Свойства термически упрочненных труб при закалке с односторонним охлаждением

Сталь для труб выплавляли на Новолипецком металлургическом комбинате в кислородных конвертерах, разливали на МНЛЗ, полосы прокатывали на непрерывном широкополосном стане и сматывали в рулон. На Волжском трубном заводе осуществляли формовку, сварку, отделку спиральношовных труб и их термическое упрочнение.

Исследовали трубы диам. 1020 и 1220 мм от 168 плавок стали текущего производства состава: 0,15-0,20% С; 0,4-0,6% Si; 1,15-1,55% Мn. Содержание остаточного алюминия составляло 0,005-0,015%. Для оценки влияния алюминия изучали трубы из аналогичной по составу стали (25 плавок) с 0,02-0,1 % Аl.

Готовые трубы нагревали для термической обработки в проходных печах по форсированному режиму. Установлен оптимальный режим термического упрочнения: закалка от 900-940° С с охлаждением в спрейерном устройстве при скорости 30-60° С/с (центральное сечение); отпуск при 630-640° С; выдержка при температурах закалки и отпуска около 2 мин.

При всех испытаниях временное сопротивление труб превышало 600 Н/мм²; относительное удлинение было выше уровня 16%, а ударная вязкость более 40 Дж/см² (при испытании образцов с полукруглым надрезом). Алюминий в исследованных пределах оказывал положительное влияние на механические характеристики. Однако при больших содержаниях несколько ухудшалось качество поверхности рулонной полосы и труб.

Структура термически упрочненных труб представляла собой мелкодисперсную равноосную феррито-цементитную смесь. В металле плавок с минимальным содержанием углерода, марганца и кремния (углеродный эквивалент С_э = 0,37) после закалки появлялось значительное количество феррит-ной составляющей — около 30 %. В стали с максимальным содержанием указанных элементов (С_э — 0,46) содержание феррита снижалось до 5—10%. Твердость закаленной стали была НУ 240-270 и НУ 440-485 соответственно для этих групп плавок. Различие в твердости по толщине стенки трубы (12,5 мм) составляло НУ 2-40. Значительный диапазон изменения структур для различных составов стали обусловливает разброс механических свойств, хотя уровень их сохраняется достаточно высоким.

Исследование зависимости ударной вязкости от содержания алюминия при близких значениях углеродного эквивалента (~0,40) показало положительное влияние его до определенного значения. Определено оптимальное содержание алюминия в стали с ограничением его верхнего уровня 0,04% для уменьшения вероятности возникновения поверхностных дефектов.

Проведены сериальные испытания ударных образцов сталей с углеродным эквивалентом 0,37 и 0,46, а также содержащих около 0,01 и 0,06 % Аl при равном углеродном эквиваленте. Полученные результаты подтвердили благоприятное влияние алюминия на характеристики разрушения стали: ударная вязкость повысилась при всех температурах испытаний, порог хладноломкости, определенный по виду излома, сместился в сторону отрицательных температур. Положительное влияние алюминия, очевидно, связано с более полным раскислением и деазотированием стали.

При относительно более высокой ударной вязкости сталь с С_э = 0,37 имела более низкий порог хладноломкости, что следует, по-видимому, объяснить увеличением доли структур закалки с повышением содержания углерода. Уменьшение доли структурно свободного феррита, т.е. более пластичной составляющей, несколько снижает уровень ударной вязкости при вязком разрушении. При этом, однако, повышается сопротивление разрушению в области переходных температур и соответственно снижается температура перехода вследствие увеличения дисперсности и улучшения однородности структуры.

Оценка хладноломкости по критерию Т50 показывает, что порог хладноломкости металла термоупрочненных труб находится в интервале температур -45...—90° С. Вязкая составляющая при этом не зависит от формы концентратора напряжений и одинакова для образцов с полукруглым надрезом и с усталостной трещиной, что характерно для стали 17Г1С в термоупрочненном состоянии. При испытании образцов с острым надрезом получили удовлетворительное сопротивление разрушению KCV > 20 Дж/см², сохраняющееся до -60° С. Аналогичные результаты получили на образцах с трещиной из стали с 0,01 % Аl и С_э = 0,37:

Провели также ударные испытания падающим грузом (проба DWTT) с запасом энергии молота 1000 кгс • м образцов 10,5 х 75 х 330 мм с надрезом глубиной 5 мм и радиусом 0,25 мм. Переходная температура Т50 была в пределах —35... - 50° С, что приближалось к значениям, полученным при ударном изгибе образцов с острым надрезом.

Натурные пневматические испытания до разрушения полноразмерных труб проводили по известной методике. Сопоставление результатов различных испытаний показывает, что надежной корреляции между методами определения переходной температуры нет. Это, по-видимому, связано с несоответствием масштабного, силового и скоростного факторов при различных видах испытаний, причем скорость нагружения оказывает, очевидно, решающее влияние. При натурных испытаниях труб размером 1220 х 10,5 мм с увеличением энергии сжатого воздуха от 5,65 до 27,6 МПа переходная температура изменялась от -20 до 0° С. При этом максимальное значение энергии сжатого воздуха составляет половину полного давления, испытываемого при службе трубой данного типоразмера при давлении 5,5 МПа (в расчете на 1 м трубы). Смещение переходной температуры в область положительных температур замедляется по мере роста энергии сжатого воздуха, что позволяет считать минимальной температурой перехода 0° С. Гидравлические испытания до разрушения показали, что металл термоупрочненных труб имел достаточно высокие прочностные и пластические свойства; коэффициент использования прочности (отношение кольцевого разрушающего напряжения к временному сопротивлению при одноосном растяжении) во всех случаях был больше 1; относительное удлинение периметра, определяющее способность трубопровода к равномерному деформированию, составляло 6-8 %; относительное поперечное сужение кромки разрыва, характеризующее способность к сосредоточенной деформации, около 40%.

