Анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату

Автор: Чукин Михаил Витальевич, Полецков Павел Петрович, Набатчиков Дмитрий Геннадьевич, Емалеева Динара Гумаровна, Гущина Марина Сергеевна, Кузнецова Алла Сергеевна

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Рубрика: Металловедение и термическая обработка

Статья в выпуске: 2 т.17, 2017 года.

Бесплатный доступ

Выполнен анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату по выбранным направлениям наукоемких отраслей промышленности. Определены возможные потребители разрабатываемой продукции и конкуренты, предлагающие аналогичную продукцию. Проведен анализ показателей качества, установленных для аналогичной продукции в технических документах российских и зарубежных организаций. Установлен достигнутый уровень свойств данного вида проката в России и за рубежом.

Ультрахладостойкий листовой прокат, листовой прокат из криогенной конструкционной стали, листовой прокат из низкотемпературной стали для труб, листовой прокат из хладостойкой высокопрочной стали, листовой прокат из конструкционной стали северного исполнения, технические требования

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/147157089

IDR: 147157089 | DOI: 10.14529/met170207

Текст научной статьи Анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату

Проблема разработки и производства листового проката для изготовления хладостойких изделий ответственного назначения является одной из центральных и наиболее актуальных в современной металлургии. Вместе с тем, она тесно связана с проблемой эффективности производства, т. е. уменьшения затрат при изготовлении материалов и конструкций с требуемым комплексом служебных характеристик.

Стратегия импортозамещения включает разработку, освоение и производство ультра-хладостойкого листового проката следующих видов [1–7]:

1) листовой прокат из криогенной конструкционной стали для перспективных проектов производства, транспортировки и хранения сжиженного природного газа;
2) листовой прокат из низкотемпературной стали для труб по перспективным проектам добычи и транспортировки ПАО «Газпром»;
3) листовой прокат из хладостойкой высокопрочной стали для транспортного и тяжелого машиностроения;
4) листовой прокат из конструкционной стали северного исполнения для мостостроения, производства подъемных механизмов и средств транспортировки грузов.

Листовой прокат из криогенной конструкционной стали

На сегодняшний день природный газ является наиболее экономичным, экологичным и безопасным топливом. В России использование природного газа в качестве моторного топлива является одним из приоритетных направлений развития нефтегазового комплекса. Согласно прогнозу Международного газового союза рост парка газобаллонного автотранспорта составит к 2020 г. 50 млн единиц, а к 2030 г. – более 100 млн единиц [8].

Природный газ в качестве моторного топлива может использоваться как в компримированном (сжатом), так и в сжиженном (криогенном) виде. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой природный газ, охлажденный до температуры –161,5 °С для хранения и транспортировки в жидком виде. Хранится сжиженный газ в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается вследствие его испарения.

Выбор материала резервуаров для сжиженного газа обусловлен точкой кипения соответствующего газа (см. рисунок), так как сжижение должно происходить при крайне низкой температуре.

Стали для криогенной техники должны обеспечивать необходимую прочность в соче-

Точки кипения разных сжиженных газов и металлы, из которых могут производиться резервуары для их хранения [9]

тании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к конце н трации напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению.

Нормируемыми показателями качества листового проката из криогенной констру кционной стали являются:

- условный предел текучести R p 0,2 , МПа при температуре 20 °C;
- временное сопротивление R m , МПа при температуре 20 °C;
- относительное удлинение A 50 , % при температуре 20 °C;
- ударная вязкость KCV Дж/см ² (работа удара KV , Дж) при сверхнизких критических температурах до –196 °C;
- поперечное расширение ( мм) в резуль тате испытаний Шарпи образца с V-образным надрезом.

