Содержание
Введение
1. Состояние мирового и отечественного производствастальных труб
2. Виды труб для магистальныхтрубопроводов
3. Получение трубной стали контролируемой прокаткой
4. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения
Вывод
Список используемой литературы
Введение
Современной тенденцией на рынке горячекатаного проката являетсярасширение его номенклатуры при одновременном ужесточении требований по качествупродукции. В полном объеме удовлетворить эти требования возможно путем комплексногоподхода к определению технологических параметров производственного процесса.
К параметрам технологии контролируемой прокатки с последующимускоренным охлаждением относят режим и температуру нагрева металла под прокатку,температуру начала прокатки, величину суммарной деформации, схему прокатки в черновойгруппе клетей, подстуживание раската на промежуточном рольганге, температуру окончанияпрокатки в чистовой группе клетей, а так же режим охлаждения на отводящем рольганге.Разрабатывая рациональные температурно-деформационные режимы прокатки, необходимоопределять статистические зависимости, описывающие потребительские свойства готовойпродукции /1/.
Развитие технологии контролируемой прокатки обусловлено переходомк использованию трубопроводов в условия низких температур, на больших глубинах иагрессивных средах, а в ряде случаев и с учетом влияния разрушающих воздействий.В зависимости от места прокладки к служебным свойствам труб предъявляют различныетребования. Вид, конструкция, химический состав транспортируемой среды так же оказываетбольшое внимание на выбор соответствующих сталей.
1. Состояние мирового и отечественного производствастальных труб
В настоящее время производственные мощности стальных труб в миреоцениваются примерно в 90 млн. т. и объединяют более 500 трубных компаний, имеющихболее 900 производственных площадок /3/.
За последние годы лидирующие позиции в производстве стальныхтруб занимает Китай с устойчиво высокими темпами роста (более 12%), что позволялоза пять лет удвоить производство труб в этой стране, достигнув уровня выпуска ~22 млн. т/год.
Для трубного производства в России последние годы характерныпостоянно растущим спросом рынка на трубную продукцию, особенно в период 2005-2007гг. В 2008 г. основные тенденции производства стальных труб в России, характерныедля 2007 г., сохранились. По прогнозам, потребление стальных труб в России на 2010 г. достигнет 10.5 млн. т.
Доля сварных труб в общем объеме их выпуска в России, а так жеКитае, Германии, Франции находится на одном уровне (53-58%), что свидетельствуето рациональной структуре производства труб в России.
В настоящее время Россия является крупнейшим мировым производителеми потребителем стальных труб, занимая третье место после Китая и Японии.2. Виды труб для магистральных трубопроводов
В мировой практике применяют следующие виды труб для магистральныхтрубопроводов /5/:
1. Бесшовные магистральные трубы изготавливают диаметром от 25до 710 мм с толщиной стенки 3-100 мм из круглых непрерывнолитых слитков.
Бесшовные магистральные трубы применяют для прокладки трубопроводовна большой глубине. Бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы используютдля бурения месторождения газа и нефти.
К бесшовным трубам предъявляются следующие требования: стабильноузкий диапазон значений придела текучести, высокая вязкость, высокие коррозионныесвойства, хорошая свариваемость и высокая сопротивляемость знакопеременным нагрузкамна изгиб. Эти требования обеспечиваются химическим составом сталей с низким значениемуглеродного эквивалента и низким содержанием углерода, наличие марганца, хрома,меди и никеля — легирующих элементов, а также ниобия и титана — микролегирующихэлементов.
2. Спиральные трубы большого диаметра изготавливают диаметром355-2540 мм с толщиной стенки 4.5-23 мм.
Спиральные трубы используют для магистральных трубопроводов вАфрике, Азии, на Ближнем Востоке, в Германии, Перу, Канаде.
К спиральным трубам предъявляют следующие требования: высокаяточность труб по овальности, высокое качество сварного шва, стабильно узкий диапазонзначений придела текучести, высокая вязкость, высокие коррозионные свойства, хорошаясвариваемость и высокая сопротивляемость знакопеременным нагрузкам на изгиб.
