- повышенную стойкость к питтиговой коррозии - 1,2-1,3 г/м2-ч по отношению к трубам в обычном исполнении, скорость коррозии которых находится в интервале 1,5-2,0 г/м -ч;

- высокую стойкость к водородному растрескиванию, характеризующуюся минимальной протяженностью образующихся трещин (СЬЯ не более 1,5%, СТК=0%, см. табл. 4);

- стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением с высоким условным пороговым напряжением не менее 0,85ст, что в 1,5 раза больше, чем в сталях для труб второй группы (см. табл. 5 и рис. 10).

Таблица 4 - Стойкость трубного металла к водородному растрескиванию

Маркировка/ марка стали Содержание элементов, % Полосчатость структуры, балл Неоднородность микроструктуры, класс Показатели Н1С

С Мп | Б | Р сге,%

Металл первой группы

ЮГ2ФБЮ-1 0,07 1,58 0,001 0,005 0 2 1,5 0

06ГФБАА* 0,05 1,35 0,002 0,005 0 1 0 0

Металл второй группы

17Г1С 0,17 1,54 0,031 0,018 3 3 I 11,0 0

* результаты испытаний стойкости стали 06ГФБАА к водородному растрескиванию, выполненные ООО «ВНИИГАЗ», 2003 год

Таблица 5 - Характеристики трубного металла 10Г2ФБЮ-1, К60-2 и 17Г1С

Маркировка Содержание элементов, % Полосчатость, Неоднородность

С Мп 5 Р балл микроструктуры, класс

Металл первой группы

10Г2ФБЮ-1 0,07 1,58 0,001 0,005 0 2

К60-2 0,08 1,65 0,002 0,008 1 1,5

Металл второй группы

17Г1С | 0,17 1,54 0,031 0,018 з з

Время до разрушения, ч

Рисунок 10 — Влияние качества металла на стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением

Таким образом, было показано, что для обеспечения надежности эксплуатации труб металл должен соответствовать следующим требованиям: полосчатость структуры не более 2 балла, микроструктурная неоднородность не более 2 класса, макроструктурная неоднородность - не более 2 балла, оксидные неметаллические включения - не более 2 балла. Это обеспечивается за счет требований к химическому составу металла: содержание углерода не более 0,08%, марганца 1,3-1,5%, фосфора меньше 0,010%, серы не более 0,005%.

В четвертой главе изложены технологические рекомендации для получения стали повышенной чистоты по примесям и неметаллическим включениям. Целью проведения данного этапа работы была разработка комплекса металлургических мероприятий, позволяющих одновременно обеспечить в трубных сталях чистоту по примесям и неметаллическим включениям на уровне содержания: серы не более 0,005%, фосфора - не более 0,010%, оксидных неметаллических включений - не более 2 балла, сульфидных включений - не более 1 балла.

Для разработки технологических мероприятий, позволяющих достигнуть поставленной цели, проводили предварительное изучение влияния технологических параметров на качество стали производства ОАО «Северсталь». Металл выплавляли в конвертерах емкостью 350 т, подвергали внепечной обработке (обработка стали в ковше, на установке доводки металла, вакуумирование стали) и разливали на машинах непрерывного литья заготовок. На основании анализа 126 плавок, проведенных по существовавшей на комбинате технологии производства трубных марок стали 10Г2ФБЮ, 09ГСФ, 17ГС, 17Г1СУ, Х80 («традиционной технологии»), изучали влияние содержания в чугуне серы и фосфора, технологических параметров на качество стали. На основании анализа взаимосвязи технологических параметров и состава стали на разных этапах производства предложен комплекс технологических мероприятий, который успешно применен на опытно-промышленной серии из 19 плавок стали 10Г2ФБЮ, фактический химический состав металла которых представлен в таблице 6.

Таблица 6 - Фактический химический состав стали опытных плавок

Значения Химический состав, %

С Si Мп Р S Cr Ni Си Al V Ti Nb

min 0,068 0,169 1,280 0,006 0,002 0,014 0,006 0,014 0,020 0,042 0,002 0,002

max 0,095 0,276 1,420 0,015 0,006 0,060 0,030 0,040 0,057 0,053 0,006 0,040

В результате опытно-промышленную серию плавок проводили со следующими изменениями и дополнениями в технологии производства:

использовали чугун при выплавке в конвертере, содержащий не более 0,012% серы и не более 0,040% фосфора;

в качестве металлолома использовали оборотный лом (ЧШ-1) с содержанием серы не более 0,015% и фосфора не более не более 0,025%;

на 8-9 минуте продувки в конвертере по израсходованию 8-10 тыс. м3 кислорода производили промежуточную повалку со скачиванием шлака;

