Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности Х70 для подводных трубопроводов
жүктеу/скачать 415.49 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- АВТОРЕФЕРАТ
- Научный руководитель - доктор технических наук
- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
- ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
|
На правах рукописи Степанов Павел Петрович Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности Х70 для подводных трубопроводов 
Специальность 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов» АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2011
Зикеев Владимир НиколаевичОфициальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Кудря Александр Викторович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бобылев Михаил Викторович Ведущее предприятие – ОАО «РосНИТИ» Защита состоится 01 июня 2011 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 при ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.
Автореферат разослан 29 апреля 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.035.01, доктор технических наук, с.н.с. Н.М. Александрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Интенсивное развитие газовой и нефтяной промышленности приводит к росту требований к качеству газонефтепроводных труб, в особенности, толстостенных труб большого диаметра для подводных трубопроводов. Растущие масштабы потребления газа, как в России, так и за рубежом диктуют увеличение рабочего давления транспортируемого газа. В связи с этим возникает необходимость в производстве толстостенных труб большого диаметра, рассчитанных на давление более 10 МПа с повышенными свойствами как основного металла, так и сварного соединения. Специфика подводных газопроводных систем обусловлена: наружным гидростатическим давлением столба морской воды; высоким рабочим давлением (толстыми стенками), что связано с обеспечением достаточного давления газа на выходе из газопровода при отсутствии промежуточных компрессорных станций; агрессивностью морской среды, приводящей к необходимости учета внешней и внутренней коррозионной опасности. В настоящее время идет строительство Северо-Европейского газопровода («Nord Stream»), который обеспечит экспорт российского газа в Европу, в дальнейшем планируется реализация других проектов подводных трубопроводов. Для труб подводных трубопроводов с высоким уровнем требований и толщиной стенки более 30 мм необходимо разработать промышленную технологию сварки (осуществить выбор видов и режимов сварки, а также сварочных материалов), обеспечивающую требуемый высокий комплекс свойств сварных соединений. Для большинства высокопрочных низколегированных сталей наиболее низкий уровень ударной вязкости отмечается в околошовной зоне (ОШЗ) вблизи линии сплавления. Микроструктура ОШЗ в значительной мере определяется временем (скоростью) охлаждения аустенита в интервале температур фазовых превращений. В зависимости от химического состава стали и условий охлаждения микроструктура ОШЗ может изменяться от мартенсита до феррито-перлитной смеси. Высокая погонная энергия, необходимая для сварки толстостенных труб, приводит к перегреву металла ОШЗ и ухудшает его структуру, снижает механические свойства. Выполненная диссертационная работа актуальна в связи с необходимостью создания впервые в отечественной практике промышленной технологии сварки толстостенных газопроводных труб для подводных трубопроводов на основе исследования свариваемости и обеспечения оптимальной структуры с требуемым высоким уровнем свойств в металле сварного соединения. Целью диссертационной работы является установление влияния технологических факторов на формирование структуры и свойств сварного соединения толстостенных (30 мм и более) труб класса прочности Х70 (SAWL 485 I FD), достижение принципиально нового уровня свойств металла, в том числе ударной вязкости сварного соединения (KCV-30) и освоение массового производства таких труб. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Научная новизна 1. Установлено, что оптимальной структурой, обеспечивающей высокий уровень ударной вязкости металла околошовной зоны при сварке толстостенных труб является гомогенная бейнитная структура, для чего необходимо обеспечить превращение аустенита по промежуточной кинетике в максимально широком интервале скоростей охлаждения после сварки. Показано, что снижение содержания углерода ниже 0,08% существенно повышает максимальную (пиковую) величину ударной вязкости металла ОШЗ, однако слабо влияет на вязкость при низких (менее 10 оС/с) скоростях охлаждения, поскольку не устраняет резкого снижения этой характеристики при уменьшении скорости охлаждения после сварки. Установлено, что 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 и скорости охлаждения. 2. Экспериментально установлено, что для сдерживания роста зерна в ОШЗ при сварочном нагреве более эффективно формирование в стали дисперсных частиц на базе оксида титана в сравнении с подходом, базирующемся на использовании частиц нитрида титана. 3. Разработана оптимальная по содержанию углерода, легирующих и микролегирующих элементов экономная система легирования стали типа 07Г2Б для толстостенных труб класса прочности Х70, обеспечивающая требуемый уровень ударной вязкости в металле ОШЗ; с целью управления фазовыми превращениями в ОШЗ сталь оптимально легирована элементами, повышающими устойчивость аустенита (Ni, Mn, Mo, Cu) и микролегирована ниобием и титаном, при этом минимизировано содержание Si как ферритообразующего элемента. 4. Определены оптимальная структура и химический состав металла сварного шва, обеспечивающие требуемое сочетание прочности и ударной вязкости, и способы получения такой структуры. Установлено, что критерием получения в сварном соединении стабильно высокого уровня ударной вязкости является получение однородной структуры бейнита, что в условиях сварки толстостенных труб реализуется легированием металла шва никелем и молибденом в комбинации с титаном и бором.
