Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Разработка требований к металлу труб строится с учетом многогранности концепции надежности магистральных нефтегазопроводов. Перечень требований к металлу для современных труб включает следующие показатели, варьируемые в зависимости от параметров, назначения и степени ответственности газопроводов: временное сопротивление; предел текучести; относительное удлинение; твердость HV; ударная вязкость на образцах с острым (Шарпи (KCV)) и круглым (Менаже (КCU)) надрезами; доля вязкой составляющей в изломе образцов ИПГ (DWTT); доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов; стойкость к водородному растрескиванию (HIC); стойкость к сероводородному растрескиванию под напряжением (SSCC); величина зерна; балл полосчатости микроструктуры; балл сегрегационной неоднородности; загрязненность неметаллическими включениями; содержание серы, фосфора и азота; величина углеродного эквивалента (Cэ) и параметра трещиностойкости при сварке (Pст); величина критического раскрытия трещины CTOD; сплошность, выявляемая УЗ-контролем, и др. С повышением параметров и усложнением условий эксплуатации трубопроводов значения перечисленных выше характеристик возрастают, и для их достижения требуются разработка и применение все более совершенных металлургических технологий.
Требования появились не сразу, это происходило по мере понимания особенностей эксплуатации трубопроводов и изменения их параметров. В работе рассмотрены события, оказавшие существенное влияние на развитие требований к трубным сталям за последние 60 лет.
- 1960-й год — хрупкое разрушение североамериканского газопровода на протяжении 13 км, послужившее основанием для введения требования по доле вязкой составляющей в изломе образцов — DWTT (ИПГ).
- 1968-1969 годы — обнаружение явления вязкого разрушения в предположительно трещиностойких трубопроводах и введение требований по минимальной величине работы разрушения на образцах Шарпи (KCV).
- 1970-й год — предложение о строительстве газопровода на Аляске и севере Канады из стали класса прочности Х80 (σт>551 МПа) с гарантированной ударной вязкостью при -69 °С.
- 1972-й год — разрушение трубопровода в Персидском заливе, транспортировавшего Н2S-содержащий газ и введение испытания на стойкость к сероводородному растрескиванию (HIC) согласно стандарту NACE TM 02-84.
- 1978-й год — стресскоррозионные разрушения новых трубопроводов в Австралии и Канаде, введение более жесткого металлургического контроля и нанесение усовершенствованного наружного покрытия.
- 1998-й год — появление потребности в трубопроводах для транспортировки газа с очень высоким рабочим давлением из отдаленных районов и разработка высокопрочных трубных сталей (до Х120).
Конкретные требования к сталям изложены в стандартах, СНиП, их ТУ и конкретных спецификациях на поставку продукции.
Вся история создания сталей для труб большого диаметра (ТБД) является историей повышения требований потребителей по свойствам металла и соответствующих разработок новых подходов к созданию сталей с использованием тех или иных механизмов формирования структуры. Первоначально речь шла о повышении прочности, далее все большее внимание обращалось на сопротивление разрушению, поэтому разработки велись в направлнии использования механизмов, обеспечивающих наилучшее соотношение характеристик упрочнения и охрупчивания.
В первоначальный период развития трубопроводного транспорта в СССР (в начале 50-х годов XX в.) для изготовления труб магистральных газопроводов применяли горячекатаные стали, прочностные свойства которых обеспечивались за счет повышенного содержания углерода и марганца или хрома. Стали соответствовали классам прочности Х42-Х46 по стандарту API 5L и обладали невысокой ударной вязкостью. Для экспандированных труб диаметром до 1020 мм применяли сталь марки 19Г, для горячеправленых труб — сталь 14ХГС. Указанные стали (особенно 19Г) имели повышенную склонность к хрупкому разрушению, известны случаи протяженных разрушений газопроводов. Параметры некоторых сталей приведены в табл. 4.1.