- при дальнейшей продувке осуществляли присадку 22-34 кг извести на тонну стали (при общем количестве вводимой извести 50-85 кг/т) и 4,3-10 кг/т (при общем количестве 8,5-20 кг/т) известково-магнезиального флюса (ИМФ) с целью получения в шлаке содержания СаО более 50% и достижения максимальной основности шлака (не менее 3,7);

в процессе выпуска металл дополнительно раскисляли присадкой чушкового алюминия 450-600 кг на плавку;

после выпуска полупродукта в ковш на шлак присаживали алюминиевую сечку в количестве 250-300 кг на плавку;

на 10 плавках после выпуска в ковш проводили дополнительное раскисление шлака карбидом кремния в количестве 100-250 кг на плавку;

легирование стали марганцем проводили присадками металлического марганца вместо ферромарганца;

металл 7 из 19 плавок подвергали обработке на установке вакуумирования стали (УВС) для снижения содержания кислорода в жидком металле и повышения чистоты готового проката по оксидным неметаллическим включениям.

Остальная часть технологии производства осуществлялась в соответствии с действовавшей схемой.

На плавках по традиционной технологии было показано (рис. 11а), что для получения в готовом металле после обработки на УДМ содержания фосфора не более 0,010% необходимо, чтобы в металле после выпуска из конвертера перед обработкой на УДМ содержание фосфора было на 0,002% меньше (т.е. не более 0,008%, см. корреляционное уравнение). При легировании

ферромарганцем (здесь - ФМн88) в металл вносится 0,002% фосфора. Предотвратить такое повышение загрязненности металла фосфором возможно при использовании вместо ферромарганца металлического марганца (см. рис. 11а). В этом случае повышения загрязненности металла по фосфору в ходе обработки на УДМ не наблюдалось.

Установлено также, что для получения низкофосфористого металла (не более 0,010%) при отсутствии внедоменной дефосфорации чугуна необходимо проведение окислительной конвертерной плавки с использованием чистой по фосфору шихты (в том числе, чугуна - с содержанием фосфора не более 0,04%, рис. 116, оборотного лома прокатных цехов с содержанием фосфора не более 0,025%), тщательная очистка конвертера и сталеразливочных ковшей от остатков предыдущих плавок, расход извести на уровне 63-85 кг на тонну стали (см. рис. 12) и максимальная отсечка шлака на выпуске из конвертера. Снижение температуры металла на выпуске до 1650°С - уровня, благоприятного для дефосфорации, на данных плавках не достигалось из-за необходимости проведения внепечной обработки, связанной с введением ТШС, поэтому температуру выпуска ограничивали пределами 1700 ± 10°С.

у = 0,933х + 0,002 Р!г = 0(

л

+ 0,002 Ь*

ДА*

у = 1,005х Я2 = 0,98

I

Д Плавки с добавкой РеМп

I Плавки с добавкой Мп металлического

0,020

£ 0,016

С

8

0-0,012

га

х

Г 0.008

£ 0,004 а>

5

О

! ! 1 ! . 1 1

Г.....I • ]

• X ! ! • / • й'гОЯ?

/ /¡/ А !

// щА * »• • I

// ! ! | (

0,004 0,008 0,012 0,016 0,020 [Р] в начале обработки на УДМ, %

а

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 Содержание [Р] в чугуне, %

0,08

Рисунок 11 - Влияние а) содержания фосфора перед выпуском из конвертера и б) содержания фосфора в чугуне на содержание фосфора в стали на разливке

Для исключения попадания конвертерного шлака в ковш при выпуске производили его первичную отсечку конусом, а конечную - подрывом на металле. В качестве дополнительных мер обязательным условием являлась очистка полости конвертера перед завалкой от остатков металла, шлака предыдущей плавки. Допускалось использование только сталеразливочных ковшей, тщательно очищенных от металла и шлака во избежание восстановления фосфора из пропитанного шлаком или металлом слоя футеровки.

Перечисленные меры позволили обеспечить перед выпуском из конвертера не более 0,012% фосфора, а при расходе извести 63-85 кг на тонну стали для 90% опытных плавок содержание фосфора не превышало 0,008%.

■а 2

К и

1 Е

(О л

0,014

0,012 •

0,010

\ ••

0,008

0,006 • •

•

0,004

0,002

И = 0,76

•

40 60 80 100

Удельный расход извести, кг/г стали

Рисунок 12 - Влияние количества введенной при выплавке в конвертере извести на содержание фосфора перед выпуском из конвертера

В результате анализа технологических данных и химического состава металла плавок, проведенных по традиционной технологии, было установлено, что содержание серы в полупродукте на выпуске в наибольшей степени имеет тенденцию к снижению при снижении содержания серы в чугуне (рис. 13а) и с увеличением массы введенной извести (рис. 136).

