Технология производства и методика металлографического исследования материала стали Х65 для деталей магистральных газонефтепроводов

Единая газо-нефтетранспортная система России представляет собой сложный комплекс сооружений. Основным технологическим оборудованием, обеспечивающим, функционирование системы являются компрессорные станции с технологической трубопроводной обвязкой и магистральные газонефтепроводы. При магистральном транспорте природного газа и нефти возникает множество проблем, связанных с обеспечением надежности работы технологического оборудования.

Для долговечности магистральных трубопроводов необходимо обеспечить требуемый комплекс свойств. При разработке технологии производства листов, труб и соединительных деталей трубопроводов необходимо в первую очередь разработать концепцию легирования, которая в свою очередь будет конкурентоспособна, и обеспечивать комплекс свойств, в том числе экс-плуатационность.

Эксплуатация газонефтетранспортной системы сопровождается вариацией параметров перекачки и воздействием на оборудование различных нагрузок, в некоторых случаях с отклонением от расчетных значений. При наличии разнородной исходной информации, задачи повышения надежности оборудования становятся трудно формализуемыми. Обеспечение надежной работы транспортировки газа и нефти является приоритетной задачей.

Изготовление трубопроводов из стали Х60, начатое в период 1960-х годов, продолжается до настоящего времени. Нормализованный лист обычно производится из стали с 0,20 С %, 1,5% Mn, микролегирован-ной V, Ti и Nb или сочетанием микролегирующих элементов. Однако из-за высоких уровней содержания углерода, серы и азота эти нормализованные стали подвержены образованию холодных трещин [2]. Ме- ханические свойства и химический состав стали Х65 отвечают заданным требованиям для производства соединительных деталей трубопроводов.

Виды обработки стали класса прочности Х65 – это горячая штамповка и вальцовка труб. Во время проведения штамповки и вальцовки идут большие нагрузки, соответственно механические свойства снижаются. Наша задача состоит в том, чтобы подобрать такие режимы прокатки, после которой комплекс механических свойств после проведения горячей штамповки и вальцовки останется в требуемом диапазоне [3].

Х65 (10Г2ФБЮ) – сталь конструкционная низколегированная. В ходе решения поставленной задачи по разработке технологии производства листов с гарантией механических свойств стали категории прочности X65 были определены три варианта обеспечения требуемых свойств после термической обработки:

• –    выбор оптимальных режимов термической обработки на стандартном химическом составе;

• –    изменение концепции легирования стали;

• –    изменение типа образцов на растяжение.

Более важной и первоочередной считается задача улучшения качества толстолистового металла за счет правильного выбора температурного режима прокатки, термической и термомеханической обработки листа в технологическом потоке стана. Толстым называется лист толщиной от 4160 мм, шириной от 600 до 4900 мм и длиной от 2 до 12 м (иногда – до 18-20м) [3].

Рассмотрим термомеханическую (ТМО) и контролируемую прокатку толстого листа, которые ставят своей задачей разработку режимов одновременного воздействия на металл дозированной деформации и термообработки в процессе прокатки с целью получения требуемой структуры и свойств металла.

Существует несколько разновидностей ТМО низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наиболее распространена для толстого листа высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), при которой лист после горячей деформации закаливается и затем отпускается с получением ферритноперлитных или бейнитных структур.

Основная задача при охлаждении состоит в том, чтобы избежать коробления полосы из-за неравномерного ее охлаждения. Соответственно машина должна быть оборудована системами, обеспечивающими и контролирующими равномерность охлаждения полосы по всей площади. Обычно перед установкой лист должен пройти правку.[4]

Следует отметить, что титан растворяется в аустените при высоких температурах, поэтому применяется для сталей, нагреваемых до максимально возможных температур (1200–1250°С). Нитриды титана стабильны при высоких температурах и позволяют контролировать размер зерна аустенита. При последующем охлаждении в процессе прокатки карбиды титана выделяются при высоких температурах и упрочняют аустенит. Деформация упрочненного и мелкозернистого аустенита и последующий распад его обеспечивает получение упрочненных мелких зерен феррита.

Ванадий растворяется в аустените при более низких температурах (около 1150^°С), следовательно, допускает более низкий нагрев под прокатку. Он практически не формирует выделений в аустените. Выделение карбонитридов ванадия происходит в основном в процессе и после фазового γ – α -превращения. Часть частиц выделяется непосредственно в феррит, способствуя его измельчению и упрочнению [5].