1. Оптимизирован химический состав стали типа 07Г2Б для толстостенных труб, который позволяет получать по технологии термомеханической прокатки листовой прокат, удовлетворяющий всем требованиям стандарта DNV-OS-F101 и дополнительным требованиям «Спецификации для магистральных труб» для проекта НОРД СТРИМ (Nord Stream Project) №1-EN-PIE-SPE-000-00000001» и обладает хорошей свариваемостью. 2. Установлена и обоснована взаимосвязь выбранных сварочных материалов и технологических параметров сварки со структурой и свойствами сварного соединения, что позволило разработать технологию производства труб размером Ø1153×30,9-34,6 мм, обеспечивающую требуемый комплекс свойств основного металла и сварного соединения и, в первую очередь, ударную вязкость по линии сплавления сварного шва. 3. Разработана «Спецификация процесса производства труб Ø1153×30,9-34,6 мм для массового производства № 1-PM-PIL-SPE-111-00000061-C». В условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» освоена технология сварки труб Х70 (SAWL 485 I FD) размером Ø1153×30,9-34,6 мм для проекта «Nord Stream»; изготовлено и поставлено потребителю более 220 тыс. тонн труб. Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Установленные закономерности формирования структуры и свойств металла ОШЗ исследованных трубных сталей в зависимости от химического состава и скорости охлаждения, а также взаимосвязи «состав-структура», «структура-свойства» и «технология-структура». 2. Разработанная композиция химического состава стали, обеспечивающая требуемый уровень ударной вязкости в ОШЗ. 3. Установленный механизм влияния химического состава сварочных материалов при многодуговой сварке труб на механические свойства сварного шва и ОШЗ. 4. Установленные технологические способы оптимизации формы шва и структуры ОШЗ (тепловложение, разделка кромок, диаметр сварочной проволоки, охлаждение трубной заготовки и др.). 5. Установленное влияние оксидных частиц на торможение роста зерна аустенита и вязкость металла ОШЗ. 6. Разработанные технические решения, которые положены в основу внедренной технологии сварки труб. 7. Результаты освоения производства и исследования характеристик качества промышленной партии труб Х70 Ø1153×30,9-34,6 мм. Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-практических конференциях, в том числе: Международном семинаре «Современные стали для газопроводных труб, проблемы и перспективы», Москва, 2006 г.; Международной конференции «Трубопроводный транспорт-2007», Москва, 2007 г.; 4-й международной конференции «Освоение шельфа», Москва, 2007 г.; International Pipeline Conference, 2008, Calgary, Canada; Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 100-летию профессора А.А. Рыжикова, Н. Новгород, 2009 г.; II-й Международной конференции «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированнных сталей, Москва, 2010 г. Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 118 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 18 таблиц. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель, основные задачи, сформулированы научная новизна работы и ее практическая ценность. В первой главе на основании опубликованных данных рассмотрены современные металловедческие представления о формировании структуры и механических свойств металла сварного соединения нефтегазопроводных труб для магистральных трубопроводов. Проанализировано влияние легирования и параметров сварочного процесса на структуру и свойства металла околошовной зоны, а также металла сварного шва. Намечены направления исследований для обеспечения требуемого уровня прочности и сопротивления хрупкому разрушению металла сварного соединения толстостенных труб для подводного газопровода. Вторая глава посвящена обоснованию выбора трубных сталей, обоснованию и описанию методов лабораторных и промышленных исследований, проведенных автором при выполнении диссертационной работы. Для правильного выбора композиции легирования изучили свариваемость широкой гаммы трубных сталей с варьированием содержания углерода и легирующих элементов (таблица 1). Для промышленного опробования была предложена сталь типа 07Г2Б (Ni, Cu). Таблица 1 – Химический состав исследованных сталей для толстостенных труб
