Повышение служебных свойств трубной стали контролируемой прокаткой

Содержание

Введение

1. Состояние мирового и отечественного производства стальных труб

2. Виды труб для магистальных трубопроводов

3. Получение трубной стали контролируемой прокаткой

4. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения

Вывод

Список используемой литературы

Введение

Современной тенденцией на рынке горячекатаного проката является расширение его номенклатуры при одновременном ужесточении требований по качеству продукции. В полном объеме удовлетворить эти требования возможно путем комплексного подхода к определению технологических параметров производственного процесса.

К параметрам технологии контролируемой прокатки с последующим ускоренным охлаждением относят режим и температуру нагрева металла под прокатку, температуру начала прокатки, величину суммарной деформации, схему прокатки в черновой группе клетей, подстуживание раската на промежуточном рольганге, температуру окончания прокатки в чистовой группе клетей, а так же режим охлаждения на отводящем рольганге. Разрабатывая рациональные температурно-деформационные режимы прокатки, необходимо определять статистические зависимости, описывающие потребительские свойства готовой продукции /1/.

Развитие технологии контролируемой прокатки обусловлено переходом к использованию трубопроводов в условия низких температур, на больших глубинах и агрессивных средах, а в ряде случаев и с учетом влияния разрушающих воздействий. В зависимости от места прокладки к служебным свойствам труб предъявляют различные требования. Вид, конструкция, химический состав транспортируемой среды так же оказывает большое внимание на выбор соответствующих сталей.

1. Состояние мирового и отечественного производства стальных труб

В настоящее время производственные мощности стальных труб в мире оцениваются примерно в 90 млн. т. и объединяют более 500 трубных компаний, имеющих более 900 производственных площадок /3/.

За последние годы лидирующие позиции в производстве стальных труб занимает Китай с устойчиво высокими темпами роста (более 12%), что позволяло за пять лет удвоить производство труб в этой стране, достигнув уровня выпуска ~ 22 млн. т/год.

Для трубного производства в России последние годы характерны постоянно растущим спросом рынка на трубную продукцию, особенно в период 2005-2007 гг. В 2008 г. основные тенденции производства стальных труб в России, характерные для 2007 г., сохранились. По прогнозам, потребление стальных труб в России на 2010 г. достигнет 10.5 млн. т.

Доля сварных труб в общем объеме их выпуска в России, а так же Китае, Германии, Франции находится на одном уровне (53-58%), что свидетельствует о рациональной структуре производства труб в России.

В настоящее время Россия является крупнейшим мировым производителем и потребителем стальных труб, занимая третье место после Китая и Японии.

2. Виды труб для магистральных трубопроводов

В мировой практике применяют следующие виды труб для магистральных трубопроводов /5/:

1. Бесшовные магистральные трубы изготавливают диаметром от 25 до 710 мм с толщиной стенки 3-100 мм из круглых непрерывнолитых слитков.

Бесшовные магистральные трубы применяют для прокладки трубопроводов на большой глубине. Бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы используют для бурения месторождения газа и нефти.

К бесшовным трубам предъявляются следующие требования: стабильно узкий диапазон значений придела текучести, высокая вязкость, высокие коррозионные свойства, хорошая свариваемость и высокая сопротивляемость знакопеременным нагрузкам на изгиб. Эти требования обеспечиваются химическим составом сталей с низким значением углеродного эквивалента и низким содержанием углерода, наличие марганца, хрома, меди и никеля - легирующих элементов, а также ниобия и титана - микролегирующих элементов.

2. Спиральные трубы большого диаметра изготавливают диаметром 355-2540 мм с толщиной стенки 4.5-23 мм.

Спиральные трубы используют для магистральных трубопроводов в Африке, Азии, на Ближнем Востоке, в Германии, Перу, Канаде.

К спиральным трубам предъявляют следующие требования: высокая точность труб по овальности, высокое качество сварного шва, стабильно узкий диапазон значений придела текучести, высокая вязкость, высокие коррозионные свойства, хорошая свариваемость и высокая сопротивляемость знакопеременным нагрузкам на изгиб.

3. Прямошовные трубы изготавливают диаметром в диапазоне от 508 до 1626 мм и толщиной стенки от 7 до 41 мм.

Прямошовные трубы используются чаще, так как у них более короткий сварной шов. Требования к качеству аналогичны, что и у спиральных трубопроводов.

3. Получение трубной стали контролируемой прокаткой

Контролируемая прокатка - разновидность термомеханической обработки, она представляет собой обработку металла давлением, регламентируемую определенной температурой окончания прокатки (~ 800 - 850°С) и заданной степенью обжатия (15 - 20%) в последних пропусках.