Как микролегирующий элемент для измельчения зерна наиболее эффективен ниобий, карбонитриды которого обеспечивают максимальное торможение рекристаллизации аустенита. При наличии ниобия в количестве 0,03% сталь вообще не рекристаллизуется при температурах ниже 950°С. При совместном легировании металла ванадием и ниобием расширяются возможности каждого из механизмов измельчения и упрочнения металла, расширяется диапазон температур, при которых выделяются упрочняющие частицы.

Таким образом, в зависимости от легирующих добавок для каждой марки стали выбирается как температура нагрева под прокатку, так и температурный и деформационный режим прокатки. Нагрев осуществляется в методической печи по второму уровню до среднемассовой температуры 1190-1200°С. Общее время нагрева – не менее 6,5 часов. Время нахождения каждого сляба в томильной зоне печи – не менее 40-60 мин. Темп посада соответствует темпу выдачи. На черновой стадии прокатки относительные обжатия не менее 10% [1].

На рис. 1 приведена обобщенная схема проведения высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) и низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО), при производстве толстого листа.

Рис. 1. Обобщенная схема термомеханических процессов при производстве толстого листа (1 – нагрев металла, 2  – горячая и низкотемпературная прокатка, 3 – охлаждение, 4 – горячая правка, 5 – охлаждение, 6   – холодная правка,7 – термообработка, 8 – охлаждение и горячая правка, 9 – холодная правка).

Как видно, в процесс формирования свойств металла вовлечены также операции горячей и холодной правки, на которых осуществляется также дозированная деформация металла за счет знакопеременного изгиба.

Таблица 1

Химический состав, %

С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	Al	N	Mo	V	Ti	Nb	Сэ
0,10	1,62	0,26	0,01	0,001	0,01	0,03	0,06	0,04	0,005	0,003	0,068	0,016	0,047	0,4
0,10	1,65	0,38	0,01	0,001	0,03	0,03	0,08	0,03	0,007	0,004	0,078	0,017	0,040	0,4

а)

б)

Рис. 2. Влияние температуры и времени выдержки при нормализации на уровень прочностных свойств стали Х65: а) зависимость прочности от температуры выдержки; б) зависимость текучести от температуры выдержки.

В зависимости от толщины листа и марки стали состав и порядок операций меняется, а режимы конкретизируется [4].

Для определения оптимального режима термической обработки был выбран массив данных со стандартным химическим составом (табл. 1).

В соответствии поставленной задачи был поставлен эксперимент по определению влияния температуры и времени выдержки на уровень прочностных свойств стали Х65. Результаты представлены на рисунке 2.

Был произведен набор статистических данных по результатам испытаний образцов на растяжение в продольном и поперечном направлениях с наложением температуры нормализации 810, 830 и 850°С при температуре отпуска 590-610°С. Результаты в виде гистограмм представлены на рис. 3.

В ходе проведения работы было установлено, что с увеличением температуры и времени выдержки прочностные характеристики снижаются.

На основании результатов проведенного анализа были определены две температуры нормализации: 810°С и 850°С. Данные температуры выбраны по принципу 810°С – минимальное падение прочностных характеристик, 850°С – соответствует текущему режиму термической обработки проб по режиму производителя соединительных деталей.

Рис. 3. Результат испытаний металла соединительных деталей.

Пробы подвергались нормализации на одну из температур и последующему отпуску на температуру 550-670°С с различным временем выдержки – 1 или 2 мин/мм. Уровень текучести в 100% случаев выше после нормализации 810°С, чем после 850°С.

Отсюда следует, что наибольшее влияние на предел текучести оказывает температура нормализации; при температуре нормализации 810°С получено минимальное снижение текучести; отпуск после нормализации снижает прочность и повышает текучесть стали.

Для проработки варианта было принято решение по изменению химического состава в части содержания никеля. В результате была запланирована выплавка двух плавок содержанием никеля с массовой долей 0,20-0,30%. Результаты производства дали положительный результат в части повышения предела текучести стали.

Легирование стали никелем позволило повысить выход годного на продукте до 100% при норме по текучести 392 МПа (категория Х65), однако распределение механических свойств имеет большой разброс, что может привести к единичным провалам.

Изменяя режимы нормализации, возможно, получать различную категорию прочности изделия – от Х52 до Х65 без применения закалочной ванны; изменение требований ТУ позволит повысить категорию прочности.

Результаты испытаний металла соединительных деталей показали удовлетворительный результат по пределу прочности и пределу текучести, что подтверждает правильность определенных режимов термической обработки, легирования никелем и применения цилиндрических образцов при механических испытаниях.