В середине 60-х годов для газонефтепроводных труб диаметром до 1220 мм на давление 5,5 МПа были созданы низколегированные Si-Mn-стали на основе твердорастворного упрочнения (горячекатаные и нормализованные) с уровнем временного сопротивления не более 510 Н/мм2 (17ГС, 17Г1С), которые позже были усовершенствованы (нормализованная сталь марки 17Г1С-У с содержанием серы не более 0,020%). Повышение прочностных свойств (до классов прочности К52 или Х52) обеспечивалось за счет увеличения содержания марганца, некоторое улучшение ударной вязкости — за счет снижения содержания углерода. Температура эксплуатации труб из таких сталей была не ниже 0/-5 °С.
Опыт производства и применения низколегированных Si-Mn-сталей для газопроводных труб показал, что дальнейшее повышение их прочности за счет увеличения содержания углерода и элементов, входящих в твердый α-раствор, не представляется возможным ввиду ухудшения вязкости и свариваемости. Поэтому развитие сталей шло по пути использования дисперсионного упрочнения и измельчения зерна феррита за счет микролегирования ванадием в сочетании с повышенным (до 0,025%) содержанием азота. Низколегированные стали третьего поколения (с конца 60-х годов) с карбонитридным упрочнением (нормализованные стали 14Г2САФ, 16Г2САФ, 17Г2АФ, 14Г2АФ-У) имели временное сопротивление 550-590 Н/мм2 (соответствовали классам прочности Х56-Х65).
Указанные стали по комплексу свойств (прочность, ударная вязкость, пластичность, свариваемость) существенно превосходили Si-Mn-стали. Высокие свойства вязкости достигались также в результате снижения содержания серы (до 0,008% в стали марки 14Г2АФ-У) и контроля формы сульфидных включений. Наряду с традиционными технологиями при производстве сталей третьего поколения началось использование выплавки в кислородных конвертерах с непрерывной разливкой, для сталей отдельных марок использовали обработку в ковше жидкими синтетическими шлаками. Однако с точки зрения предотвращения возможности лавинных разрушений нормализованные стали не отвечали предъявляемым требованиям вследствие невысоких характеристик сопротивления хрупкому разрушению (например, по доле вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ (DWTT).
Параллельно с целью повышения сопротивления хрупкому разрушению и свариваемости металла для труб с временным сопротивлением 510-540 Н/мм2 была создана группа экономнолегированных сталей 13ГС, 13Г1С-У, подвергаемых термомеханической прокатке, которые характеризовались пониженным содержанием углерода, повышенной чистотой по сере (до 0,007%) и микролегирующей добавкой титана. Это была попытка максимально измельчить зерно стали с использованием достаточно простой схемы легирования, однако теоретически и практически было установлено, что для максимального измельчения зерна требуется оптимизировать состав стали, что было реализовано в сталях четвертого поколения.
Здесь следует сделать важную ремарку: развитие сталей показало, что химический состав стали и технология производства проката неразрывно связаны между собой — идея, композиция легирования и конкретный состав стали разрабатываются с учетом технологической схемы производства проката.
Трубные стали четвертого поколения — малоперлитные стали с добавками карбонитридообразующих элементов, подвергаемые термомеханической прокатке, были созданы на базе зернограничного, субструктурного и дисперсионного упрочнения (гарантированный уровень временного сопротивления 550-590 Н/мм2), например стали 09Г2ФБ, 10Г2ФБ, из которых изготавливали трубы с минимальной температурой эксплуатации от -15 до -20 °С. В связи с уникальным влиянием ниобия на процессы структурообразования при горячей деформации (рекристаллизация, рост зерна, дисперсионное твердение) его используют для микролегирования практически всех сталей четвертого поколения. Первоначальная идея при создании этих сталей: эффективное использование двух основных механизмов упрочнения — зернограничного и дисперсионного упрочнения. Дальнейшие работы показали, что требуется улучшить комплекс свойств, в первую очередь с точки зрения соотношения прочности и сопротивления разрушению, что требовало использования дополнительных структурных механизмов. Здесь технологии развивались по двум направлениям:
— применение субструктурного упрочнения и формирование текстуры в феррите (проведение деформации в (γ+α)-области);
— упрочнение превращением (использование ускоренного охлаждения металла после прокатки с завершением γ-области).