В настоящее время данные стали в России не производятся. В связи с этим стратегически важным является освоение технологии производства аналогов импортных криогенных сталей, применяемых при строительстве объектов производства, транспортировки и хранения СПГ:

- CryElso™ 201LN, 203, 5, 7, 9Q (Industeel, Бельгия);
- никелевые стали X12Ni5, X7Ni9 по EN 10028-4, A / SA 553 Type I по ASTM / ASME 553 (voestalpine Grobblech GmbH, Австрия);
- сталь с содержанием 9 % Ni по ASTM A353, ASTM A553 Type I, (ArcelorMittal, США);
- криогенные стали DILLINGER (Германия) с содержанием 1,5–3,5 % Ni (–105 °C), 5–9 % Ni (– 196 °C);
- N-TUF 295N, 325N, 325, 365, 490, 570, N-TUFCR 130, N TUFCR 196 (Nippon Steel Corporation, Япония);
- JIS SLA, SL2N • 3N • 9N, ASTM/ASME A203, A353, A553, JFE-LT1, 5Ni-TM, JFE-HITEN590L, 610L, JFE-HITEN590U2L, 610U2L, JFE-HITEN780FL (JFE Steel Corporation, Япония);
- криогенные стали с 7%-ным содержанием никеля: SL7N 590 по JIS G 3127, A841 Grade G по ASTM A841 / A841M (технология

Таблица 1

Технические требования к листовому прокату из криогенной конструкционной стали для перспективных проектов производства, транспортировки и хранения сжиженного природного газа

№	Толщина проката t , мм	^ р0,2 , МПа	R m , МПа	A 50 , %	KСV, не менее			Поперечное расширение, не менее, мм	Импортные аналоги / нормативная документация
		не менее или в пределах			Дж/см²	при t , °С	﬩ /=
1	≤30	355	490–640	22	34	–80	﬩	0,38	CryElso 203, JFE-LT1.5Ni-TM, N-TUF 365, 15Ni14, 12Ni14 / EN 10028-4, ASTMA203 Grade E
	30< t ≤50	345			50		=
	50< t ≤80	335			34	–101	=
2	≤30	390	530–710	20	50	–80	﬩	0,38	CryElso™5, N-TUFCR 130, X12Ni5 / EN10028-4, ASTM A537 class 2, ASTM A203
					75		=
	30< t ≤50	380			34	–120
					50
3	≤30	490	640–840	18	87	–80	﬩	0,38	CryElso™7, CryElso™9Q, N-TUFCR 196, SL7N590, X7Ni9/ ASTM A841 Grade G, ASTM A353, ASTM A553, EN 10028-4
					125		=
	30< t ≤50	480			42	–196	﬩
					34		=

По результатам анализа зарубежных стандартов на листовой прокат из криогенной конструкционной стали, а также обзора достигнутого уровня свойств данного вида продукции ведущими мировыми производителями, определены технические требования планируемых к освоению криогенных конструкционных сталей (табл. 1).

Листовой прокат из низкотемпературной стали для труб

Для обеспечения высокой надежности газо- и нефтепроводов в сложных климатических условиях листовой прокат для изготовления сварных труб должен иметь повышенный уровень низкотемпературной вязкости, сопротивляемость вязким и хрупким разрушениям при низких температурах, статических, циклических и динамических воздействиях. Использование таких характеристик трещиностойкости, как угол раскрытия при вершине трещины – СТОА, величина раскрытия трещины – СТОД, различные коэффициенты интенсивности напряжений способствует выяснению закономерностей распространения вязких трещин. Анализ существующих требований приведен в табл. 2.

Листовой прокат из хладостойкой высокопрочной стали

Для изготовления тяжелонагруженных сварных конструкций все более широкое применение получают высокопрочные стали с повышенной хладостойкостью. Необходимость использования таких сталей стала очевидной, прежде всего, в связи с освоением природных ресурсов приполярных районов и Арктического шельфа страны. В связи с этим особую актуальность приобретает освоение и производство импортных аналогов высокопрочных закаленных и отпущенных сталей для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих при низких температурах (до –60 °С):

– JFE-HITEN590U2L, JFE-HITEN590L,

JFE-HITEN610U2L, JFE-HITEN610L, JFE-HITEN690L, JFE-HITEN710L, JFE-HITEN780L, JFE-HITEN780FL, JFE-HITEN780ML (JFE Steel Corporation, Япония);

– ABREX™400LT, 450LT, 500LT (Nippon Steel Corporation, Япония);

– Strenx 700, 900, 960, 1100 (SSAB, Швеция);

– DILLIMAX 690 E, 890 E, 965 E, 1100, DI-RACK (DILLINGER, Германия).

