Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности Х70 для подводных трубопроводов

Участок сварного соединения	Факторы, обеспечивающие требуемый уровень вязкости (KV-30 ≥ 50 Дж) сварного соединения
Линия сплавления	Легирование основного металла, обеспечивающее образование бейнитной структуры в ОШЗ при медленных скоростях охлаждения (5-6 оС/с и менее) после сварочного нагрева. Микролегирование карбонитридообразующими элементами для измельчения зерна. Оксидная технология выплавки стали. Ускоренное охлаждение металла ОШЗ после сварки. Оптимизация формы шва.
Центр шва	Легирование сварочной проволоки, обеспечивающее образование мелкозернистой бейнитной структуры. Марка флюса определенной основности и технологии изготовления, для защиты от окисления. Дробное формирование сварных швов для повышения скорости охлаждения.

Экспериментально подтверждено эффективное влияние дисперсных частиц (~0,1 мкм) на основе оксида титана (рисунок 8) на торможение роста зерна при сварочном нагреве (рисунок 9). Данный технологический подход следует считать перспективным с точки зрения улучшения вязкости сварного соединения толстостенных труб.

Исследования фазовых превращений в опытной и сравнительной сталях показало, что «оксидная технология» не влияет на кинетику фазовых превращений аустенита при послесварочном охлаждении. Показано, что исследованные стали типа 06Г2Б (таблица 1) характеризуются широким возможным интервалом скоростей охлаждения при сварке (от 10 до 300 ^оС/с), однако более высокий и стабильный уровень ударной вязкости при температуре испытания -40 °С при скорости охлаждения металла ОШЗ 10^оС/с и ниже, соответствующий автоматической сварке под флюсом листов толщиной 30 мм и более, обеспечивается у стали, произведенной по «оксидной технологии» (рисунок 10).

а	б

Разработана и внедрена промышленная технология сварки труб Ø1153×30,9-34,6 мм класса прочности Х70 (SAWL485 IFD) для строительства подводного трубопровода «Nord Stream».

- легирование основного металла трубы, обеспечивающее образование бейнитной структуры в ОШЗ при низких скоростях охлаждения после сварочного нагрева (Mn, Ni, Cu, Mo, Nb, Ti);

- оптимизация технологических параметров процесса: увеличение скорости сварки на 20%; распределения мощностей между внутренним и наружным швом в соотношении 4/5 (по количеству дуг); разноуровневая установка электродов; оптимизация разброса тепловой энергии по дугам;

- получение оптимальных геометрических параметров сварных швов (рисунок 12) (параметры электродов и разделки кромок);

- оптимизация состава сварочной проволоки с целью формирования бейнитной структуры сварного соединения (08ГНМ + MoTiB) за счет формирования следующего химического состава металла шва (%, масс): 0,07 С; 1,55 Mn; 0,015 Ti; 0,0015 B; 0,25 Mo, 0,28 Ni; 0,03 Nb.

- применение флюса определенной основности и технологии изготовления для защиты от окисления, что позволило снизить содержание кислорода в металле шва примерно в два раза;

-ограничение температуры трубной заготовки между операциями путем охлаждения после сварки внутреннего шва до температуры ниже 40ºС.

Разработана «Спецификация для магистральных труб» для проекта НОРД СТРИМ (Nord Stream Project) №1-EN-PIE-SPE-000-00000001 и «Спецификация процесса производства труб ID 1153 мм WT 30,9; 34,6 мм для массового производства № 1-PM-PIL-SPE-111-00000061-C».

Применение разработанных технологических мероприятий позволило осуществить в условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» массовое производство толстостенных труб для подводного трубопровода проекта «Nord Stream». Внедрение разработанных технологических мероприятий позволило достигнуть при массовом производстве высокой стабильности требуемых механических свойств и сопротивления хрупкому разрушению металла сварного соединения толстостенных труб размером 1153×30,9-34,6 мм из стали 07Г2Б.

Исследования и статистическая обработка свойств основного металла и сварного соединения промышленной партии труб показали, что металл всех зон сварного соединения труб размером 1153×30,9-36,4 мм в результате применения разработанных технологических мероприятий отвечает всем требованиям НТД, в том числе по уровню прочности и работе удара сварного соединения KV^-30 ≥ 50 Дж (рисунок 13).

