» » Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов
24.01.2015

Производство проката повышенной прочности и хладостойкости толщиной 30 мм и более является весьма сложной задачей, поскольку прочностные свойства и характеристики сопротивления разрушению ухудшаются с увеличением толщины проката. Это обусловлено рядом факторов: снижением скорости охлаждения, повышением требуемого времени выдержки, снижением суммарной степени деформации и др.
В условиях стана 3600 MK «Азовсталь» установлены закономерности влияния параметров контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения на структуру и свойства листового проката из стали 10Г2ФБЮ больших толщин (до 34 мм). Полученные результаты (рис. 4.6) показывают, что увеличение толщины листа от 15,7 до 34 мм при постоянном режиме КП приводит к снижению предела текучести на 70-110 Н/мм2, при этом порог хладноломкости Т50 повышается на 30-35 °С. Эффект упрочнения от ускоренного охлаждения с увеличением толщины листа также несколько снижается, однако применение этого технологического приема достаточно эффективно и для листов толщиной 34 мм: 35-45 Н/мм2 по пределу текучести и 25-35 Н/мм2 по временному сопротивлению.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

С точки зрения формирования структуры необходимо решить две проблемы: формирование требуемой структуры аустенита в процессе деформации (ограничивается возможностями оборудования, сечением исходной заготовки и др.) и формирование требуемой структуры при (γ-α)-превращении в процессе ускоренного охлаждения (ограничивается теплопроводностью металла и возможностями охлаждающего оборудования).
Следует сказать, что попытки производства проката толщиной 30 мм по технологии контролируемой прокатки с завершением в (γ+α)-области предпринимались, но при этом возникают противоречия: для повышения прочности и снижения порога хладноломкости приходилось применять очень низкие температуры окончания прокатки (670 и даже 650 °С), что приводило к снижению производительности, повышению нагрузок на стан и снижению ударной вязкости (рис. 4.7). В целом очень трудно было достичь баланса свойств. Есть данные, что наиболее развитые компании, имеющие технологические «ноу-хау», все-таки способны произвести такой прокат.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Итак, переход к большим сечениям требует специальных подходов: самое простое — увеличить толщину сляба, но это только возможность, ее надо реализовать для полного использования рекристаллизации (ограничивается энергосиловыми параметрами клети), возможны использование оксидной технологии и попытка внутризеренного формирования игольчатого феррита; не исключается применение рекристаллизационной контролируемой прокатки (при невысоких требованиях по хладостойкости) и конечно, оптимальное легирование в зависимости от толщины проката и разработка технологических «ноу-хау».
За последние 30 лет морская добыча нефти и газа получила широкое развитие и в настоящее время превышает 20% мировой добычи. Значительная часть подводных трубопроводов пролегает в наиболее освоенных районах морской добычи нефти и газа — Мексиканском заливе, Калифорнии и Северном море. К примеру, темпы укладки морских трубопроводов в Северном море составляют 600-800 км/год. Активное строительство подводных трубопроводов ведется также на побережьях Бразилии, Австралии, Индонезии, Малайзии, Сингапура, Африки и Аляски. Последний проект — «Норд Стрим» — по дну Балтийского моря. Важнейшей задачей металлургического комплекса является создание сталей для толстостенных труб, сочетающих требуемый уровень прочности, вязкости, свариваемости и ряд специальных требований по предотвращению коррозии.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Сталь класса прочности Х65 (трубопровод в Северном море) характеризуется низким содержанием углерода, добавками элементов, повышающих устойчивость аустенита (Ni, Mo, Cu), и микролегирующих элементов (табл. 4.4).
Серьезная проблема для изготовителей труб и предприятий, занимающихся прокладкой трубопроводов в прибрежном шельфе, связана с трубопроводами для значительных морских глубин. Изготовление труб с толщиной стенки до 41 мм и неблагоприятным соотношением толщины стенки и диаметра трубы обусловливает большие требования к оборудованию и технологиям.
Освоение на шельфе месторождений природного газа с высоким содержанием кислых компонентов потребовало использования сталей, стойких против сероводородного растрескивания. Прочность большинства этих сталей ограничена уровнем Х65 и трубы имеют довольно толстые стенки. В табл. 4.5 приведены данные о свойствах трубных сталей промышленного производства для трубопровода, прокладываемого по дну Северного моря. Получен узкий диапазон разброса не только химического состава, но и конечных свойств.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Химический состав сталей 1522 промышленных плавок (среднее содержание и стандартное отклонение, соответственно в мае. %): С — 0,037 и 0,004; Si — 0,31 и 0,015; Mn — 1,340 и 0,0223; P — 0,012 и 0,0018; S — 0,0008 и 0,00015; Al — 0,038 и 0,005; Mo — 0,010 и 0,005; V — 0,070 и 0,005; Nb — 0,044 и 0,002; N — 0,0038 и 0,0007.
В 1995 г. ФГУП «ЦНИИчермет» им. И.П. Бардина (руководитель работы Ю.Д. Морозов) с целью подготовки к производству труб для подводного газопровода от Штокманского месторождения была предложена сталь класса прочности К55 и опробована технология производства толстолистового проката толщиной 30 мм в ОАО «Ижорские заводы» и труб (диаметр 720 мм) в ОАО «Выксунский металлургический завод».
Сталь имела небольшое содержание Mn (0,85%), содержала добавки Nb, Mo (0,05%), Cr (0,16%), Ni (0,21%) и Cu (0,11%) и отличалась высокой чистотой по сере (≤ 0,003%) и фосфору. Технология производства проката на стане 5000 включала завершение прокатки при 830-790 °С, после чего прокат ускоренно охлаждали до температуры 600 °С, затем складывали в стопу и медленно охлаждали.
Листовой прокат по своим свойствам отвечал требованиям класса прочности К55. Микроструктура стали ферритно-перлитная. Величина ферритного зерна соответствовала 8-10 номерам по ГОСТ 5639-82, перлитная полосчатость соответствует баллу 2. Твердость металла составляет 158-167 HV10. Механические свойства опытной стали класса К55 приведены ниже (в числителе — пределы значений, в знаменателе — среднее):
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

