МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

РУЛОННАЯ ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ 09Г2СФ ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ГАЗОПРОВОДНЫХ ТРУБ ДИАМЕТРОМ 1420 ММ В СЕВЕРНОМ ИСПОЛНЕНИИ

В связи с интенсивным развитием газонефтепроводного транспор­та, резким увеличением общего объема добываемого газа в северных районах страны и, особенно в Сибири, возникла необходимость су­щественного увеличения пропускной способности строящихся трубо­проводов, а также создания новых эффективных способов транспор­тировки газа. При существующем сортаменте труб (диаметром до 1420 мм) наиболее целесообразным является увеличение пропускной способности трубопроводов, которое достигается путем повышения рабочего давления. Трубная промышленность в десятой пятилетке освоила серийное производство газопроводных труб диаметром 1420 мм из малоперлитной стали 09Г2ФБ контролируемой прокатки на рабочее давление 7,5 МПа. Дальнейшее повышение рабочего дав­ления до 10—12 МПа позволит существенно увеличить пропускную способность строящихся трубопроводов. Развитие производства ста­лей для магистральных газопроводов с такими высокими парамет­рами должно учитывать повышенные требования, предъявленные к основному металлу таких труб. Низколегированная сталь должна обладать как необходимой прочностью, так и высоким сопротивле­нием хрупкому и вязкому разрушению при температурах монтажа и службы газопровода. С увеличением диаметра труб и их рабочего давления существенно возрастает толщина листовой стали, из кото­рой изготавливаются такие трубы. В зтом случае возникают опреде­ленные трудности в достижении как необходимой прочности, так и вязкости даже при использовании специальных мер, например, огра­ничение температуры окончания прокатки или специальная терми­ческая обработка в виде нормализации или термоулучшения. Прин­ципиально новым методом повышения надежности газопроводных труб является применение труб многослойной конструкции, изготов­ленных из рулонной, относительно небольшой толщины, полосы, про­катанной на высокопроизводительных широкополосных станах.

По имеющимся данным при одном и том же химическом составе стали переход с монолитной трубы на многослойную, состоящую из

4-х и более плотно прилегающих друг к другу слоев, повышает экс­плуатационную надежность трубопровода. За счет использования тон­колистовой стали многослойная конструкция позволяет удовлетво­рить высокие требования, предъявляемые к трубам в части их стой­кости против распространения хрупкой трещины. Поэтому много­слойные трубы рекомендуют для сооружения газовых магистралей на высокое рабочее давление — 10—12 МПа, эксплуатируемых при температуре минус 20 °С.

Для обеспечения в металле многослойных труб, гизготавливаемых из рулонной полосы толщиной 4—5 мм, следующих механических свойств: временнвго сопротивления — не менее 600 МПа, ударной вязкости на образцах с острым надрезом при —20 °С — не менее 80 Дж/см2 и доли вязкой составляющей в изломе составных образцов DWTT (4—5 слоев) при той же температуре — не менее 80 %, с уче­том необходимости ограничения углеродного эквивалента до 0,43 % ЦНИИчерметом была разработана малоперлитная сталь 09Г2СФ, состав которой определяется заданными свойствами и технологией ее производства на широкополосном стане (табл. 1). Сталь 09Г2СФ оптимально легирована марганцем (1,5—1,7 %), кремнием (0,5— 0,8 %), ванадием (0,07—0,09 %), которые в сочетании с углеродом (0,10—0,13 %) создают необходимые условия для упрочнения твер­дого раствора и выделения второй карбонитридной фазы. Роль ва­надия совместно с алюминием и азотом (до 0,013 %) заключается также в обеспечении мелкозернистости, благоприятно влияющей как на прочность, так и вязкость стали при минусовых температурах. Снижение содержания серы до 0,015 % способствует ограничению общей протяженности сульфидных включений. Требуемая вязкость и хладостойкость должна обеспечиваться дополнительным измельче­нием структуры, вызванным применением современных методов про­катки по контролируемым режимам.

Согласно техническим условиям, рулонная сталь толщиной 3,5—

5,5 мм и шириной 1680 мм для многослойных труб диаметром 1420 мм должна обладать свойствами, указанными в табл. 2 (вес рулона 15 т). Углеродистый эквивалент, установленный по известной формуле

Сэ = С + -^2- + - F-, не должен превышать 0,43. Технологию произ-

О О

водства рулонной стали 09Г2СФ отрабатывали с использованием ко­операции двух металлургических заводов. Выплавку и разливку металла осуществляли на Ново липецком металлургическом заводе (HJIM3) и прокатку — на Череповецком металлургическом заводе

(ЧМЗ). Это вызвано тем, что для достижения необходимой чистоты стали по сере (до 0,015 %) на HJIM3 установлено оборудование для обработки синтетическим шлаком, а ЧМЗ оснащен наиболее мощным широкополосным станом непрерывной прокатки, позволяющим про­катывать относительно тонкую (4 мм) и широкую полосу (1680 мм).