Дальнейшее развитие сталей шло в направлении создания низколегированных сталей, например 03Г2БТР, 08Г2МФБ, 08Г2ФБТ и др., с иными типами структур (безуглеродистого бейнита, ферритно-бейнитной) с временным сопротивлением до 640 Н/мм2.
В дальнейшем требования усложнялись и можно выделить следующие основные направления развития сталей (и технологий):
— высокопрочные стали — К65 (Х80) и выше;
— стали для толстостенных труб (например, для подводных трубопроводов);
— стали для труб с особыми требованиями (стойкие к сероводородному растрескиванию, повышенной стойкости к стресскоррозии и др.)
Развитие технологии на деформационном переделе происходило по следующим основным направлениям:
— горячая прокатка без регулирования температурно-деформационных параметров (горячекатаное состояние);
— горячая прокатка с последующей нормализацией для измельчения зерна феррита (выделения дисперсных фаз в микролегированных сталях);
— термомеханическая прокатка с завершением деформации в (γ+α)-области, где происходят наклеп и последующая полигонизация феррита, кроме того, формируется кристаллографическая текстура, являющаяся фактором достижения высоких значений доли вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ (DWTT) при отрицательных температурах.
С точки зрения структурных механизмов упрочнения развитие сталей происходило в направлении увеличения вклада зернограничного механизма упрочнения и прочих механизмов, вызывающих наименьшее удельное охрупчивание:
— твердорастворное упрочнение и упрочнение за счет формирования перлита;
— то же + измельчение зерна (нормализация);
— то же + более эффективное измельчение зерна и дисперсионное упрочнение;
— твердорастворное упрочнение + измельчение зерна + субструктурное упрочнение + дисперсионное упрочнение + формирование кристаллографической текстуры (термомеханическая прокатка с завершением в (γ+α)-области).
ЦНИИчерметом им. И.П. Бардина совместно с металлургическими предприятиями был разработан и внедрен ряд сталей, подвергаемых контролируемой прокатке: 09Г2ФБ, 10Г2ФБ, 10Г2ФБЮ и других с гарантированным уровнем временного сопротивления 550-590 Н/мм2 и температурой эксплуатации труб от -15 до -20 °C. Развитие сталей сопровождалось совершенствованием металлургической технологии на всех переделах, что привело к созданию комплексной технологической цепочки производства высококачественной стали и проката, включающей: десульфурацию чугуна, комплекс внепечной обработки, обеспечивающей высокую степень чистоты металла, регулирование температуры и химического состава металла в узких пределах, непрерывную разливку с защитой струи и термомеханическую прокатку на специализированных прокатных станах. Указанные стали классов прочности К56-К60 для проката толщиной не более 20-22 мм были разработаны для технологической схемы низкотемпературной контролируемой прокатки с охлаждением на воздухе.
Вернемся к связи состава стали и технологии производства; вывод один — нельзя химический состав стали рассматривать в отрыве от применяемых технологии и оборудования. Химический состав стали с заданным комплексом свойств определяется наличием оборудования в конкретном производстве, начиная со сталеплавильного передела. Прямой перенос получения определенной марки стали с одного предприятия на другое без учета технологических особенностей невозможен. Поэтому, например, для труб класса прочности К52 в зависимости от требований и технологии производства в 90-х годах XX в. в России использовали до девяти марок стали. Несовершенство оборудования приходилось компенсировать изменением состава стали (в сторону повышения степени легирования) и усложнением технологии. Специфика применяемого оборудования влияет на состав стали:
1) отсутствие средств для глубокой десульфурации стали и неприспособленный для контролируемой прокатки прокатный стан обусловливают необходимость проведения термической обработки, что требует повышения содержания углерода и легирующих элементов;
2) микролегирование (например, ниобием) позволяет скомпенсировать некоторые недостатки прокатного передела (производить прокатку на маломощном оборудовании);
3) применение контролируемой прокатки дает возможность уменьшить содержание углерода и легирующих элементов;
4) если в технологической схеме применяется КП + ускоренное охлаждение, химический состав стали также необходимо изменять (снижать содержание углерода, изменять систему легирования для оптимизации формы термокинетической диаграммы превращения);
5) прокатка на непрерывном широкополосном стане (НШС) требует специфической композиции легирования, поскольку отличается температурный режим прокатки и присутствует медленное охлаждение смотанного рулона;
6) при вводе титана в состав трубной стали он связывает азот, следовательно, позволяет снизить температуру растворения ниобия, а также способствует формированию мелкого зерна в ОШЗ сварного соединения и позволяет эффективно контролировать размер зерна при нагреве под прокатку.