Исследуемые стали содержали 0,008-0,015% Р; 0,02-0,04% Al; 0,004-0,007% N за исключением стали 06Г2Б (Ti2O3), в которой 0,005% Al, *) промышленная партия (среднее содержание). Для сварки продольного внутреннего и наружного швов труб использовали автоматическую многодуговую сварку под флюсом в один проход. В качестве критериев оценки механических свойств основного металла и сварного соединения труб были выбраны: испытание плоского поперечного и продольного образцов на растяжение (ГОСТ 6996); испытание поперечных образцов KCV на ударный изгиб (Шарпи) при -30°С (центр шва, линия сплавления, ЛС+2 мм, ЛС+5 мм). Надрез по линии сплавления должен включать 50% ОШЗ и 50% металла шва. Испытания проводили согласно ISO 148 на образцах размером 55×10×10 мм с острым надрезом (тип IV) в интервале температур +20…-80°С. Место отбора образцов для испытаний механических свойств основного металла – наружная поверхность трубы на расстоянии 2 мм от поверхности (требования стандарта DNV-OS-F101). Место отбора образцов для испытаний металла сварного соединения: внутренний шов на расстоянии 2 мм от поверхности трубы, наружный шов на расстоянии 2 мм от поверхности трубы и корень шва (пересечение внутреннего и наружного швов). Для оптимизации структуры и достижения требуемых свойств сварного соединения варьировали состав сварочных материалов (сварочной проволоки и флюса); в условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» провели две серии промышленных экспериментов, схема которых приведена в таблице 2. Химический состав использованных сварочной проволоки и флюсов приведен в таблицах 3, 4. Исследовали влияние двух типов флюса (таблица 4): плавленных (АН) и керамических (ОК и ОР), отличающихся составом окислов и индексом основности: < 0,9 и 1,2-2,0, соответственно. Повышение указанного индекса снижает окисленность наплавленного металла и повышает за счет этого ударную вязкость. Макро- и микроструктуру выявляли после травления исследуемой стороны образца в 10%-ом водном растворе надсернокислого аммония с помощью микроскопа Axiomet с увеличением ×25-1000. Электронно-микроскопические исследования осуществляли методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) проводили на микроскопе JЕМ200СХ при ускоряющем напряжении 120 кВ. Сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) выполняли на том же микроскопе (сканирующая приставка JSM-35). Рентгеновский спектроскопический микроанализ (РМА) проводили с использованием приставки LINK SYSTEMS 860. Изучение свариваемости проводили на основе моделирования термических циклов, а вместе с ними и физических процессов, протекающих при сварке в околошовной зоне (ОШЗ). Свариваемость оценивали на основании установления характера влияния скорости охлаждения (тепловложения при сварке) на структуру и свойства металла ОШЗ. Для определения свариваемости был проведен комплексный анализ:
Запись термических циклов осуществляли на трубосварочном агрегате наружного шва ОАО «ВМЗ» на сборках из пластин с разделкой кромок под сварку, используя сверление канальных отверстий с помощью хромель-алюмелевых термопар Ø 0,3 мм и многоканального цифрового аналогового преобразователя. В третьей главе представлены результаты исследований по выбору химического состава стали для толстостенных труб с целью обеспечения оптимальной структуры и требуемого уровня ударной вязкости при -30 °С металла ОШЗ сварного соединения. Данная задача при сварке толстостенных (30 мм и более) труб большого диаметра является весьма сложной, что в первую очередь обусловлено низкими скоростями охлаждения в околошовной зоне после сварки. Таблица 2 – Программа промышленных экспериментов по оптимизации сварочных материалов
Таблица 3 – Химический состав исследованных плавок сварочной проволоки
Таблица 4 – Химический состав сварочного флюса