Выплавку стали на НЛМЗ осуществляли в 160-тонных конверте­рах с обработкой в ковше жидким синтетическим шлаком, при кото­рой достигается снижение содержания серы до 0,008—0,012 %. Раз­работанная технология выплавки обеспечивает получение стали в довольно узких пределах содержания основных элементов (табл. 1). Сталь разливали на HJIM3 на слябы сечением 240 X 1710 мм, кото­рые направляли на Череповецкий металлургический завод.

Наибольшие трудности вызвала отработка режимов контролируе­мой прокатки на стане 2000 с целью обеспечения необходимой геомет­рии полос и рулонов (ребровая кривизна не более 15 мм на 10 м дли­ны, телескопичность рулонов не более 50 мм) при относительно не­большой толщине и максимальной ширине полос (4 X 1680 мм). В результате поисковых и экспериментально-промышленных работ определили оптимальный режим контролируемой прокатки, при ко­тором достигается как необходимая геометрия полосы, так и требуе­мый комплекс ее механических свойств. Для получения этого ком­плекса на полосовой стали 09Г2СФ прокатка должна производиться так, чтобы окончание прокатки осуществлялось при температуре не выше 860 °С (Гк. пр)і а смотка полосы в рулоны после ее охлаждения водяными струями — при температуре 570—600 °С (Геи). Прокатка по указанному режиму обеспечивает следующий уровень механических свойств в полосе толщиной 4,1 мм: ов — 600—700 МПа, ат — 460— 540 МПа, 65 - 27-34 %, KCV - 20 °С - 90-180 Дж/см2 DWTT - 20 °С — 85—100 % (табл. 2). Исследование свойств рулонной стали 09Г2СФ (толщина стали 4,1 мм, ширина 1680 мм, рулон 15 т) показа-

ло, что прочностные и пластические свойства по длине достаточно рав­номерны (табл. 3). Как видно, в середине рулона уровень прочности и вязкости несколько ниже, чем в начале и конце рулона, однако он полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям.

При увеличении толщины полосы от 4 до 6 мм прочность стали 09Г2СФ (Ткп — 860—870 °С; Тск — 550 °С) несколько снижается (табл. 4). При этом в середине рулона наблюдается ухудшение вязких свойств; ударная вязкость при температуре — 20 °С снижается до 75 Дж/см2, что не удовлетворяет требованию технических условий (не менее 90 Дж).

При толщине 8 мм прочность рулонной стали уменьшается до 590 МПа. В этом случае для обеспечения требуемых свойств металла необходима корректировка химического состава стали и технологии ее прокатки.

Как показали специальные испытания (рис. 1), рулонная сталь 09Г2СФ, прокатанная по контролируемому режиму, отличается вы­соким уровнем вязких свойств при минусовых температурах (до — 60 °С). Испытание проводили на образцах с острым и круглым над­резами, а также с усталостной трещиной, нанесенной с помощью ви­братора. Часть образцов была испытана в исходном состоянии, дру-

гая — после механического старения. Из рис. 1 видно, что ударная вязкость на образцах с U - и V-образными надрезами при —60 °С со­ставляет соответственно 119 и 85 Дж/см2, а после механического ста­рения 105 и 65 Дж/сма, что указывает на высокое сопротивление ста­ли вязкому разрушению и небольшую чувствительность к старению. Наиболее полно оценка сопротивления хрупкому разрушению ме­талла производится по условным порогам хладноломкости, определяе­мым по изменению вида излома ударных образцов или образцов DWTT. Как видно (рис. 2), порог Ть0 рулонной стали 09Г2СФ лежит в интервале минус 50—70 °С, показатель Т8й, определенный на образ­цах DWTT — минус 30 °С, что указывает на достаточно высокое со­противление этой стали хрупким разрушениям.

Полученный комплекс механических свойств стали 09Г2СФ достиг­нут за счет оптимального легирования и микролегирования, а также технологии ее изготовления, обеспечивающих получение мелкозер­нистой структуры металла (балл зерна 10—12).

Таким образом, разработаны состав и технология производства рулонной стали марки 09Г2СФ толщиной 4,1 мм, обеспечивающей изготовление многослойных труб с требуемыми свойствами.