Современные технологии упроченных трубных сталей

 Выпускаемые к началу 90-х годов прошлого столетия отечественными предприятиями нефтегазопроводные трубы не отвечали современным требованиям как по качеству основного металла (содержанию вредных примесей, загрязненности неметаллическими включениями, механическим и антикоррозионным свойствам) и по характеристикам сварного соединения (металла шва и околошовной зоны), так и по долговечности и эксплуатационной надежности.

Большой удельный вес при изготовлении труб имели стали типа 17ГС, 13ГС и их модификации, разработанные по устаревшим концепциям. Эти стали предназначались под разные классы прочности труб за счет варьирования содержанием углерода и марганца, а также термической обработки-нормализации или улучшения. Мало что давала и модификация этих сталей ниобием и ванадием, так как их базовый состав изначально не был сбалансирован с вводимыми микролегирующими добавками. Стали этого класса не способны в полной мере воспринимать технологию контролируемой прокатки при изготовлении штрипса и рулонного проката. В какой-то степени это было оправдано, так как на отечественных металлургических заводах и комбинатах прокатные станы были мало приспособлены для осуществления контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением Ситуация усугублялась невысокими требованиями к содержанию вредных примесей и зачастую отсутствием требований к количеству и размерам неметаллических включений. Как следствие такой ситуации – огромное число трубных сталей (около 30), где основным регулятором качества является категория прочности, которая, в свою очередь, регулируется содержанием углерода (элементом, крайне нежелательным для трубных сталей, когда речь идет о его количествах, превышающих 0,08 %), и марганца.

Вместе с тем хорошо известно, что регулировать уровень прочности целесообразнее за счет изменения величины зерна, что возможно при эффективном использовании термомеханической обработки микролегированных ниобием сталей. Контролируемая прокатка в этом случае позволяет не только реализовать экономичность технологического процесса за счет исключения отдельных операций термической обработки горячекатанного проката, но и регулировать на одном базовом составе прочностные характеристики в широком диапазоне, обеспечивать более высокий уровень пластичности и вязкости, лучшую свариваемость.

Для эффективного решения проблемы по созданию новых труб для трубопроводных систем, являющихся потенциально опасными объектами, необходимо было исходить из обоснования выбора таких сталей и технологий, которые обеспечивают технологическую возможность повышения надежности труб путем применения избыточности по отношению к минимально необходимому и достаточному для выполнения трубопроводом заданных функций уровню свойств, определяющих его надежность в условиях накопления повреждаемости за весь расчетный эксплуатационный ресурс. В нашем случае обеспечение избыточности касается таких параметров для трубной стали как температура хрупко-вязкого перехода, прочностные характеристики, анизотропия свойств, статическая и циклическая трещиностойкость, деформационное старение, коррозионная стойкость, полосчатость, осевая ликвация, балльность структуры, уровень содержания примесей, газов, неметаллических включений [1].

Для эффективного решения проблемы необходимо комплексное решение, обеспечивающее:

• высокое металлургическое качество (отсутствие трещиноподобных дефектов, низкое содержание вредных примесей и газов, мелкозернистость структуры, отсутствие ликвационных зон и т.п.);

• технологичность при строительстве трубопроводов (низкий углеродный эквивалент, жесткие требования к геометрии стыкуемых торцов труб, достаточно высокая деформационная способность); 
• высокий уровень эксплуатационных свойств (хладостойкость, трещиностойкость, коррозионная стойкость).

Конкретно реализованы следующие основные направления: 
          1. Разработка металлургической технологии по снижению уровня содержания серы и фосфора до 0,005 % каждого и ниже, азота – меньше 0,007 %, меди – меньше 0,05 %, мышьяка, сурьмы, олова – меньше 0,005 % каждого. При этом оптимальное содержание углерода соответствует 0,04-0,06 %. Для обеспечения поставленных задач была разработана технология десульфурации передельного чугуна, выплавки стали и выпуска плавки, внепечной обработки в разливочном и в промежуточном ковшах, контроль режима непрерывной разливки. Оптимизация всего цикла производства (аглофабрика – доменная печь – конвертер) обеспечила стабильный состав стали по основным элементам и низкий уровень вредных примесей и включений. Технология выплавки новой стали существенно снизила ликвацию и неоднородность структуры литого металла. 
         2. Технология контролируемой прокатки позволила обеспечить в новой стали 06ГФБА-А такое сочетание прочностных и вязких характеристик, которое недостижимо в большинстве традиционно используемых трубных сталей. Высокая технологичность стали 06ГФБА-А позволила за счет регулирования технологических параметров контролируемой прокатки получить трубы различных классов прочности. Получены результаты, характерные для шести классов прочности (по API 5L): Х52, Х56, Х60, Х65, Х70, Х80 (или от К52 до К65 по отечественной классификации). При этом отношение предела текучести к временному сопротивлению разрушения не превышает 0,90, ударная вязкость превышает нормативные значения в 5-6 раз. Доля вязкой составляющей на образцах ИПГ (испытания падающим грузом) при минус 60 °С составляет 80-100 % (по нормативным требованиям – 50-60 % при минус 20 °С). Более высокая прочность не сопровождается ухудшением пластичности и вязкости: для любой полученной категории прочности, включая Х80 (К65), характерны высокие уровни пластичности и вязкости.