3. Прямошовные трубы изготавливают диаметром в диапазоне от 508до 1626 мм и толщиной стенки от 7 до 41 мм.
Прямошовные трубы используются чаще, так как у них более короткийсварной шов. Требования к качеству аналогичны, что и у спиральных трубопроводов.3. Получение трубной стали контролируемой прокаткой
Контролируемая прокатка — разновидность термомеханической обработки,она представляет собой обработку металла давлением, регламентируемую определеннойтемпературой окончания прокатки (~ 800 — 850°С) и заданной степенью обжатия (15- 20%) в последних пропусках.
Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельченииаустенитного, а соответственно и ферритного зерна, что приводит к одновременномуповышению прочности и вязкости стали. Решающая роль при этом отводится температурнымусловиям процесса. При ограничении деформации в аустенитной области можно выделитьтри диапазона температуры в соответствии с ее влиянием на структуру стали (рисунок1). Выше 1000 Сº: образование крупных рекристаллизованных зерен аустенита,которые при полиморфном превращении, образуют грубую структуру феррита и структуруверхнего бейнита.1000 — 900 Сº: аустенит измельчается повторяющейся рекристаллизацией,в результате образуется мелкозернистый феррит. Ниже 900 Сº: получение мелкозернистойферритной структуры /2/.
/>
Рисунок 1 — Схема изменений в аустените в процессе контролируемойпрокатки.
При горячей пластической деформации металлов изменяется их структураи субструктура, характер которых зависит от температуры и степени деформации /6/.
Схема получения трубной стали делится на две стадии (рисунок2):
/>
Рисунок 2 — Схемы структурных изменений металла при контролируемойпрокатки.
Первая (черновая) стадия прокатки слябов сопровождается многократнойрекристаллизацией металла с измельчением и гомогенизацией зерна аустенита. Послезавершения черновой прокатки при температуре не менее 980 Сº подкат подслуживаетсяна воздухе да температуры 880 — 850 Сº.
На второй стадии прокатки (чистовой клети), где температура концапрокатки составляет 750-700 Сº, рекристаллизация отсутствует и зерна аустенитаприобретают вытянутую форму. Из-за начавшегося полиморфного превращения и деформациив двухфазной зоне (феррит + аустенит) происходит дислокационное упрочнение образованногоферрита. Мелкозернистость аустенита и феррита, высокая плотность дислокаций и тонкодисперсноераспределение выделений повышают прочностные свойства металла при хороших показателяхвязкости.
Для улучшения структуры металла (уменьшения количества перлита)и некоторого повышения прочностных свойств (на 20 Н/мм2) применяют ускоренноеохлаждение непосредственно за чистовой клетью до температуры 550-650 Сº. Послеускоренного охлаждения металл подвергают замедленному охлаждению в интервале температурот 500 до 100 Сº в течении 2 — 4 суток, это предотвращает возможность образованиявнутренних дефектов сплошности из-за неконтролируемого выделения водорода.4. Служебные свойства трубных сталей и способы ихповышения
Трубные стали — стали с определенным химическим составом и определеннымислужебными свойствами.
Как известно, при контролируемой прокатки за счет специальноподобранных композиций стали (марок стали) и температурно-деформационных режимовобработки удается непосредственно после горячей прокатки получить заданное структурноесостояние металла, обеспечивающее высокий комплекс механических свойств (прочности,вязкости, хладостойкости, свариваемости).
Как правило, для контролируемой прокатки применяют конверторнуюсталь, разлитую на МНЛЗ в слябы, нагреваемые в методических печах.
Нормативно-технические требования к стали, прокату (штрипсам)и трубам основаны на американском (API5L) или европейском (ISO 3183 — 3 — 2006) согласованных между собой стандартах /3/.
В таблице 1 приведены принятые обозначения для характеристикгрупп прочности сталей в соответствии с ГОСТ Р 52079 — 2003.