Использование при выплавке опытно-промышленной серии плавок чугуна с содержанием серы не более 0,012% и расход извести 65-85 кг на тонну стали с расходом ИМФ 8,5-20 кг на тонну позволили получить 0,006±0,002% серы в металле на выпуске.

0Д120 0016 0012 0 Л 08 0 Л 04 0

* >4

ДГ.'

' ги

•г

У

0,014 г

0,004 0,008 0012 0016 0020 £ 0 002

Сера в чугуне, % ' 30 50 70 90 110

Удельный расход извести, кг/т стали

а б

Рисунок 13 - Влияние а) содержания серы в чугуне и б) количества введенной в конвертер извести на содержание серы в стали на выпуске из конвертера

На 10 плавках после выпуска в ковш наведенный шлак дополнительно раскисляли карбидом кремния, что позволяло после обработки на УДМ обеспечить окисленность шлака (суммарное содержание оксидов железа и марганца) не более 4%. Снижение окисленности шлака при обработке расплава на УДМ положительно сказывалось на удалении из металла серы (рис. 14).

В результате применения указанных мероприятий марочные пробы металла 15 опытных плавок содержали не более 0,005% серы, а в остальных 4 плавках содержание серы не превышало 0,006%.

Уменьшение содержания серы в металле опытных плавок привело к снижению средней величины осевой химической неоднородности в слябах (рис. 15).

Повышение чистоты металла по сере положительно сказалось на чистоте по сульфидным неметаллическим включениям: загрязненность металла сульфидными включениями, выплавленного по предложенной технологии, на всех 19 опытных плавках равна нулевому баллу.

1.5

R2 = 0,76

2,0 г

2,5 3,5

Окисленность шлака, %

4,5

0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 [S] на разливке, %

Рисунок 14 - Влияние окисленности шлака Рисунок 15 - Зависимость осевой химической (РеО+МпО) на содержание серы в металле неоднородности от содержания серы в металле после обработки на УДМ на разливке

Снижение загрязненности металла оксидными неметаллическими включениями планировалось достичь внесением изменений в технологию раскисления стали на выпуске из конвертера, описанных выше, и в процесс внепечной обработки. Также для предотвращения вторичного окисления металла использовали систему защиты струи в процессе разливки, стопоры-моноблоки в промежуточном ковше с продувкой аргоном, применяли корундо-графитовые погружные стаканы в процессе разливки на МНЛЗ. Для повышения чистоты стали по оксидным включениям металл 7 плавок подвергали вакуумированию. В результате проведенных мероприятий и вакуумирования стали опытной серии увеличилась доля плавок с оксидными неметаллическими включениями не более 1 балла одновременно со снижением доли плавок с загрязненностью включениями 1,5-3,5 баллом (рис. 16). Кроме того, загрязненность включениями не превышала 3,5 балла для металла, прошедшего вакуумирование.

В металле опытной серии плавок максимальная загрязненность оксидными включениями варьировалась в широких пределах - от 1,5 до 5 балла. Анализ содержания кислорода в металле показал, что для обеспечения чистоты стали не более 2 балла по оксидным включениям для труб повышенной эксплуатационной надежности содержание кислорода должно быть не более 0,0020% (рис. 17).

Для выявления типов оксидных неметаллических включений, которые явились причиной высокой загрязненности металла опытных плавок, не подвергавшихся вакуумированию, были проведены металлографический и микрорентгеноспектральный анализы металла.

По результатам металлографического анализа в металле листов, прокатанных из слябов опытных плавок, присутствовали оксидные и оксисульфидные алюмокальциевые неметаллические включения следующих типов:

- основной вид оксидных включений - мелкие глобулярные размером 5-15 мкм и менее;

- крупные глобулярные НВ диаметром до 50 мкм;

- строчечные хрупкие включения, пластичные и смешанного вида, длиной до 0,9 мм.

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Загрязненность оксидными неметаллическими включениями, балл

Рисунок 16 - Влияние вида внепечной обработки на загрязненность металла неметаллическими включениями

0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 0,0040 Содержание кислорода. %

Рисунок 17 - Зависимость загрязненности металла неметаллическими включениями от содержания кислорода в стали

Второй и третий из перечисленных выше типов включений встречались реже, чем первый, и при оценке балльности были причиной высокой загрязненности стали по оксидным неметаллическим включениям в плавках с 4 до 5 баллом.