На всех этапах разработки новой стали 06ГФБА-А и технологии изготовления из неё труб проводился обширный комплекс испытаний для определения как механических, так и служебных характеристик. При проведении комплекса полигонных испытаний трубы выдержали без разрушения и потери герметичности, без образования усталостных трещин 3000 циклов при циклических испытаниях по режимам Pmax/Pmin = 6,37/2,45 МПа и 10,29/5,39 МПа. Последующие испытания до разрушения отциклированных труб показали ту же конструктивную прочность, что и трубы, не подвергшиеся циклированию. Все разрушения были полностью вязкими, что свидетельствует о том, что разрушения прошли после полного исчерпания запаса прочности металла. Пластичность металла превышала норму, определенную многолетней практикой для деформационной способности металла нефтепроводных труб. Испытания труб из стали 06ГФБА-А с продольными надрезами показали высокий уровень трещиностойкости металла. Критическая длина трещины, равная 140 мм, получена при давлении 13,23 МПа, что соответствует коэффициенту интенсивности напряжений Кс = 9,36 кН/мм3/2. Это почти в два раза превышает оценочный уровень эксплуатационной надежности, установленный для нефтегазопроводных труб (Кс > 4,90 кН/мм3/2).

Аналогичные положительные результаты получены и при полигонных испытаниях спиральношовных труб. Эти трубы изготавливались из рулонного проката стали 06ГФБА-А производства Магнитогорского металлургического комбината (ММК) на Волжском трубном заводе (ВТЗ). Причем эти трубы не подвергались традиционной для ВТЗ объёмной термической обработке. Впервые в практике двух предприятий (ММК и ВТЗ) спиральношовные трубы большого диаметра (720 мм и 1020 мм) изготовлены без объёмной термической обработки из рулонов, поставленных после контролируемой прокатки и сертифицированных на заданный класс прочности.

Электросварные прямошовные трубы из стали 06ГФБА-А испытывались также на стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением и на стойкость против водородного растрескивания (типа расслоения). Испытанию подвергались образцы как из основного металла труб, так и со сварным швом. По заключению ООО «Газпром ВНИИГАЗ», проводившего эти исследования, испытанные электросварные трубы из стали 06ГФБА-А (основной металл и продольный сварной шов) характеризуются высокой стойкостью против сероводородного растрескивания типа расслоения под действием сероводородсодержащей среды. Так, стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением при испытаниях составила: на образцах из основного металла более 0,8 до 1,0 предела текучести, равного 412 Н/мм2, на образцах со сварным швом – 0,7 и более.

Стойкость против водородного растрескивания на образцах основного металла и на образцах со сварным швом, характеризуемая показателем длины трещин и показателем толщины трещин, установлена одинаково высокая, то есть трещины не были обнаружены ни на одном образце основного металла и ни на одном образце со сварным швом [2-4].

3 СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ ТРУБНОЙ СТАЛИ. КОНТРОЛИРУЕМАЯ ПРОКАТКА 

Существует несколько способов упрочнения трубной стали, которые имеют широкое применение в производстве:

         1.  Термомеханическая обработка заключается в пластическом деформировании аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском.

         2.  Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше точки Ас3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. Нагрев под закалку производят токами высокой частоты, пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок, а также лазерным излучением.

       3.  Обработка холодом  проводится для повышения твёрдости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали до температуры нижней мартенситной точки.

       4.  Упрочнение поверхности методом пластического деформирования — происходит наклеп поверхности детали в результате холодной деформации, позволяющий повысить ее усталостную прочность.

      5.  Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства. К этой обработке относятся цементация, нитроцементация,  азотирование, цианирование — цель: твёрдости, износостойкости и предела выносливости на поверхности детали; диффузионная металлизация (алитирование, силицирование, хромирование и т. д.) — цель: повышение коррозионной стойкости поверхности при работе в разных коррозионных средах [5].