Основной принцип контролируемой прокатки заключается в измельчении аустенитного, а соответственно и ферритного зерна, что приводит к одновременному повышению прочности и вязкости стали. Решающая роль при этом отводится температурным условиям процесса. При ограничении деформации в аустенитной области можно выделить три диапазона температуры в соответствии с ее влиянием на структуру стали (рисунок 1). Выше 1000 Сº: образование крупных рекристаллизованных зерен аустенита, которые при полиморфном превращении, образуют грубую структуру феррита и структуру верхнего бейнита.1000 - 900 Сº: аустенит измельчается повторяющейся рекристаллизацией, в результате образуется мелкозернистый феррит. Ниже 900 Сº: получение мелкозернистой ферритной структуры /2/.

Рисунок 1 - Схема изменений в аустените в процессе контролируемой прокатки.

При горячей пластической деформации металлов изменяется их структура и субструктура, характер которых зависит от температуры и степени деформации /6/.

Схема получения трубной стали делится на две стадии (рисунок 2):

Рисунок 2 - Схемы структурных изменений металла при контролируемой прокатки.

Первая (черновая) стадия прокатки слябов сопровождается многократной рекристаллизацией металла с измельчением и гомогенизацией зерна аустенита. После завершения черновой прокатки при температуре не менее 980 Сº подкат подслуживается на воздухе да температуры 880 - 850 Сº.

На второй стадии прокатки (чистовой клети), где температура конца прокатки составляет 750-700 Сº, рекристаллизация отсутствует и зерна аустенита приобретают вытянутую форму. Из-за начавшегося полиморфного превращения и деформации в двухфазной зоне (феррит + аустенит) происходит дислокационное упрочнение образованного феррита. Мелкозернистость аустенита и феррита, высокая плотность дислокаций и тонкодисперсное распределение выделений повышают прочностные свойства металла при хороших показателях вязкости.

Для улучшения структуры металла (уменьшения количества перлита) и некоторого повышения прочностных свойств (на 20 Н/мм²) применяют ускоренное охлаждение непосредственно за чистовой клетью до температуры 550-650 Сº. После ускоренного охлаждения металл подвергают замедленному охлаждению в интервале температур от 500 до 100 Сº в течении 2 - 4 суток, это предотвращает возможность образования внутренних дефектов сплошности из-за неконтролируемого выделения водорода.

4. Служебные свойства трубных сталей и способы их повышения

Трубные стали - стали с определенным химическим составом и определенными служебными свойствами.

Как известно, при контролируемой прокатки за счет специально подобранных композиций стали (марок стали) и температурно-деформационных режимов обработки удается непосредственно после горячей прокатки получить заданное структурное состояние металла, обеспечивающее высокий комплекс механических свойств (прочности, вязкости, хладостойкости, свариваемости).

Как правило, для контролируемой прокатки применяют конверторную сталь, разлитую на МНЛЗ в слябы, нагреваемые в методических печах.

Нормативно-технические требования к стали, прокату (штрипсам) и трубам основаны на американском (API 5L) или европейском (ISO 3183 - 3 - 2006) согласованных между собой стандартах /3/.

В таблице 1 приведены принятые обозначения для характеристик групп прочности сталей в соответствии с ГОСТ Р 52079 - 2003.

Таблица 1 - Обозначения категории прочности стали в соответствии с разной нормативно-технической документацией.

Категории прочности в соответствии со стандартами
ISO 3183 - 2006	ARI 5L	ГОСТ Р 52079 - 2003
L245	В	К38 - 42
L290	Х42	К48
L360	Х52	К52
L415	Х60	К56
L450	Х65	К60
L485	Х70	-
L555	Х80	-

Этапы развития сталей по категориям прочности, содержанию основных элементов и видам термической обработки для магистральных трубопроводов показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Этапы развития сталей для магистральных трубопроводов.

Производство штрипсов начинали практически со стали Ст3 (категории прочности К28 - К42), введя регламентацию температуры конца прокатки и степени деформации в последних проходах, а так же нормализацию листов с отдельного нагрева. Затем перешли на углеродомарганцовистые стали марок 17Г1С и 17Г1С - У (категории прочности К52), поставляемые в нормализованном состоянии. Основными недостатками таких сталей были:

1. Низкое сопротивление хрупкому разрушению, оцениваемое по доли волокна в изломах (DWTT).

2. Недостаточная ударная вязкость при температурах эксплуатации и монтажа трубопроводов.

3. Ухудшенная свариваемость, обусловленная высоким углеродным эквивалентом (С_экв ≈ 0.46), что вызывало необходимость подогрева труб при сварке в полевых условиях.