Основные потенциальные потребители инновационной продукции: ОАО «АЗ «УРАЛ», ОАО «КАМАЗ», ООО группа «ГАЗ», ЗАО «Курганстальмост», ЗАО «Воронежстальмост», ЗАО «У-УСМ», предприятия компаний «Мосто-стройиндустрия», «Уралмостостроя» и прочие.

Листовой прокат из хладостойкой высокопрочной стали должен обладать сложным комплексом требований, сочетающих взаимо-противоречивые характеристики для обеспечения надежности конструкций:

О Я Я ей У (D s К P К

ж ж О О 1г

2 я В h х И я В 2 о й р я в 8 я § S о 2 о & ^н о о н W X Я § Я я о я В X

К Я о я

Ж о ж Я о н g

1 g

н § 40

§ Я я а«§

я о р Ри 2 о eq S

’§ о ■

и S 8

g _к ^

к В ч В

Я ей /^^ d

о ОО "

3 £ 2 S ^

ё S^& &

| 5 S § 8

2 ° я о

р Я о Я о

, о

Ж о 40 1 я U ^ & £ р н сч Ь 5 Н ей ID Я 2

й D

о о н 5 2 Н О CD й g О ей о 5

О У я Я

^н я ° ^ X 5 5 &* § о о S' in g⁴^ Д В 2 X * р Я Ри '—/ О Н

, н

Ри я 2

Ж В я Н н

О Я Я о о

Я ^д 2 о

2 2 3 о

о ® ® 3 § ’§

§ з 1 S | 5

В s s я 8 i

Я Я О м Ри н

a- S & g & X

К я я о W я

§ § « О

h я я 2 ® ^но В 2 о ¹⁵

2 я о и о я н

Ж ^ 5 2 ® °

2 2 о & 2 2

В О Я 2 °

я я

° О Ри ® &

у у я

2 о я _оО Я Я _оw 2 S о ж я ю 2 S: ° ° и о & ®

^ Ри

ее

и °

О 2 о о я S у я ^ о и § я

о"

•D о"

Q 2

О О

Н 2

U О Я

Я и

Ри О я ^

ОО

о eq 1

О 40 1

о eq

о"

о ел о"

^г o'

О о"

В о ю

о т eq

о о

о ID eq

§ о

т 5 Ян eq Щ ^

~ CD*" Н О

^ 2 2 к

^2^

” 2

н | g

О о S

« О S

>s ³S

§ §7 § | g О N ч о s

я о

Р О я ^

о 7

о eq

о 04

О 04

о 04

о 40

О > 5

W _w

2 О я

^s ®

о 5

Я Я

я о

Ри О я ^

40 1

о eq

о 40

о 7

о 40

О ID

О 04

СП

О eq

О eq т

О eq

eq^ оо"

ОО

04 00

и о Cq

ей Ри

§ О Н

Я Ри с

CD R

Ч II о eq 04 о" o'

о ।

04^ о"

о ।

Н о 04^ o'

о о eq

CD Н

04^

о"

о °1Ч о

00 о"

^ о^

Я я ч я

Я CD

^mH

v-> eq II мэ rq_|

ID eq_|

<М eq

мэ т eq

МО СП eq

1 oo oo 40 40

о о Г- ID m m

о о

О 40

40 т

7 >D

04 О

о ^ 04

7 о

о с о? 5

2$ Й ID "

О ID

О 04

40 ID

ID ID О 04

О 7 о

н "

7 ⁴⁰

Ч о 00

ч о 04 eq

о 7 о ОО

1 00 7 О

Ко*»" о cd g ^S

■D ci °„

ОС о" eq cn

00^ eq

о^ 40^

о^ eq

о^ ос'

О_гeq" eq

оо"

О_гeq" 7 О оо"

ее

•D

– сочетание высокой прочности и пластичности;

– высокие характеристики ударной вязкости;

– низкая температура вязко-хрупкого перехода;

– высокий уровень трещиностойкости;

– сопротивление усталостному разрушению.