Проведенный количественный анализ загрязненности оксидными неметаллическими включениями показал, что металл с 5 баллом по оксидным включениям отличается наличием включений диаметром более 15 мкм (рис. 18). Объемное содержание неметаллических включений в металле с загрязненностью 1,5 и 5 баллами по неметаллическим включениям значительно отличалось и составляло 0,05%об. и 0,14%об. соответственно.

Плавка 1,

1,5 балл загрязненности НВ

Плавка 2,

5 балл загрязненности НВ

0,040

X

0,035

4>

т & ю 0,030

ч о £

ее 0,025

Н <и «

о X 5 Я СУ Г 0,020

о 05 2 0,015

ь §

о У я 0,010

5

Ч О 0,005

й

<4 4-7 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 28-31 32-35 >36 Размер включений, мкм

Рисунок 18 - Изменение распределения включений по размеру с увеличением загрязненности трубного металла оксидными неметаллическими включениями

Микрорентгеноспектральный анализ включений позволил установить, что основным типом неметаллических включений в трубной стали, вне зависимости от общего балла загрязненности, являются относительно мелкие (не более 15 мкм) недеформированные алюминаты кальция с переменным соотношением в своем составе алюминия и кальция, соответствовавшим СаО-А^Оз (СА), СаО-2АЬОз (С2А) и ЗСаО-А12Оз (ЗСА), в некоторых случаях с Са$ в оболочках включений. Крупные включения в металле, загрязненность которого оценивалась 4 баллом и выше, содержали алюминаты кальция с соотношением алюминия и кальция, аналогичным составу 12Са0-7А12Оз (12С7А) и СА в виде строчечных неметаллических включений и в составе глобулярных

недеформированных включений. Кроме того, в некоторых крупных недеформированных гетерогенных включениях были обнаружены шпинельные структуры состава, близкого к Гу^О-А^Оз и ЗСаОМ§О2А120з, присутствие магния в которых свидетельствует об их экзогенном происхождении.

Таким образом, технологические мероприятия, связанные со снижением содержания кислорода в металле и предотвращением разрушения футеровки сталеразливочных ковшей, позволили избежать образования крупных НВ состава, близкого к 12СаО-7А12Оз, и/или содержащих К^О, являющихся причиной повышения загрязненности металла включениями 4-5 балла, и снизить общее количество НВ (с 0,14 до 0,05%об).

С технологической точки зрения, в жидкой стали предпочтительно образование включений состава, близкого к 12Са07АЬ0з, так как они имеют более низкую температуру плавления и при выплавке легко удаляются из расплава благодаря укрупнению включений. При этом присутствие в твердом металле алюмокальциевых включений состава 12Са0 7А120з, не удаленных в процессе выплавки и разливки, оказывает наиболее отрицательное воздействие на вязкость и пластичность стали, по сравнению с алюмокальциевыми НВ другого состава. Такое влияние обусловлено тем, что включения этого типа обладают низкой температурой плавления и при прокатке деформируются, образуя строчки и создавая структурные напряжения между матрицей и включением. Включения такого состава в большинстве своем имеют относительно крупные размеры, что и наблюдалось в исследованном металле (протяженность до 0,9 мм).

Таким образом, в результате исследований проката, изготовленного из опытной серии плавок, показано, что основным видом неметаллических включений являются алюмокальциевые оксисульфиды с различным соотношением алюминия и кальция. Технологические мероприятия по снижению содержания кислорода позволили обеспечить загрязненность стали оксидами не более 2 балла и предотвратить:

• образования крупных НВ состава, близкого к 12Са0-7А120з,

• и/или содержащих М§0, являющихся причиной повышения загрязненности металла включениями 4-5 балла,

• снизить общее количество НВ (с 0,14 до 0,05%)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучено влияние состава стали на характеристики качества металла (химическую, структурную однородность, чистоту по неметаллическим включениям), определяющие надежность эксплуатации магистральных трубопроводов.

1.1 Показано, что полосчатость структуры не более 2 балла достигается при ограничении содержания углерода не более 0,08% в сочетании с контролируемой прокаткой.

1.2 Определено, что для обеспечения в трубном металле полосчатости структуры не более 2 балла и неоднородности микроструктуры не более 2 класса содержание углерода должно быть не более 0,08%, марганца 1,3-1,5%, фосфора - 0,010%, серы - не более 0,005%.

1.3 Экспериментально установлено наличие зависимости между твердостью, микротвердостью структуры и неоднородностью металла. Показано, например, что с увеличением осевой неоднородности макроструктуры до 5 балла наблюдается повышение твердости металла с 190 до 260-293 НУ 10. Микротвердость металла (НУ0,01) при 1 классе осевой неоднородности микроструктуры в зоне ликвации увеличивается в 1,1-1,6 раза, при 4 и более классе - в 2,0-2,3 раза.

