Современные технологии упроченных трубных сталей

 

 

Министерство науки и образования Украины

ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет»

 

 

 

Кафедра материаловедения

 

 

 

 

 

 

«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ

ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр.

 

Проверил:

профессор,  д.т.н.                                                                          Ткаченко И.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мариуполь  2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                               3

1 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТРУБНЫМ СТАЛЯМ                  4

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

ТРУБ                                                                                                                       6

3 СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ ТРУБНОЙ СТАЛИ.

КОНТРОЛИРУЕМАЯ ПРОКАТКА                                                                    16

4 ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОКАТКА КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА                                                                                    21

Заключение                                                                                                             26

Перечень ссылок                                                                                                    28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

       Одной из основных отраслей металлургического комплекса является трубное производство.

       Трубы изготавливаются промышленным способом из металлов и сплавов, органических материалов (пластмасс, смол), бетона, керамики, стекла, древесины и их композиций.      

       Трубы применяются для транспортировки различных сред, изоляции или группировки иных проводов. Металлическая труба широко применяется в строительстве, как конструкционный профиль, в механизмах — как вал для передачи вращения и т. д.

        Трубы классифицируются по способу производства (прокатные, бесшовные, прессованные, сварные стальные и литые).

  Широкое применение в промышленности нашли трубы, изготовленные из разных марок сталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТРУБНЫМ  СТАЛЯМ

 

    Сопротивление хрупкому и вязкому разрушению является одним из основных свойств конструкционных материалов, по которому определяют пригодность их использования для изготовления и надежной эксплуатации изделий различного назначения. Требования по сопротивлению разрушения зависят от вида изделий, условий производства и эксплуатации. Имеются многочисленные методы испытания стали для определения ее сопротивления разрушению. В общем виде ахи испытания определяют температурные напряженные условия зарождения иди распространения трещины.

    Многолетние эксперименты показали, что результаты испытаний на ударную вязкость образцов типа Шарли (с надрезом глубиной 0,25 м) обеспечивают достаточно надежный контроль стали в отношении ее сопротивления зарождению трещины.

    Для высокопрочных сталей успешно используют метод Ирвина, при котором определяют два критерия: 'коэффициент интенсивности напряжений (относительное локальное повышение растягивающих напряжений у вершины трещины) и коэффициент интенсивности освобождающейся энергии при увеличении трещины на единицу длины.

    Определение критической длины трещины и коэффициента интенсивности напряжений металла труб различного диаметра, а также корреляции между результатами испытаний полномерных труб до разрушения и результатами испытаний основного металла на образцах рассмотрено в работе. Установлено, что зависимость критической длины трещины при рабочих напряжениях от диаметра газопровода для давления 55 атм имеет прямолинейный характер, поэтому чем больше диаметр газопровода, тем выше должны быть свойства стали в целях предупреждения ее разрушения.

    При исследовании работоспособности газопроводных труб установлено, что в общем виде значения ударной вязкости должны быть более высокими для более высоких рабочих напряжений и для труб больших диаметров, больших прочностей и с более толстыми стенками.

    По данным работы [1], хрупкое разрушение характеризуется отсутствием работы развития трещины (ар=0), а порог хладноломкости определяет температурный запас, при котором сохранится вязкое разрушение. Порог хладноломкости или переходную температуру по виду излома ударных образцов (50 % волокнистой составляющей в изломе) широко используют для определения сопротивления хрупкому разрушению.

  Согласно последним исследованиям [I], сопротивление хрупкому разрушению газопроводных труб наиболее точно характеризует вид излома образцов толщиной, равной толщине стенки трубы, подвергнутых испытанию при температуре эксплуатации трубопровода. Образцы разрушаются обычно падающим грузом. По степени волокнистости (%) в изломе образцов оценивают сопротивляемость хрупкому разрушению.