Анализ импортных аналогов хладостойкой высокопрочной стали для транспортного и тяжелого машиностроения приведены в табл. 3.

Листовой прокат из конструкционной стали северного исполнения

Одним из факторов повышения конкурентоспособности металлопроката является снижение себестоимости продукции при обеспечении требуемого заказчиком уровня качества.

Снижение себестоимости продукции без ухудшения потребительских характеристик возможно за счет оптимизации технологического процесса производства – применения экономически эффективных систем легирования и микролегирования, а также рациональных режимов термомеханической прокатки, обеспечивающих заданный уровень механических свойств при наименьших затратах.

Таким образом, целесообразно освоение производства экономичных хладостойких конструкционных сталей по технологии термомеханической прокатки без дополнительной термообработки. К таким сталям относятся импортные высокопрочные стали:

– Alform plate 700M, Alform x-treme, Toughcore (voestalpine Grobblech GmbH, Австрия);

– Strenx 700 MC, Strenx 700 MC Plus, Strenx 900 MC, Strenx 900 Plus, Strenx 960 MC, Strenx 960 Plus, Strenx 1100 MC (SSAB, Швеция).

Эта продукция находит широкое применение в целом ряде отраслей, таких как производство подъемных механизмов и средств транспортировки грузов, изготовлении кранов буровых платформ, поездов и легкорельсовых транспортных средств, мостостроении. Аналоги конструкционной стали северного исполнения приведены в табл. 4.

Выводы

Выполнен анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату, а также уровня свойств дан- ного вида продукции, достигнутого ведущими зарубежными производителями. Определены основные позиции импортных аналогов хладостойких сталей, планируемых к производству в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства.

Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0235).

Список литературы Анализ технических требований, предъявляемых к ультрахладостойкому листовому прокату

Wang, H. Effects of Nb/Cr on the Cryogenic Impact Toughness of the Deposited Metal of ENiCrFe-9/H. Wang, G. He//Materials Science and Engineering A. -2016. -Vol. 672. -P. 15-22.
The Behavior of a 1.4301 Stainless Steel Subjected to Cryogenic Temperatures/I.V. Crismaru, D. Dragomir-Stanciu, M.V. Atanasiu, G.L. Pintilei//Procedia Technology. -2015. -Vol. 19. -P. 247-253.
Lu, Y.Q. Investigation on Mechanical Behaviors of Cold Stretched and Cryogenic Stretched Austenitic Stainless Steel Pressure Vessels/Y.Q. Lu, H. Hui//Procedia Engineering. -2015. -Vol. 130. -P. 628-637.
Time-Dependent Temper Embrittlement of Reactor Pressure Vessel Steel: Correlation Between Microstructural Evolution and Mechanical Properties During Tempering at 650 °C/Ch. Li, L. Han, G. Yan et al.//Journal of Nuclear Materials. -2016. -Vol. 480. -P. 344-354.
High Strength Quenched and Tempered (Q+T) Steels for Pressure Vessels/G. Luxenburger, M. Bockelmann, P. Wolf et al.//International Journal of Pressure Vessels and Piping. -2004. -Vol. 81, no. 2. -P. 159-171.
Fatigue and Fracture Behavior of a Nickel-Chromium Free Austenitic Steel/V.K. Saxena, M.S. Gopala Krishna, P.S. Chhaunker, V.M. Radhakrishnan//International Journal of Pressure Vessels and Piping. -1994. -Vol. 60, no. 2. -P. 151-157.
Pötzschke, M. Corrosion Resistance of Stainless Steels and Nickel Alloys in Artificial Sea Water/M. Pötzschke, M.B. Rockel//Desalination. -1983. -Vol. 44, no. 1-3. -P. 295-305.
СПГ -проекты. -http://www.gazprom.ru/about/production/projects/lng/
Технические новинки. -http://www.kobelco-welding.jp/russian/education-center/technical-highlight/vol02.html.
Шабалов, И.П. О необходимых и достаточных технических требованиях на стальные электросварные трубы большого диаметра/И.П. Шабалов//Металлург. -2010. -№ 10. -C. 6-12.

Еще

Статья научная