Четкие тенденции развития (и использования идей) можно проследить и на примере стали отдельных классов прочности, например К52. Как уже упоминалось, сталь типа 17Г1С-У применяется уже несколько десятилетий. Ее основные характеристики:
— содержание углерода до 0,2%, углеродный эквивалент до 0,46;
— повышенная прочность благодаря более высокому содержанию углерода (а также кремния и марганца);
— при имевшемся в то время уровне технологии и содержании серы удовлетворительная вязкость, достигаемая применением термической обработки;
— низкое сопротивление хрупкому разрушению при ИПГ;
— низкая ударная вязкость сварного соединения; повышенная твердость в зоне термического влияния при сварке;
— повышенная тенденция к образованию поверхностных и внутренних трещин, что ведет к дополнительным операциям (зачистка, контроль и др.) и потерям металла.
Уже в 80-е годы XX в. сталь 17Г1С-У перестала удовлетворять требованиям ОАО «Газпром» по свариваемости, сопротивлению хрупкому разрушению и другим показателям, кроме того, требовалось проведение термической обработки, что повышало ее себестоимость. Возникла необходимость в более современных сталях, обладающих более высоким комплексом свойств, а также улучшенными характеристиками сплошности по результатам УЗК и низкой склонностью к образованию осевой сегрегационной неоднородности, улучшенной свариваемостью.
В это время уже были сформулированы основные тенденции развития сталей для газопроводных труб:
— снижение содержания углерода;
— повышение степени чистоты по вредным примесям;
— рациональное микролегирование (при TMO наилучшие результаты при использовании ниобия);
— прочность и хладостойкость, достигаемые эффективным измельчением зерна при контролируемой прокатке.
В начале 80-х годов в ЦНИИчермете им. И.П. Бардина были разработаны стали марок 13ГС и 13ГС-У, имеющие более низкий углеродный эквивалент по сравнению со сталью 17Г1С-У и поставляемые с гарантией 80% доли вязкой составляющей в изломе образцов DWTT при температурах 0 и -15 °C после контролируемой прокатки.
Мелкозернистая структура, формируемая при контролируемой прокатке в комплексе с повышенным уровнем чистоты по сере и фосфору и пониженным содержанием углерода, обеспечивает повышенную вязкость и хладостойкость.
Для повышения хладостойкости и стабилизации технологии техническими условиями ТУ 14-1-3636-96 было предусмотрено микролегирование стали марок 13ГС, 13Г1С-У ниобием. Микролегирование позволяет стабильно получать требуемый комплекс свойств (особенно хладостойкость), не применяя «жестких» (низкотемпературных) режимов контролируемой прокатки.
В 1992-1993 гг. ЦНИИчерметом совместно ОАО «НОСТА» была создана ниобийсодержащая сталь марки 12ГСБ для изготовления газонефтепроводных труб класса прочности К52. В листах толщиной 9-14 мм гарантировано более 60% вязкой составляющей в изломе образцов DWTT при температуре -20 °С.
Сталь марки 08ГБЮ предназначена для производства электросварных труб северного исполнения диаметром до 1020 мм включительно с толщиной стенки от 5 до 12 мм. Она характеризуется повышенной хладостойкостью, гарантированным уровнем KCW-40 ≥ 59 Дж/см2 и свариваемостью без ограничений (Сэ не более 0,38).
В настоящее время при производстве проката класса прочности К52 для электросварных труб большого диаметра используют, например, сталь следующего состава: 0,06% С, 1,2% Mn, 0,04% Nb и после контролируемой прокатки на НШС с последующим ускоренным охлаждением в прокате толщиной 11 мм обеспечивают требуемые структуру и свойства (рис. 4.1).