Моделирование структурно-фазовых превращений при сварке высокопрочных трубных сталей с учетом различных вариантов поставки стали

Увеличение рабочего давления в магистральных трубопроводах и усложнение условий их эксплуатации обусловило необходимость применения высокопрочных низкоуглеродистых микролегированных сталей категорий прочности X70 (К60) и Х80 (К65). Основной технологической операцией при изготовлении труб и строительстве трубопроводов является сварка. В связи с этим успешное применение высокопрочных трубных сталей для строительства газопроводов в значительной мере определяется наличием рациональных процессов их сварки, обеспечивающих требуемый уровень качественных показателей, характеризующих эксплуатационную надежность, хладостойкость, низкотемпературную вязкость, свариваемость стали и др.

В большинстве нормативных документов (DNV-OS-F101, API 5L, ISO 3183), регламентирующих технические условия, предъявляемые к прокату труб для магистральных трубопроводов, для обеспечения свариваемости не указана исходная морфология микроструктуры трубной стали в состоянии поставки.

Использование современных компьютерных технологий для комплексной автоматизации всех аспектов сварки, включая моделирование протекающих в свариваемом металле процессов, позволяет быстро находить оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости, а также значительно расширит возможности вычислительного эксперимента для прогнозирования поведения материала при воздействии термического цикла сварки.

Описание структурно-фазовых превращений в стали 08Г2ФБТ. Сталь 08Г2ФБТ, микролегированная ванадием, ниобием и молибденом в сумме ≈ 0,26%, обладает повышенной устойчивостью аустенита. В результате экспериментальных исследований [2] было установлено, что область ферритных превращений смещается к более медленным скоростям охлаждения (от 90 Т/с до 4,5 Т/с ) за счет микролегирующих добавок. Это также выражено тем, что смещается область мартенситного превращения для скорости охлаждения от 90 до 25 Т/с .

Металл зоны термического влияния подвержен наибольшим структурным изменениям, что связано с ростом зерен аустенита, степени его гомогенизации и растворением легирующих компонентов. Эти факторы обусловливают низкие значения показателей хладноломкости ЗТВ, что потребовало исследования микроструктуры и кинетики превращения аустенита при охлаждении с температур 1300°С.

Численное моделирование структурно-фазовых превращений при сварке стали К65. Модель структурно-фазовых превращений строилась на термической задаче моделирования дуговой сварки плавящимся электродом.

Численное моделирование проводилось на следующих режимах - I св =190 А; U_д =20,3 В; Защитный газ – Аргон; Расход газа – 12 л/мин. В качестве образца для сварки выбрали заготовку из трубы ∅ 89х3 мм по ГОСТ ISO 31832012 [4]. В соответствии с нормативной документацией [5] данная сталь

08Г2ФБТ хорошо сваривается, однако в некоторых случаях допускается подогрев до 150-200˚С. В качестве некоторого упрощения при разработке прототипа численной модели структурно-фазовых превращений рассмотрели следующие варианты подогрева – без подогрева, подогрев 100˚С, подогрев 200˚С.

Разработанная на базе кода APDL численная модель структурно-фазовых превращений учитывала:

• 1)    скорость нагрева w н ;

• 2)    рост аустенитного зерна;

• 2)    скорость охлаждения w_8/5 на стадии распада аустенита;

• 3)    скрытую теплоту плавления фазовых переходов.

Используя данные работы [1], была принята температура начала мартенситного превращения ЗТВ в 456˚С. Температура окончания мартенситного превращения для основного металла и металла сварного шва составила 200˚С.

В расчетах учитывалось превращение феррит / перлита в аустенит. Преобразование начиналось в точке Aс₁ (760˚С) и заканчивалось в точке Ас₃ (920˚С). В соответствии с данными работы [3] скрытая теплота для мартенситного превращения основного металла была определена в 75,07

кДж/кг, а при аустенитном превращении для металла сварного шва - 25,35 кДж/кг.

При моделировании структурно-фазовых превращений численная задача разбивалась на несколько стадий.

Стадия нагрева . Во время нагрева источник тепла проходил от одной кромки пластины до другой с использованием техники смерти и рождения элементов. Источник нагрева представлял собой двойной эллипсоид Голдака. Во время нагрева на каждом подшаге определялись элементы феррита, нагретые до температуры начала аустенитного превращения. В диапазоне аустенитного преобразования в соответствии с данными термокинетической диаграммы происходило превращение из феррита в аустенит.

Стадия охлаждения . На стадии охлаждения определялись скорости охлаждения элементов w §/5 , соответствующие скоростям распада переохлажденного аустенита в диапазоне температур 850…500°С. После определения конкретных скоростей превращения для каждого элемента аустенита стадия остывания пересчитывалась. На каждом подшаге определялись элементы аустенита, подлежащие структурно-фазовым превращениям в соответствии с данными термокинетической диаграммы.

По результатам моделирования структурно-фазовых превращений в стали 08Г2ФБТ при дуговой сварке были получены результаты, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Определение геометрических параметров сварного шва в зависимости от различных вариантов технологии сварки