Методом имитации термических циклов сварки установлено, что основным недостатком традиционных трубных сталей (типа 17Г1С-У, 10Г2Б) является формирование гетерогенной структуры (Ф+П+Б) в широком интервале скоростей охлаждения (режимов сварки) (рисунок 1а) и определено направление оптимизации фазовых превращений - формирование низкоуглеродистого бейнита. Оптимальная форма диаграммы превращения аустенита при непрерывном охлаждении металла ОШЗ с широкой областью бейнитного превращения, что обеспечивается низким содержанием углерода и оптимальной системой легирования стали (рисунок 1б).   а б Рисунок 1 - Структурные диаграммы превращения аустенита в ОШЗ традиционной (а) и оптимально легированной стали (типа 05Г2Б (Ni, Cu) (б) При исследовании свойств металла ОШЗ широкой гаммы сталей показаны существенные преимущества низкоуглеродистых сталей с точки зрения уровня ударной вязкости и снижения склонности к образованию холодных трещин: ударная вязкость KCV-20 (скорость охлаждения 10 оС/с) при снижении содержания углерода от 0,19 до 0,03% повышается от 25 до 350 Дж/см2, при этом максимальная твердость при скорости охлаждения 100 оС/с снижается от 450 до 280 HV. Для всех исследованных сталей зависимость ударной вязкости металла ОШЗ от скорости охлаждения (тепловложения при сварке) имеет вид кривой с максимумом (например, см. рисунок 10), поэтому важным является не только максимальный уровень ударной вязкости, но и интервал скоростей охлаждения, в котором наблюдается резкое снижение ударной вязкости. В исследованных сталях снижение ударной вязкости наблюдается при скоростях охлаждения 10 оС/с и ниже, что как раз характерно для дуговой сварки под флюсом труб с толщиной стенки 30 мм и выше. Снижение содержания углерода повышает высоту пика на кривой зависимости ударной вязкости от скорости охлаждения, но за счет снижения устойчивости аустенита не уменьшает скорость охлаждения, при которой наблюдается резкое падение ударной вязкости. Ситуацию может улучшить повышение устойчивости аустенита путем легирования стали Ni, Мо, Cu и др. и повышение скорости охлаждения за счет снижения тепловложения при сварке или принудительного охлаждения трубы, эффективное микролегирование для измельчения зерна в ОШЗ. Исследования показали, что в интервале скоростей охлаждения, в котором в ОШЗ формируется полностью бейнитная структура, наблюдается существенное изменение ударной вязкости. Электронномикроскопические исследования структуры позволили установить, что повышение ударной вязкости при увеличении скорости охлаждения обусловлено изменением морфологии и тонкой структуры бейнита (переход от зернистого бейнита (рисунок 2а) к пластинчатому (рисунок 2б). Таким образом, для обеспечения высокой ударной вязкости металла ОШЗ необходимо оптимизировать фазовые превращения металла ОШЗ с целью:
По результатам экспериментальных исследований установлен оптимальный химический состав стали, обеспечивающий при рассматриваемых условиях охлаждения формирование смеси продуктов промежуточного превращения (бейнита пластинчатой и зернистой морфологии) и отсутствие феррита. С учетом экономических соображений оптимальным химическим составом для данного применения следует считать композицию низкоуглеродистой стали (0,07 % С и менее) с дополнительным легированием элементами, повышающими устойчивость аустенита (1,65-1,70% Мn; 0,20-0,25% Ni; до 0,08% Мо, 0,20-0,25% Сu и др.), а также микролегирование титаном в стехиометрическом соотношении к азоту с целью максимально возможного сдерживания роста зерна при нагреве, снижение содержания кремния менее 0,20%, как ферритообразующего элемента. Предложенная сталь характеризуется структурной стабильностью в ОШЗ (формирование бейнитной структуры в широком интервале скоростей охлаждения (рисунок 3), высоким уровнем ударной вязкости и низкой склонностью к образованию холодных трещин. Сталь типа 07Г2Б рекомендована для серийного производства толстостенных труб по проекту «Nord Stream». При выборе экономнолегированной композиции стали технология сварки должна быть стабилизована, поскольку изменение режима сварки в сторону увеличения погонной энергии и, соответственно, уменьшение скорости охлаждения приведет к падению ударной вязкости металла ОШЗ ниже требуемого уровня.