1.4 Показано, что для обеспечения чистоты стали по оксидным включениям не более 2 балла содержание кислорода в готовом металле должно быть не более 0,002%.

2. Впервые определен уровень требований к характеристикам качества металла (полосчатость структуры не более 2 балла, микроструктурная неоднородность не более 2 класса, макроструктурная неоднородность - не более 2 балла, загрязненности по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла), основываясь на их влиянии на механические и эксплуатационные свойства, определяющие надежность эксплуатации трубопроводов.

2.1 Чистота стали по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла и полосчатость структуры не более 2 балла являются необходимыми условиями для обеспечения уровня ударной вязкости при отрицательных температурах не менее 200-250 Дж/см2.

2.2 Показано, что для достижения изотропности свойств в осевом, тангенциальном и z-направлениях необходимо обеспечить однородность металла. Установлено, что металл с полосчатостью структуры 4 балл обладает анизотропией механических свойств, причем характеристики ударной вязкости и статической трещиностойкости, полученные для z-направления, существенно ниже (до 10 и более раз), чем для осевого и тангенциального направлений. Скорость роста трещины в образцах, вырезанных в z-направлении, до 5й раз выше, чем скорость роста трещины в осевом и тангенциальном направлениях.

2.3 Количественно определено отрицательное влияние неоднородности металла на склонность к деградации свойств в процессе длительной эксплуатации. Для металла с сильно выраженной неоднородностью структуры (4 балл полосчатости структуры) при температуре минус 60°С разница в ударной вязкости между металлом в исходном состоянии и после деформационного старения составляет 150 Дж/см2, для однородного металла (1 балл полосчатости) эта величина в 3 раза меньше - 50 Дж/см2.

2.4 Использование при изготовлении труб металла с повышенными характеристиками качества обеспечивает:

• в 1,5-3 раза большую величину критического J-интеграла (Jc) и до 3,5 раза большую величину критического раскрытия в вершине трещины dc при испытании статической трещиностойкости;

• более высокую циклическую трещиностойкость: до 5 раз меньшую скорость роста трещины в сравнении со сталями для труб в обычном исполнении;

• более высокую стойкость к общей коррозии в водной среде: не более 0,01 мм/год в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,04-0,09 мм/год;

• повышенную стойкость к питтиговой коррозии: 1,2-1,3 г/м2-ч по отношению к трубам в обычном исполнении, скорость коррозии которых находится в интервале 1,5-2,0 г/м2-ч;

• высокую стойкость к водородному растрескиванию, характеризующуюся минимальной протяженностью образующихся трещин (CLR не более 1,5%, CTR=0%);

• стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением с высоким условным пороговым напряжением - не менее 0,85ат, что до 1,5 раза больше, чем у сталей для труб обычного исполнения.

3. Выбраны и обоснованы технологические рекомендации по выплавке стали с характеристиками качества, обеспечивающими повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов: с содержанием фосфора не более 0,010%, серы не более 0,005%, загрязненностью по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла, сульфидными - не более 0 балла.

3.1 Показано, что для получения в стали содержания фосфора не более 0,010% необходимо:

• использовать чистую по фосфору металлошихту: чугун с содержанием фосфора не более 0,04%, оборотный лом прокатных цехов - не более 0,025% фосфора;

• расход извести поддерживать на уровне 65-85 кг на тонну стали;

• замена при легировании ферромарганца металлическим марганцем, что допускает на выпуске из конвертера иметь в металле содержание фосфора не более 0,010%.

3.2 Установлено, что достижение чистоты металла по содержанию серы не более 0,005% возможно при выполнении следующих дополнительных требований: использовании при выплавке чугуна с содержанием серы не более 0,012%, расходе извести 65-85 кг на тонну стали, раскислении шлака при внепечной обработке до суммарного содержания оксидов железа и марганца не более 4%.

Показано, что при содержании серы не более 0,005% дефект сляба типа «осевая химическая неоднородность» не превышает 1,5 балла, загрязненность металла сульфидными включениями равна нулевому баллу.

3.3 Установлено, что для обеспечения чистоты стали не более 2 балла по оксидным включениям содержание кислорода должно ограничиваться величиной 0,002%, что позволяет:

• избежать присутствия крупных НВ состава, близкого к 12Са0-7А1203, и включений, содержащих MgO, которые являются причиной повышения загрязненности металла включениями 4-5 балла,

• снизить общее количество НВ (с 0,14 до 0,05%об).