Таблица 1 — Обозначениякатегории прочности стали в соответствии с разной нормативно-технической документацией.Категории прочности в соответствии со стандартами ISO 3183 — 2006 ARI 5L ГОСТ Р 52079 — 2003 L245 В К38 — 42 L290 Х42 К48 L360 Х52 К52 L415 Х60 К56 L450 Х65 К60 L485 Х70 - L555 Х80 -
Этапы развития сталей по категориям прочности, содержанию основныхэлементов и видам термической обработки для магистральных трубопроводов показанына рисунке 3.
/>
Рисунок 3 — Этапы развития сталей для магистральных трубопроводов.
Производство штрипсов начинали практически со стали Ст3 (категориипрочности К28 — К42), введя регламентацию температуры конца прокатки и степени деформациив последних проходах, а так же нормализацию листов с отдельного нагрева. Затем перешлина углеродомарганцовистые стали марок 17Г1С и 17Г1С — У (категории прочности К52),поставляемые в нормализованном состоянии. Основными недостатками таких сталей были:
1. Низкое сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по доливолокна в изломах (DWTT).
2. Недостаточная ударная вязкость при температурах эксплуатациии монтажа трубопроводов.
3. Ухудшенная свариваемость, обусловленная высоким углероднымэквивалентом (Сэкв ≈ 0.46), что вызывало необходимость подогреватруб при сварке в полевых условиях.
4. Применение термической обработки — нормализации, что при высокихценах на энергоносители существенно повышает себестоимость проката.
5. Повышенная химическая и структурная неоднородность, что способствовалопоявлению дефектов сплошности готового проката и других негативных дефектов.
Требования, предъявляемые к трубным сталям, возросли, что привелосоздание нового поколения низколегированных сталей, так называемых малоперлитных,обладающих уникальным сочетанием высокой хладностойкости, прочности, ударной вязкостии повышенной свариваемости. Прочностные и пластические характеристики основногометалла зависят от категории стали (углеродистая, низколегированная, дисперсионнотвердеющая или термически упрочненная), а вязкостные свойства зависят от структурыи субструктуры металла. Ударную вязкость основного металла необходимо определятьпри двух температурах: при температуре, соответствующей температуре наружного воздухав процессе производства строительно-монтажных работ и при минимальной температуреэксплуатации трубы /4/.
Наиболее вредное влияние на свариваемость оказывает углерод,способствующий образованию горячих и холодных трещин, а так же определяющий уровеньмаксимальной твердости. В обычных низколегированных сталях содержание углерода доходитдо 0.2%. Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения и способствуютполучению метастабильных структур в процессе охлаждения и могут привести к ухудшениюсвойств околошовной зоны. Улучшают свариваемость вводом в сталь элементов, препятствующихросту зерна аустенита (молибден, хром, никель, медь, марганец, кремний). Свариваемостьразличных низколегированных сталей оценивают по углеродному эквиваленту и термическойжесткости сварного соединения. Концепция создания малоперлитных сталей с σв≥ 550 — 590 Н/мм2 предусматривала снижение величины углеродногоэквивалента до ≤ 0.43% при расчете его по уравнению (1) путем уменьшения содержанияуглерода до С ≤ 0.1 — 0.13%, что значительно улучшает свариваемость /1/.
/>, (1)
где С, Mn, Сr и другие — процентное содержание элементов в стали.
Сера и фосфор — вредные примеси, они снижают механические свойствастали, поэтому их содержание ограничивают. Особо вредна сера, образующая пластичныесульфиды. Расплющиваясь в процессе деформации, они снижают ударную вязкость и повышаюткритическую температуру хрупкости, это явление называется красноломкость. Для предупреждениякрасноломкости в сталь добавляют марганец или цирконий. Фосфор полностью растворяетсяв феррите, при этом феррит упрочняется, и в то же время резко снижается его пластичностьи особенно вязкость, то есть сталь становится более склонна к хрупкому разрушению.Фосфор повышает порог хладноломкости стали.
Необходимая прочность стали достигается благодаря введению микродобавокванадия, ниобия и титана в сумме, не превышающих 0.1 — 0.15%. Помимо дисперсногоупрочнения за счет образования при охлаждении после прокатки очень мелких (≈2- 10 нм) частиц карбонитридных фаз эти элементы понижают температуру вязкохрупкогоперехода и повышают ударную вязкость стали.