Рисунок 2 – Бейнит зернистой (а) (ПЭМ х20000) и пластинчатой морфологии (б) (ПЭМ х30000); металл ОШЗ В четвертой главе приведены результаты исследования влияния химического состава сварочной проволоки и флюса на структуру и свойства сварного шва и ОШЗ с целью обеспечения требуемого комплекса свойств. Экспериментально установлено, что применяемые для производства стандартных газопроводных труб марки стали (типа 10Г2ФБ) и сварочные материалы (проволока марок Св-08ХМ, Св-08ГМ, 08-Г1НМА; плавленые флюсы марок АН-60, АН-67Б) не обеспечивают требуемого уровня свойств в металле сварного соединения: по линии сплавления и центру сварного шва. При нанесении надреза ударного образца по линии сплавления сечение под надрезом содержит металл участка крупного зерна первого шва, подвергавшегося высокотемпературному нагреву при сварке второго шва.
Проведенные в условиях ОАО «ВМЗ» систематические экспериментальные исследования влияния проволоки и флюса позволили оптимизировать сварочные материалы, структуру и свойства сварного соединения толстостенных труб. В целом результаты экспериментальных работ (рисунок 4) показали возможность увеличить KV-30 металла сварного соединения от уровня 15-50 до 100-220 Дж. Достигнутый уровень работы удара металла сварного шва, превышающий требуемый стандартом DNV-0S-F101 (KV-30 ≥ 50 Дж), обусловлен легированием 0,60 – 0,85% Ni и 0,9 – 1,05% Мо при применении проволоки Св-08ГНМ и дополнительным легированием 0,002 – 0,006% В и 0,02 – 0,04% Ti (проволока ОК13.64), за счет чего в металле шва образуется мелкозернистая (№ 6-7), однородная структура бейнита. Применение в процессе сварки керамических флюсов ОР132 и, особенно, ОК10.74 способствует повышению работы удара KV-30 ≥ 100 Дж по сравнению с применением плавленых флюсов АН60 и АН67Б, что связано с более высокой раскисленностью металла (рисунок 4). 
Рисунок 4 – Изменение работы удара металла сварного шва в зависимости от марки сварочной проволоки и марки флюса Стабильно высокий уровень работы удара (KV-30 = 100-125 Дж) металла околошовной зоны по линии сплавления достигнут в результате применения при сварке проволоки ОК13.64, содержащей бор и титан, что связано с образованием в этой зоне за счет диффузии бора из металла шва однородной бейнитной структуры без выделений феррита по границам зерен. Для обеспечения в металле сварного соединения толстостенных труб достаточно высокого 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 (рисунки 5 и 6). В результате химический состав металла шва и металла линии сплавления таковы, что позволяют при послесварочном охлаждении получить близкие по морфологии микроструктуры (рисунок 7). Как видно из рисунков 7 а, б, микроструктура металла наружного шва однородная, мелкозернистая, представляет собой бейнит с игольчатой ориентировкой. В прилегающей к границе наружного шва зоне термического влияния шириной 0,7 – 1,3 мм (в том числе линии сплавления) микроструктура представляет собой более грубо-пластинчатый бейнит с небольшим числом (до 3%) выделений межзеренного полигонального феррита (рисунок 7 а). Микроструктура металла сварного соединения в зоне внутреннего шва близка по своему строению к микроструктуре наружного шва (рисунки 7 в, г). Запись реальных термических циклов на трубосварочном агрегате показала, что средняя скорость охлаждения металла ОШЗ на режимах сварки труб с толщиной стенки 34,6 мм для наружного шва составляет 6 оС/с (W800/700). 
Рисунок 5 – Сопротивление хрупкому разрушению металла сварного соединения труб из стали 07Г2Б размером 1153х34,6 мм: проволока Св-08ГНМ, Ø5 мм; флюс OK10.74 
Рисунок 6 – Сопротивление хрупкому разрушению металла сварного соединения труб из стали 07Г2Б размером 1153×34,6 мм: проволока Св-08ГНМ + OK13.64; флюс OK10.74 Расчетным путем получены зависимости влияния тепловложения (погонной энергии) при сварке от температуры металла перед сваркой на скорость охлаждения металла ОШЗ. Анализ имеющихся технологических возможностей показал направления технологических воздействий для повышения скорости охлаждения: ограничение температуры металла перед сваркой; применение принудительного охлаждения. Для решения первой задачи предложено ограничение температуры трубной заготовки между операциями путем охлаждения после сварки внутреннего шва до температуры ниже 40ºС. Для решения второй задачи предложено разработать оборудование для принудительного управления быстропротекающими тепловыми процессами при сварке.
жүктеу/скачать 415.49 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