4. На основании проведенных исследований внесены соответствующие изменения в требования к металлу труб повышенной эксплуатационной надежности в стандартах «Трубы нефтепроводные большого диаметра. Общие технические требования» ОАО «АК «Транснефть» и проекте ГОСТ Р «Национальный стандарт РФ. Трубопроводы магистральные. Общие технические требования на трубы».

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Неметаллические включения в низколегированной трубной стали. Агбоола О. Ф., Морозова Т.В., Дуб А. В., Гошкадера С. В., Ефимов С. В., Филатов В. Н., Зинченко С. Д., Ламухин А. М. // Электрометаллургия №11,2004

2. Изучение влияния ультразвуковых колебаний на процессы раскисления стали. Морозова Т.В., Ромашкин А.Н., Ефимов И.В., Копаев О.В. Металлургия XXI века. // Сборник трудов 1-й международной конференции молодых специалистов. М. — ВНИИМетМаш им. ак. Целикова, 2005, 382 с.)

3. Дуб A.B., Баруленкова Н.В., Морозова Т.В. и др. // Неметаллические включения в низколегированной трубной стали. Металлург, 2005, №4, с. 67-73.

4. Перспективы использования информации об окисленности стали для совершенствования технологии производства низколегированных сталей. Морозова Т.В., Ромашкин А.Н. // Металлургия XXI века. Сборник трудов 2-й международной конференции молодых специалистов, 2006 г.

5. Неметаллические включения в низколегированной трубной стали. А. В. Дуб, С. В. Гошкодера, С. В. Ефимов, О. Ф. Агбоола, Т. В. Морозова. // Черные металлы. Цветные металлы. Специальный выпуск. Октябрь.

6. Дуб A.B., Ромашкин А.Н., Морозова Т.В., Щепкин И.А. Влияние футеровки на окисленность металлического расплава. // Электрометаллургия, №12.

7. Дуб B.C., Морозова Т.В., Марков С.И. и др. «Влияние полосчатости и осевой ликвации в штрипсах на механические свойства и служебные характеристики» // Труды Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии СММТ'2009», г. Санкт-Петербург, 24-26 июня 2009 года.

8. Морозова Т.В., Дуб A.B., Марков С.И., Дуб B.C. Влияние структурной неоднородности на физико-механические характеристики трубных сталей. // Металлургия XXI век. Сборник трудов 4-й международной конференции молодых специалистов. М.: ВНИИМЕТМАШ, 2008. с. 38...45.

9. Дуб A.B., Морозова Т.В., Марков С.И., Дуб B.C. Влияние структурной неоднородности на физико-механические характеристики трубных сталей // Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная металлургия». 2008, №5. С. 49...52.

10. Влияние полосчатости и осевой ликвации в штрипсах на механические свойства и служебные характеристики. Дуб B.C., Марков С.И., Казанцев А.Г., Морозова Т.В., Ромашкин А.Н., Казаков A.A., Чигинцев J1.C. // Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». МГТУ имени Н.Э. Баумана, 21-27 сентября 2009 г.

11.0 некоторых подходах при разработке экспрессной методики оценки стойкости стали к стресс-коррозии. Марков С.И., Морозова T.B. II Труды II Международной конференции «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированных сталей», г. Москва, 2010 г.

12. Проблемы и перспективы развития технологии производства стали с целью удовлетворения потребностей трубного производства. Марков С. И., Дуб В. С., Ромашкин А. Н., Морозова Т. В. // Труды Международной научно-технической конференции «Трубы-2010», г. Челябинск, октябрь 2010 г.

13.0 некоторых подходах при разработке экспрессной методики оценки стойкости стали к стресс-коррозии. Марков С.И., Морозова Т.В. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. №1,2011.

- ° 'S —

Заказ №89-р/12/2011 Подписано в печать 22.12.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л.1 ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30

Л

' ^ <: www.cfr.ru ; е-таИ: info@cfr.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Морозова, Татьяна Васильевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Литературный обзор.

1.1 Основные виды разрушений труб магистральных нефте- и газопроводов.

1.2. Влияние качества металла на механические и эксплуатационные свойства, характеризующие стойкость труб к различным видам разрушений.

1.2.1 Влияние качества металла на вязкость и хладостойкость.

1.2.2 Характеристики качества металла, влияющие на усталостные разрушения металла труб.

1.2.3 Факторы, оказывающие влияние на коррозионную стойкость малоуглеродистых низколегированных сталей в сероводородсодержащей среде.

1.3 Обеспечение химической и структурной однородности металла и чистоты по неметаллическим включениям в процессе сталеплавильного и прокатного пределов.

1.3.1 Высокопрочные стали для труб большого диаметра.