  Для освоения природных богатств районов с низкими климатическими температурами (до —60°С) требуются низколегированные стали с высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению. Такие стали позволят увеличить эксплуатационную долговечность и надежность металлических конструкций, а также обеспечить бесперебойную работу техники в районах Крайнего Севера и Сибири вне зависимости от температуры окружающей среды. Отмеченное в первую очередь относится к таким важным объектам, как газонефтепроводные магистрали, уходящие все дальше в северные широты и на восток.

     Требования, предъявляемые к свариваемости сталей, неуклонно повышаются. Наиболее вредное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию горячих и холодных трещин, а также определяющий уровень максимальной твердости. В обычных низколегированных сталях содержание углерода доходит до 0,2 %. Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения и способствуют получению метастабильных структур в процессе охлаждения и могут, поэтому, привести к ухудшению свойств околошовной зоны. Улучшают свариваемость вводом в сталь элементов, препятствующих росту зерна аустенита.

   В зарубежной практике свариваемость различных низколегированных сталей оценивают по углеродному эквиваленту и термической жесткости сварного соединения. Наиболее часто и широко используют углеродный эквивалент, установленный Международным институтом сварки:

           Сэ = С+Мп/6 + (Сг + Мо + V)/5 + (Ni + Сu)/15,           (1)

где символы С, Мп и т. д. представляют собой процентное содержание элементов в стали.

   Сравнительно недавно низколегированные стали с углеродным эквивалентом, равным 0,45, относили к категории удовлетворительно свариваемых (сварку осуществляли также после подогрева или с последующей термической обработкой). Подогрев требуется при наличии высоких напряжений в конструкциях или низкой температуры окружающей среды. При значениях эквивалента 0,38—0,40 % сварка осуществляется любыми электродами без подогрева или термической обработки, поэтому такие стали являются хорошо свариваемыми.

    Разработка новых богатых месторождений газа и нефти, развертывание строительства магистральных нефтепроводов в районах с суровыми климатическими условиями и повышение рабочих параметров самих труб (диаметра до 1420 мм, рабочего давления по 100 атм) привели в последние годы к значительному росту требований, предъявляемых к сварным трубам большого диаметра.

   Требования, предъявляемые к трубам большого диаметра, используемым для изготовления магистральных трубопроводов, приведены в работе [1], откуда видно, что прочностные и пластические характеристики основного металла зависят от категории стали (углеродистая, низколегированная, дисперсионно твердеющая или термически упрочненная), а вязкостные свойства зависят от диаметра трубы и предполагаемого рабочего давления в трубопроводе. Ударную вязкость основного металла необходимо определять при двух температурах: при температуре, соответствующей температуре наружного воздуха в процессе производства строительно-монтажных работ, и при минимальной температуре эксплуатации трубопровода.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ

 

  Основным конструкционным материалом для изготовления сварных изделий ответственного назначения служат низколегированные стали (стали повышенной прочности). Области применения их в народном хозяйстве весьма разнообразны и обширны: промышленное и гражданское строительство, судостроение, транспортное, сельскохозяйственное и тяжелое машиностроение, строительство магистральных трубопроводов и т. д. Широкое использование низколегированных сталей связано с тем, что при относительно небольшом содержании легирующих элементов они характеризуются лучшим, чем у малоуглеродистых сталей, комплексом свойств, благодаря чему уменьшается масса металлоконструкций и повышаются их надежность и долговечность.

  Наиболее важными характеристиками низколегированных сталей являются повышенная прочность (предел текучести), высокие пластичность и вязкость при низких температурах, низкая переходная температура и высокая свариваемость.

  Технический прогресс в машиностроении, строительстве и в первую очередь в трубопроводном транспорте, где начали строить трубопроводы из сварных труб больших диаметров (до мм) при высоких рабочих давлениях (до 100 атм), в том числе и в широтах с низкими климатическими температурами, выдвинул новые, более высокие требования к низколегированным сталям. К основным требованиям, определяющим развитие производства низколегированных сталей, относятся: достижение более высокого предела текучести (с целью изготовления более легковесных конструкций); обеспечение высокой степени свариваемости; повышение долговечности и надежности конструкций путем резкого увеличения сопротивления стали хрупким и вязким разрушениям; получение необходимого комплекса свойств при меньших затратах, чем при применении термической обработки проката.