а	б

1. 
   На основании результатов выполненных металловедческих исследований в области оптимизации свариваемости и технологии сварки толстостенных труб размером 1153×30,9-34,6 мм класса прочности X70 (SAWL 485 I FD) проведен выбор состава стали и сварочных материалов, а также технологических параметров сварки, что позволило сформировать благоприятную структуру сварного шва и околошовной зоны и обеспечить требуемый уровень механических свойств сварного соединения; впервые в отечественной практике освоить промышленное производство толстостенных труб для подводного газопровода в соответствии с техническими требованиями стандарта DNV-0S-F101 и дополнительными требованиями спецификации проекта «Nord Stream».
   
2. 
   Исследование свариваемости трубных сталей различного состава методом имитации термических циклов сварки позволило установить:
   
   • 
     обеспечение требуемого уровня ударной вязкости металла ОШЗ (KСV^-30 ≥ 63 Дж/см²) при сварке толстостенных (30 мм и более) труб усложняется низкими скоростями охлаждения после сварки (5-7 ^оС/с и менее) и формированием вследствие этого неблагоприятной феррито-бейнитной (перлитной) структуры;
     
   • 
     расширение диапазона бейнитного превращения в область низких скоростей охлаждения возможно за счет корректировки химического состава стали в сторону снижения содержания углерода (менее 0,08%) и дополнительного легирования элементами, повышающими устойчивость аустенита;
     

- ударная вязкость металла ОШЗ с бейнитной структурой существенно зависит от типа и морфологии бейнита и возрастает при формировании бейнита пластинчатой морфологии (взамен зернистой); морфология бейнита зависит от системы легирования стали и скорости охлаждения после сварки;

• 
  оптимальная композиция химического состава стали для толстостенных труб, обеспечивающей требуемый уровень свойств металла ОШЗ сварного соединения, включает: содержание углерода менее 0,08%, легирование элементами, образующими твердый раствор замещения и повышающими устойчивость аустенита (Ni, Mn, Mo, Cu), микролегирование титаном для сдерживания роста зерна при нагреве частицами карбонитридов, ограничение содержания кремния как ферритообразующего элемента.
  
1. 
   Для изготовления толстостенных труб класса прочности Х70 (SAWL 485 I FD) предложена сталь типа 07Г2Б, химический состав которой регламентирован в «Спецификации ОМК процесса массового производства труб с толщиной стенки 30,9 и 34,6 мм» № 00000061 от 13.05.2009 г. (не более или в пределах, % масс): 0,05-0,08 С; 1,75 Mn; 0,20 Si; 0,02-0,05Al; 0,03Ti; 0,003 S; 0,015 P; 0,30 Mo, 0,50 Ni; 0,30 Cr; 0,30 Cu; 0,06 Nb; 0,004 Ca; V+Nb+Ti ≤ 0,12; P_cm≤0,21.
   

• 
  состава и структуры металла сварного шва;
  
• 
  макроструктуры сварного соединения (формы шва);
  
• 
  структуры металла ОШЗ, которая для данного химического состава стали определяется скоростью охлаждения.
  

Экспериментально определены реальные скорости охлаждения металла ОШЗ и предложены пути их повышения с целью оптимизации структуры ОШЗ и вязкости металла:

• 
  снижение тепловложения при сварке;
  
• 
  введение паузы между сваркой внутреннего и наружного шва;
  
• 
  применение принудительного охлаждения трубы.
  

5. 
   Уровень работы удара металла сварного шва, превышающий требуемый стандартом DNV-0S-F101 (KV^-30 ≥ 50 Дж), достигнут за счет легирования 0,20-0,25% Ni; 0,20-0,25% Mo; 0,001-0,0015% B; 0,15-0,20% Cu, 0,01-0,02% Ti, 0,02-0,03% Nb, в результате чего в металле шва образуется мелкозернистая (№ 6-7) однородная структура бейнита. Применение в процессе сварки керамических флюсов способствует существенному повышению работы удара KV^-30 ≥ 100 Дж металла шва по сравнению с применением плавленых флюсов, что связано с более высокой раскисленностью металла (содержание кислорода в металле шва снижается от 500-600 до 250 ppm). Стабильно высокий уровень работы удара (KV^-30 = 100-125 Дж) металла по линии сплавления сварного шва достигнут в результате применения при сварке проволоки, содержащей бор и титан, что связано с образованием в этой зоне однородной бейнитной структуры без выделений феррита по границам зерен.
   