В результате трубного передела временное сопротивление основного металла труб практически не изменилось, предел текучести повысился в среднем на 20 Н/мм2, величина относительного удлинения уменьшилась в среднем на 1,8% (абс.), величина ударной вязкости и доли вязкой составляющей образцов ИПГ (DWTT) практически не изменилась. Была проверена стойкость стали к сероводородному растрескиванию: показатели длины и толщины трещин (CLR и CTR) были равны нулю, а пороговое напряжение составило 0,7σт.
В 1994 г. Россия приступила к разработке и реализации уникального проекта прокладки газопровода «Голубой поток», подводная глубоководная часть которого проходит по дну Черного моря. Максимальное рабочее давление газопровода — 25 МПа. Для строительства подводной части газопровода «Голубой поток» были использованы трубы класса прочности Х65 диаметром 610 мм с толщиной стенки 31,8 мм.
Испытания на HIC и SSCC трубы из стали класса прочности Х65 показали, что основной металл трубы Х65 показал высокую стойкость к водородному и сероводородному растрескиванию. Уровень порогового напряжения сероводородного растрескивания для основного металла трубы выше 0,8 от нормативного значения предела текучести. Пороговое напряжение металла трубы Х65 в зоне термического влияния также составляет 0,8σ0,2. Оба показателя склонности к сероводородному растрескиванию (CLR и CTR) были равны нулю.
Идея создания использованных составов сталей — пониженное содержание углерода, микролегирование, добавки элементов, повышающих устойчивость аустенита, в случае требований по стойкости к сероводородному растрескиванию — пониженное содержание углерода и марганца и высокая чистота по сере и фосфору. Естественная идея в этом случае — оптимизировать состав стали таким образом, чтобы в толстых сечениях проката получить заданную структуру, например ферритно-бейнитную. Результаты промышленных экспериментов с использованием сталей разработанных составов на стане 5000 ОАО «Северсталь» с применением ускоренного охлаждения приведены в табл. 4.6 и 4.7, а также на рис. 4.8. Из приведенных данных видно, что результаты очень хорошие, однако использованные композиции легирования могут оказаться слитком дорогими.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Для проекта «Сахалин» возникла необходимость в производстве кондукторных труб диаметром 762 мм с толщиной стенки 38,1 мм класса прочности Х56. Кондукторные трубы используются в качестве элементов конструкции скважин при разработке шельфовых газовых и нефтяных месторождений. Необходимо отметить, что они должны работать в районах с сейсмичностью до 9 баллов, при особо низких температурах (до -40 °С) в условиях дополнительных нагрузок и деформаций.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Для решения этой задачи были разработаны оптимальный режим ускоренного охлаждения и экономичный химический состав стали Х56, мас. %: 0,06-0,08 С; 0,26-0,31 Si; 1,55-1,63 Mn; 0,003-0,007 S; 0,006-0,010 Р; 0,010-0,016 Ti; 0,044-0,050 Nb; 0,024-0,046 V.
Ускоренное охлаждение листов после завершения деформации осуществляли в интервале температур 750-770 — 570-600 °C со среднемассовой скоростью 12-16 °С/с. Кривые охлаждения, рассчитанные по модели ВНИИМТ для листов толщиной 38,1 мм в УКО стана 5000, приведены на рис. 4.9. Благодаря оптимизации технологии, несмотря на большую толщину, после ускоренного охлаждения была получена достаточно мелкозернистая микроструктура как у поверхности, так и в середине сечения листа (рис. 4.10).
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Микроструктура у поверхности листа представляет собой смесь мелкозернистого неполигонального феррита балла 10-11 по ГОСТ 5639, небольшого количества равномерно распределенного вырожденного перлита (1-2%) и бейнита (~3-5%). В середине сечения проката структура ферритно-перлитная, феррит полиэдрический, номер зерна 8-9, полосчатость — балл 1. Механические свойства листов приведены в табл. 4.8.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