6. Контролируемая прокатка - это разновидность процесса высокотемпературной термомеханической обработки сталей и сплавов, характеризующегося регламентированным, в зависимости от химического состава, условиями нагрева металла, температурными и деформационными параметрами процесса и заданными режимами охлаждения металла на различной стадии пластической обработки.

В результате эта технология позволяет получать оптимальные сочетания прочностных и вязких свойств готового проката без использования термической обработки и при более низком расходе дефицитных легирующих добавок.

Выбор направления контролируемой прокатки связан с теоретической предпосылкой необходимости получения при прокатке мелкого ферритного зерна (в сочетании с дисперсперсионным твердением или без него). Первоначальные работы по контролируемой прокатке проводили, основываясь на положении,  что предпосылкой получения мелкого ферритного зерна является наличие мелкого аустенитного зерна, причем величину зерна можно затем уменьшить понижением температуры конца прокатки.

Контролируемая прокатка представляет собой высокотемпературную обработку низколегированной стали, заключающуюся в том, что нагрев под обработку давлением и режим обжатий до достижения температуры конца прокатки обеспечивают получение рекристаллизованного аустенитного зерна наименьшей величины. Обычно на заключительной стадии прокатки требуется применение достаточно интенсивных обжатий .и обеспечение низкой температуры конца прокатки (850—650 °С). Использование чрезмерно низких температур конца прокатки не рекомендуется из-за возможного чрезмерного наклепа образующегося феррита и неполной его рекристаллизации, что может сопровождаться повышением переходной температуры. По данным работы [6], контролируемая прокатка, оптимизированный нагрев и прокатный процесс, обеспечивающие получение мелкого ферритного зерна в результате двух механизмов, — через мелкие рекристаллизованные аустенитные зерна, образованные при горячей прокатке в интервале средних температур, и через деформацию аустенита ниже температуры рекристаллизации, усиливающую зарождение ферритных зерен.

Малоуглеродистые стали с комплексным упрочнением и гетерофазной структурой, содержащей продукты низкотемпературного распада аустенита.

Стали со структурой, содержащей полигональный феррит, бейнит и мелкие островки мартенсита (остаточного аустенита), имеют непрерывную диаграмму растяжения без площадки текучести. В противоположность сталям с ферритно-перлитной структурой это может обеспечивать заметное деформационное упрочнение в процессе производства, обнаруживая увеличение прочности металла трубы по сравнению с заготовкой, что расширяет перспективы применение сталей данного класса. Уменьшить площадку текучести и усилить тенденцию к образованию плавной диаграммы растяжения можно в результате замены перлита бейнитом при наличии мартенситно-уастенитной составляющей. Следует отметить, что в значительной степени снижение передела связано с действием остаточных напряжений на макроуровне. В связи с этим влияние микроструктуры проявляется более сложно, что требует отдельного рассмотрения. В листах толщиной до 12 - 15 мм площадку текучести можно устранить при условии выполнения соотношения:

              32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2.5 Ni > 23

К сожалению, российские металлурги пока ещё не полностью готовы к промышленному производству листа и рулона из сталей данного класса, в то время как в мировую практику строительства трубопроводов уже входит применение труб класса точности Х100 и Х120.

Очевидно, что малоуглеродистые стали нового поколения, прочность которых обеспечивается за счёт формирования низкотемпературных продуктов превращения, отличаются уникальным комплексом свойств по сравнению с феррито - перлитными с дисперсионным и субструктурными упрочнениями. Уровень свойств ферритно-перлитных (малоперлитных) сталей в значительной степени определяется степенью упрочнения феррита вследствие создания субструктуры и выделения в нём карбидонитридов, главным образом ванадия [7].

Контролируемую прокатку осуществляют на толстолистовых реверсивных и непрерывных широкополосных станах. При контролируемой прокатке листов большие обжатия производят преимущественно в области низких температур (ниже 800 оС) [8]. Заканчивают прокатку при температурах до 700°С. Контролируемую прокатку на широкополосном стане осуществляют в области высоких температур, при которых происходит быстрая рекристаллизация аустенита. Важными моментами технологии контролируемой прокатки в этом случае являются скорость охлаждения полосы до температуры превращения аустенита и температура смотки полосы в рулон. Следует иметь в виду, что влияние модифицирующих элементов (ниобия, ванадия и др.) на дисперсионное твердение стали зависит от условий охлаждения единичных листов пли полос.