6. 
   Показано, что для обеспечения в металле сварного соединения толстостенных труб высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению (Т₅₀ < -80°С) и требуемого уровня работы удара (KV^-30 ≥ 50 Дж) необходимо при сварке наружного и внутреннего швов применять комбинированно проволоки марок Св-08ГНМ и ОК13.64 (MoTiB) в соотношении 60/40 (5 дуг) и 50/50 (4 дуги), соответственно.
   
7. 
   Показано, что для сдерживания роста зерна в ОШЗ при сварочном нагреве более эффективно формирование в стали дисперсных частиц на базе оксида титана в сравнении с традиционным подходом, базирующемся на использовании частиц нитрида титана. В качестве перспективной для изготовления толстостенных газопроводных труб предложена сталь, содержащая дисперсные частицы на основе оксида титана, обеспечивающая мелкое зерно (№ 7) и стабильный уровень ударной вязкости в металле ОШЗ при скоростях охлаждения, характерных для сварки толстостенных труб.
   

8. Разработана «Спецификация для магистральных труб» для проекта НОРД СТРИМ (Nord Stream Project) №1-EN-PIE-SPE-000-00000001 и «Спецификация процесса производства труб ID 1153 мм WT 30,9; 34,6 мм для массового производства № 1-PM-PIL-SPE-111-00000061-C». Установленная и обоснованная взаимосвязь выбранных сварочных материалов и технологических параметров сварки позволила разработать технологию производства труб размером 1153×30,9-34,6 мм, обеспечивающую требуемые свойства основного металла и сварного соединения и, в первую очередь, ударную вязкость по линии сплавления сварного шва.

Внедрение разработок позволило освоить в условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» массовое производство толстостенных труб для проекта «Nord Stream». Произведено более 220 тыс. тонн труб, которые отвечают требованиям стандарта DNV-0S-F101 и поставлены для монтажа газопровода по дну Балтийского моря.

Механические свойства промышленной партии труб Ø1153х34,6 мм: временное сопротивление разрыву основного металла - 571-685 Н/мм²; предел текучести основного металла σ_0,5 - 485-588 Н/мм²; относительное удлинение δ₅ - 18-28 %; работа удара KV^-30 - 177-344 Дж; доля вязкой составляющей в изломе образцов DWTT^-10 – 85-100%. По сварному соединению: временное сопротивление разрыву - 581-701 Н/мм²; наружный шов (центр шва) - KV^-30 – 82-279 Дж; наружный шов (линия сплавления) KV^-30 – 52-275 Дж; CTOD^-10 (ОШЗ) – 0,25-1,55 мм.

1. 
   Чернышов С.Г., Митин А.С., Степанов П.П., Гришин С.А., Слюняев С.М. Трубы для подводных магистральных газонефтепроводов // Сталь. 2007. №9. С. 60-61.
   
2. 
   Королев С.А., Шишов А.А., Степанов П.П., Морозов Ю.Д. Освоение производства труб большого диаметра для Северо-европейского газопровода // Сталь. 2007.№9. С. 63-65.
   
3. 
   Schwinn V., Bauer J., Parunov A., Stepanov P. Sawl 485 for 48” offshore application in thickness up to 41 mm // International pipeline conference, Calgary, Canada. 2008.
   
4. 
   Степанов П.П., Гришин С.А., Кузьмин А.А. Освоение на ОАО «Выксунский металлургический завод» производства труб большого диаметра из стали класса прочности К65 для строительства газопровода Бованенково-Ухта // Наука и Техника в газовой промышленности. 2009 №1. С.112-116.
   
5. 
   Зикеев В.Н., Голованов А.В., Филатов Н.Ф., Степанов П.П. и др. Производство электросварных прямошовных труб класса прочности Х46, стойких против сероводородного растрескивания // Сталь. 2007.№9. С. 70-71.
   
6. 
   Степанов П.П., Зикеев В.Н., Эфрон Л.И. Франтов И.И., Морозов Ю.Д. Улучшение свариваемости стали для толстостенных газопроводных труб большого диаметра путем оптимизации химического состава // Металлург. 2010. №11. С. 62-67.
   
7. 
   Филиппов Г.А, Ливанова О.В., Белкин А.А., Степанов П.П. Влияние эксплуатационных факторов и концентраторов напряжений на механизм разрушения труб магистральных нефтепроводов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. №4. С. 54-59.