Микродобавки карбонитридообразующих элементов — ниобия, титана,ванадия и в меньшей мере алюминия, оказывают воздействие на процессы формированияструктуры в течение всего цикла контролируемой прокатки — от нагрева слябов передпрокаткой до завершающей стадии деформации и последующего охлаждения. Интенсивностьи направление влияния ванадия, ниобия и титана на свойства малоперлитных сталейво многом различны и зависят как от их количественного содержания, так и от присутствиявторого (или двух других) элементов этой группы. Они с разной степенью активностивлияют на процессы роста зерна при нагреве под прокатку, кинетику рекристаллизациигорячедеформированного аустенита, кинетику λ→α — превращений, размерзерна феррита, состояние α — твердого раствора.
Для увеличения прочности труб потребовалось достижение σв≥ 640 — 690 Н/мм2 (категории прочности Х75 — Х80), что обусловилопереход от сталей перлитно-ферритного класса к сталям с микроструктурой, состоящейиз смеси полигонального и игольчатого феррита (малоуглеродистого верхнего бейнита)или только из игольчатого феррита. Для получения только игольчатого феррита в трубныхсталях подавляют распад аустенита в ферритно-перлитной области и смещают структурныепревращения в верхнюю часть промежуточной области за счет легирования стали элементами,регулирующими кинетику превращения (молибден, никель, марганец, бор), или ускоренногоохлаждения стали в области температур 800 — 650 Сº. Наличие субструктуры игольчатогоферрита с высокой прочностью дислокаций, а так же упрочнение металла выделениямидисперсных частиц карбонитридных фаз придают стали высокую прочность. Игольчатыйферрит формируется после контролируемой прокатки из рекристаллизованного мелкозернистогоили нерекристаллизованного аустенита, что обеспечивает ему мелкозернистое строениеи высокое сопротивление хрупкому разрушению /4/.
Вывод
Контролируемая прокатка обеспечивает значительное повышение комплексамеханических свойств (прочности, пластичности, ударной вязкости, сопротивлении хрупкомуразрушению) низколегированных сталей в горячекатаном состоянии. Одним из ее важнейшихпреимуществ является возможность получения вязких свойств на уровне, соответствующемнормализованному состоянию, при значениях прочностных характеристик, свойственныхгорячекатаной стали. В результате этого при контролируемой прокатке из технологическогоцикла исключается такой вид термической обработки как нормализация; снижается углеродныйэквивалент низколегированных сталей при сохранении прочностных свойств на достаточновысоком уровне. В ряде случаев, например при обработке, малоперлитных сталей, контролируемаяпрокатка является необходимой операцией, поскольку иным способом не удается реализоватьпреимущества этих сталей.
Трубные стали в сейсмических опасных районах должны быть изготовленыиз стали, которая не только обеспечивает их высокую прочность и вязкость, но и достаточнуюдеформируемость при монтаже и эксплуатации трубопроводов.
Список используемой литературы
1. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка: Металлургия / В.И. Погоржельский,Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов и др. 1979 г.184 с.
2. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка непрерывнолитого металла:Металлургия, 1986 г.151 с.
3. Коликов А.П. Производство стальных труб для магистральных трубопроводовв Росси // Черные металлы — 2008 г. — ноябрь — с.8 — 11.
4. Кичкин А.А. Влияние ускоренного охлаждения после контролируемой прокаткина структуру и свойства стали / А.А. Кичкин, М.Ю. Мотросов, И.В. Дубинин // Сталь- 2006 г. — № 11 — с.125 — 127.
5. Салганик В.М. Моделирование и разработка эффективной технологии контролируемойпрокатки трубных сталей с заданным комплексом механических свойств / В.М. Салганик,О.Н. Сычев // Металлург — 2009 г. — № 5 — с.36 — 46.
6. Матросов М.Ю. Имитация процессов структурообразования в трубных сталяхпри контролируемой прокатке с ускоренным охлаждением / М.Ю. Матросов, А.А. Кичкин,А.А. Ефимов // Металлург — 2007 г. — № 7 — с.59 — 64.