1.3.2 Современные требования к штрипсу для труб большого диаметра.

1.3.3 Формирование химической, структурной неоднородности в трубном металле.

1.3.4 Удаление и модифицирование неметаллических включений.

1.3.5 Технологические способы повышения чистоты металла по примесям и неметаллическим включениям в конвертерном производстве.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 Методы, методики и материал исследования.

2.1 Металлографический и микрорентгеноспектральный анализ трубного металла.

2.2 Методики определения прочностных, пластических свойств и характеристик вязкости.

2.3 Методики проведения испытаний для определения характеристик статической и циклической трещиностойкости.

2.4 Методика испытаний склонности металла к деформационному старению.

2.5 Испытания коррозионной стойкости металла в сероводородсодержащей среде.

2.6 Материал исследований.

ГЛАВА 3 Изучение влияния параметров однородности, чистоты по примесям, неметаллическим включениям на механические и эксплуатационные свойства трубных сталей.

3.1 Исследование влияния химического состава на химическую и структурную неоднородность трубного металла.

3.1.1 Исследование ликвации углерода, марганца и фосфора в трубном металле.

3.1.2 Определение требуемого уровня содержания легирующих и примесей для обеспечения повышенной эксплуатационной надежности труб.

3.2 Исследование влияния неоднородности структуры и загрязненности трубного металла неметаллическими включениями на механические и эксплуатационные свойства.

3.2.1 Влияние неоднородности структуры и загрязненности неметаллическими включениями на ударную вязкость металла штрипса и труб.

3.2.2 Влияние качества металла на характеристики статической трещиностойкости.

3.2.3 Влияние качества металла на циклическую трещиностойкость трубных сталей.

3.2.4 Влияние неоднородности структуры на анизотропию характеристик статической и циклической трещиностойкости.

3.2.5 Анализ влияния качества металла на склонность к деформационному старению.

3.2.6 Зависимость коррозионной стойкости труб от уровня качества металла.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 Разработка технологических рекомендаций для получения стали повышенной чистоты по примесям и неметаллическим включениям.

4.1 Обеспечение в стали содержания фосфора не более 0,010%.

4.2 Обеспечение в стали содержания серы не более 0,005%.

4.3 Обеспечение загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями не более 2 балла.

Выводы по главе 4.

Введение 2012 год, диссертация по металлургии, Морозова, Татьяна Васильевна

В настоящее время на стадии проектирования и строительства находится ряд крупных российских и транснациональных трубопроводов. Строительство и эксплуатация новых трубопроводов происходит в гораздо более жестких условиях, чем 10 и более лет назад: при повышенных давлениях до 22 МПа, низких температурах до минус 60°С, с морскими переходами, переходами через водные преграды, прокладка в горных районах и заболоченных территориях, через районы с сейсмической активностью до 9 балла включительно. При эксплуатации трубопроводы подвергаются циклическим нагрузкам, связанным с температурными колебаниями, вибрациями вблизи компрессорных станций и перепадами давления транспортируемой среды. Эксплуатация в чрезвычайно сложных условиях с возможными серьезными последствиями в случае возникновения аварийных ситуаций обусловливает отнесение таких трубопроводов к техногенно опасным системам. Поэтому к ним должны предъявляться очень высокие требования по обеспечению надежности и безопасности их функционирования.

При ужесточении условий прокладки и работы трубопроводов для достижения надежности эксплуатации не достаточно обеспечивать требуемый уровень прочностных (во многих случаях - это класс прочности К60 и выше), пластических свойств и ударной вязкости при заданных температурах монтажа и эксплуатации. Необходимо, чтобы металл труб также обладал высокой трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью. С увеличением толщины стенки трубы (до 40 мм и более) и рабочего давления изменяется характер напряженного состояния стенки трубы, становится значимой величиной составляющая напряжения в г-направлении, что при наличии анизотропии свойств в данном направлении может стать причиной разрушения трубопроводов.

С увеличением проектного срока эксплуатации трубопроводов до 50 лет при выборе материалов для изготовления труб в обязательном порядке необходимо учитывать склонность металла к деградации свойств в процессе эксплуатации. Жесткие требования к металлу могут быть удовлетворены путем строгой регламентации в технических условиях характеристик качества металла, предельно допустимые значения которых должны устанавливаться на основе их корреляционной связи с механическими и эксплуатационными свойствами, определяющими надежность трубопровода. Одним из путей обеспечения высоких механических и эксплуатационных свойств является управление качеством трубного металла, в том числе закладываемого в процессе металлургического производства.