    Наука о низколегированных сталях в последние годы получила значительное развитие, особенно в направлении установления механизмов упрочнения, взаимосвязи механических свойств и микроструктуры и т. д. Установлено, что наиболее полно удовлетворить новые требования, предъявляемые к низколегированным сталям, при наименьших затратах можно, введя существенные изменения в технологический процесс прокатки, приводящие, к резкому измельчению зерна. Эффективность использования низколегированных сталей существенно повышается при увеличении прочностных характеристик (в первую очередь предела текучести), улучшении технологичности (свариваемости) и повышении долговечности, работоспособности и надежности   конструкционного   материала.

    Предел текучести низколегированных сталей в горячекатаном или нормализованном состоянии обычно составляет 30— 40 кгс/мм2. Этот уровень предела текучести для обычных низколегированных сталей получают соответствующим подбором легирующих элементов (обычно марганец и кремний) и модифицированием ванадием, ниобием, титаном. Лучшие показатели по свариваемости и сопротивлению хрупкому разрушению обычно имеют стали с ограниченным содержанием углерода, общий уровень которого у большинства низколегированных сталей пока еще довольно высокий (до 0,20 %). В мелкозернистых низколегированных сталях после нормализации при достаточно высоком пределе текучести температуры перехода в хрупкое состояние находятся примерно на уровне 0 °С. Для достижения более высокого предела текучести попользуют явление дисперсионного твердения. Наибольший интерес из рассмотренных элементов представляет собой ниобий, который вызывает упрочнение стали (за счет выделений карбонитрида) в горячекатаном состоянии (но не после нормализации). Для нормализованного состояния более эффективным упрочнителем является ванадий, карбид которого имеет более высокую растворимость в аустелите в процессе нормализации.

  Эффект упрочнения стали за счет измельчения зерна может составлять 20 – 40 %, (поэтому в последние годы наиболее широко применяют этот способ улучшения качества низколегированных сталей. Измельчения зерна достигают введением модифицирующих добавок (титана, алюминия, ниобия и др.). Наиболее эффективно нитридное упрочнение а нормализованных сталях, преимущественно содержащих марганец и нитриды ванадия (в меньшей мере алюминия). Нитриды ванадия вызывают значительное измельчение зерна (до 5 - 8 мкм) и некоторое дисперсионное твердение. Степень проявления этих свойств зависит от состава и состояния стали.

  Упрочнение низколегированных   сталей растворением легирующих элементов (марганца, кремния и др.) в твердом растворе весьма ограниченно из-за небольшого  эффекта   упрочнения при высоких концентрациях легирующих элементов.

  Дисперсионное твердение может повысить предел текучести ни 10 -30 % за счет образования барьеров, препятствующих движению дислокации. Однако дисперсионное твердение в противоположность измельчению зерна наряду с упрочнением в большинстве случаев вызывает ухудшение свойств вязкости, поэтому использование этого явления для современных низколегированных сталей ограниченно.

  Исследования показали, что пониженные низкотемпературные вязкие свойства низколегированных сталей с модифицирующими элементами (ниобием, ванадием) или без последних связаны в первую очередь с тем, что во время прокатки образуются относительно грубые (крупные) ауетенитные зерна, способствующие при превращении образованию грубых полигональных ферритных зерен или продуктов превращения в промежуточной области бейнитного типа. Применение контролируемой прокатки позволило преодолеть этот недостаток горячекатаных низколегированных сталей и обеспечить значительное измельчение зерна. Технология контролируемой прокатки обеспечивает получение у низколегированной стали мелкого аустенитного зерна и соответственно мелкозернистой феррито-перлитной структуры, а также дисперсионное твердение. В результате такой обработки для низколегированных сталей с феррито-перлитной структурой можно получить предел текучести 45—52 кгс/мм2 при переходной температуре до -80°С).