При строительстве подводных трубопроводов диаметром до 1220 мм на давление до 200 атм. (например, проект «Nord Stream») к металлу предъявляются высокие требования: класс прочности Х70 (SAWL 485 IDF), работа удара KV не менее 150 Дж при -10 °С; не менее 80 Дж при -30°С для основного металла труб и не менее 50 Дж для сварного соединения.
В табл. 4.9-4.11 представлены результаты исследований структуры и свойств двух партий проката и труб.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Микроструктура образца № 50 (исследования проведены совместно с О.Н. Чевской, В.И. Изотовым) характерна для листов, прокатанных с окончанием деформации в (γ+α)-области (рис. 4.11, а). Микроструктура неоднородная, с явно выраженной структурной полосчатостью (до балла 3). Ферритные зерна деформированные, вытянутые в направлении прокатки. Количество полигонального феррита от поверхности к центру уменьшается, средний размер зерна феррита и доля продуктов промежуточного превращения увеличиваются. Объемная доля феррита в различных участках вблизи поверхности листа составляет от 70 до 80%, в центральной части уменьшается до 50%. В осевой зоне наблюдаются крупные участки предположительно верхнего бейнита, возможно также наличие участков мартенсита. Вблизи поверхности образца обнаружен протяженный участок грубоигольчатой структуры (предположительно бейнит и мартенсит). Зерно феррита вблизи поверхности мелкое, соответственно № 11 и 12, на 1/4 толщины трубы и в осевой зоне значительно крупнее соответственно № 9 и 10. При электронно-микроскопическом наблюдении в зернах феррита выявляются малоугловые субграницы (С.Г.), параллельные плоскости прокатки (рис. 4.12, а), а также глобулярные частицы размером 0,1-0,2 мкм (100-200 нм). Большая часть полос темнотравящейся фазы представляет собой бейнит (см. рис. 4.12, б) с пластинами цементита нескольких ориентировок. Некоторую долю объема полос занимает перлит.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Микроструктура образца № 05 (см. рис. 4.11, б), существенно отличается от структуры образца металла № 50. Данная структура характерна для листов, прокатанных с окончанием деформации в γ-области с последующим ускоренным охлаждением. Структура представляет собой практически полностью бейнитный феррит. Структура достаточно однородна по сечению трубы, оценочно зерно мельче № 12. Структурная полосчатость отсутствует. В осевой зоне обнаружены участки более грубой игольчатой структуры — предположительно верхнего бейнита или мартенсита.
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

При электронно-микроскопическом исследовании надежно идентифицируются фазы, представленные на рис. 4.13: реечный мартенсит и мелкозернистый феррит. Ha границах ферритных зерен имеются выделения цементита в виде коротких фасеток. Однако основную долю структуры образца № 05 составляет неполигональный феррит (рис. 4.14, а). В структуре также наблюдается пластинчатый бейнитный феррит. Ha границах пластин содержатся выделения высокоуглеродистых фаз: тонких колоний перлита или отдельных пластинок цементита (см. рис. 4.14, б).
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов

Рассмотрим также в качестве примера две стали для современных подводных трубопроводов. Химический состав этих сталей приведен в табл. 4.12, из которой видно, что стали характеризуются низким содержанием углерода и вредных примесей, оптимально микролегированы; в состав стали введены добавки Cr, Ni, Cu (Mo) в различных сочетаниях для повышения устойчивости аустенита. Такой состав в сочетании с оптимальной технологией термомеханической прокатки обеспечивает сочетание высоких показателей прочности, вязкости и хладостойкости (табл. 4.13; рис. 4.15).-
Стали для толстостенных труб, в том числе для подводных трубопроводов