В связи с этим актуальным является комплексное исследование факторов, оказывающих влияние на механические и эксплуатационные свойства, выявление способов их повышения и оптимального сочетания в процессе металлургического передела для обеспечения надежности и долговечности эксплуатации магистральных нефтегазопроводов.

Цель работы Установить комплекс характеристик качества металла и разработать технологию производства стали, обеспечивающие повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.

Поставленную цель достигали через решение следующих задач:

1. определение комплекса характеристик качества металла, выявление их взаимосвязи со свойствами, определяющими надежность эксплуатации магистральных трубопроводов (прочностными, пластическими свойствами, ударной вязкостью, трещиностойкостью при статических и циклических нагрузках, коррозионной стойкостью и склонностью к деградации свойств, в том числе в средах, содержащих сероводород, анизотропией свойств);

2. исследование влияния химического состава и технологических параметров выплавки на характеристики качества трубных низколегированных низкоуглеродистых сталей;

3. выбор и обоснование технологических рекомендаций по выплавке стали с характеристиками качества, обеспечивающими повышенную эксплуатационную надежность магистральных трубопроводов.

Научная новизна

1. Установлен комплекс характеристик качества металла, позволяющих обеспечить повышенный уровень эксплуатационной надежности труб: параметры однородности -полосчатость структуры не более 2 балла, химическая неоднородность макроструктуры не более 2 балла и микроструктуры не более 2 класса; чистота металла по неметаллическим включениям (оксидам - не более 2 балла, сульфидам - не более 1 балла).

2. Показано, что для достижения указанного уровня характеристик качества металла необходимо одновременно ограничивать содержание углерода (не более 0,08%), марганца (1,3-1,5%), фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), кислорода (не более 0,0020%).

3. Впервые установлено качественное и количественное влияние перечисленных характеристик качества металла на комплекс механических и эксплуатационных свойств, определяющих надежность эксплуатации магистральных трубопроводов: ударную вязкость, статическую и циклическую трещиностойкость, коррозионную стойкость, в том числе в сероводородсодержащих средах, стойкость к деформационному старению и анизотропию свойств в тангенциальном, осевом и г-направлениях.

Показано, что чистота стали по оксидным неметаллическим включениям не более 2 балла и полосчатость структуры не более 2 балла являются необходимыми условиями для обеспечения уровня ударной вязкости при отрицательных температурах не менее 200-250 Дж/см2.

Установлено, что металл с повышенными характеристиками качества имеет:

- в 1,5-3 раза большую величину критического 1-интеграла (7С) и до 3,5 раз большую величину критического раскрытия в вершине трещины 8С при испытаниях статической трещиностойкости;

- скорость роста трещины до 5 раз меньше при испытаниях циклической трещиностойкости;

- меньшую склонность к деградации свойств: снижение ударной вязкости КСУбо при деформационном старении падает на величину в 3 раза меньшую - 50 Дж/см2;

- более высокую стойкость к общей коррозии в водной среде: не более 0,01 мм/год в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,04-0,09 мм/год;

- повышенную стойкость к питтинговой коррозии: 1,2-1,3 г/м2 ч по отношению к трубам в обычном исполнении, скорость коррозии которых находится в интервале 1,5-2,0 г/м2-ч;

- высокую стойкость к водородному растрескиванию, характеризующуюся минимальной протяженностью образующихся трещин (коэффициент длины трещины СЬЫ не более 1,5%, и коэффициент толщины трещины СТЯ=0%);

- большую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением: условное пороговое напряжение составляет не менее 0,85от в сравнении с трубами в обычном исполнении - 0,65ат.

Практическая значимость

1. Разработаны технологические мероприятия, эффективность которых подтверждена на серии опытно-промышленных плавок, по получению стали с низким содержанием фосфора (не более 0,010%), серы (не более 0,005%), с высокой чистотой по неметаллическим включениям (оксиды не более 2 балла, сульфиды - не более 1 балла).

2. На основании разработанных требований к трубным сталям внесены соответствующие изменения в проекты нормативных документов:

- стандарт ОАО «АК «Транснефть», «Трубы нефтепроводные большого диаметра. Общие технические требования»;

- проект ГОСТ Р «Национальный стандарт РФ. Трубопроводы магистральные. Общие технические требования на трубы».

3. Результаты исследований использованы при разработке новых методик, позволяющих оценивать структурную неоднородность сталей с феррито-бейнитной структурой:

- «Методика оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью эталонных шкал», 2007 г.;

- «Методика количественной оценки структурной полосчатости низколегированных трубных сталей с помощью автоматического анализа изображений», 2007 г.

4.Получен патент на «Способ внепечной обработки», №2362811 от 23.10.2007.