Результаты комплексных исследований позволили термически упрочненные трубы диам. до 1220 мм из стали 17Г1С рекомендовать для строительства трубопроводов с рабочим давлением до 5,5 МПа и минимальной температурой эксплуатации 0° С и выше. Замена ванадийсодержащей стали 17Г2СФ сталью 17Г1С позволила снизить стоимость металла. Длительная эксплуатация труб подтвердила их высокую надежность.

В связи с ужесточением условий эксплуатации магистральных газо- и нефтепроводов авторы исследовали свойства термически улучшенных прямошовных труб большого диаметра из рафинированной и обычной стали 17Г1С. Используемая для таких труб сталь должна хорошо свариваться, в связи с чем строго лимитируется уровень углеродного эквивалента, т.е. степень легированности стали. Вместе с тем для обеспечения высокой ударной вязкости (в том числе при вязком разрушении) и сопротивляемости хрупкому разрушению сталь должна иметь низкое содержание вредных примесей и в первую очередь серы, что достигается внепечной обработкой — рафинированием металла в ковше жидким синтетическим шлаком.

Определяли механические свойства и параметры, характеризующие сопротивляемость хрупкому разрушению, стали труб диам. 1020 мм с толщиной стенки 11 мм, подвергнутых термической обработке. Чтобы исключить влияние возможных колебаний технологических параметров термической обработки, некоторые трубы сваривали из двух листов, один из которых был получен из рафинированной (Р) стали 17Г1С, а другой из обычной (О).

Под закалку и отпуск трубы нагревали по скоростному режиму и охлаждали их водой только с наружной поверхности кольцевым спрейером. Средняя по сечению трубы скорость охлаждения при закалке в температурной области наименьшей устойчивости аустенита составляла около 37° С/с.

Для более строгого сопоставления физико-механических свойств и сопротивления хрупкому разрушению карты от комбинированных труб отбирали из пояса, на котором были зафиксированы температуры закалки 940° С и отпуска 580° С.

Структура металла термически улучшенных труб представляла собой бейнит, продукт превращения в промежуточной области, и обособленные участки структурно свободного феррита. Количество ферритных участков несколько увеличивалось по мере удаления от охлаждаемой наружной поверхности вглубь стенки трубы.

При практически одинаковом содержании углерода и основных легирующих элементов трубы из рафинированной стали имели более высокие минимальные значения прочности, чем трубы из обычной стали. Это объясняется более эффективным использованием марганца в стали с низким содержанием серы, а также наличием в рафинированной стали большего количества остаточных элементов и практически полным их отсутствием в обычной стали.

Труба из рафинированной стали несколько уступает обычной по относительному удлинению (на 2,3 %), но значительно превосходит по относительному сужению — параметру, характеризующему деформационную способность до разрушения и являющемуся наиболее объективным критерием полной пластичности металла, в особенности высокопрочных сталей.

Ударная вязкость на образцах с различной остротой надреза имела достаточно высокие значения во всем исследованном температурном интервале, причем ее уровень у стали Р был более чем вдвое выше, чем у стали О.

Результаты сериальных испытаний при определении ударной вязкости KCU хорошо согласуются сданными измерений пластической деформации, предшествующей зарождению трещины и полному разрушению образцов. Об этом свидетельствует одинаковый характер изменения указанных характеристик в зависимости от температуры испытания.

При определении ударной вязкости на образцах с трещиной глубиной 2 мм, инициированной на вибраторе, было установлено, что эта характеристика (Дж/см²) у труб из рафинированной стали в интервале температур от +20 до —40° С значительно выше, чем у труб из обычной стали (единичные значения): Р 71; 71; 73 73; 75; 80 64; 68; 88 58: 58; 64 О 23; 25; 28 23; 25; 29 19; 25; 26 20; 21; 25

Разрушенные образцы с трещиной в обоих случаях при всех исследованных температурах имели полностью вязкий излом с мало заметной утяжкой у надреза, тогда как у образцов с полукруглым и острым надрезами при температуре испытания —40° С в изломе было от 50 до 15 % хрупкой составляющей.

Основываясь на этих результатах, можно предположить, что вид излома при ударном изгибе образцов с надрезами зависит от пластической деформации, предшествующей зарождению трещины, а также полному разрушению. Этим, по-видимому, и объясняются отмеченные ранее факты, что более и тастичная сталь (в частности, рафинированная синтетическими шлаками) в.температурной области, где преобладает вязкая составляющая в изломе, в ряде случаев уступает менее пластичной стали. Кроме того, судя по полученным данным, энергия, расходуемая на развитие трещины, не всегда может оцениваться работой, затраченной на разрушение образцов с предельно острым надрезом (трещиной).

Составляющие ударной вязкости при вязком разрушении определяли экстраполяцией по методу А. П. Гуляева. При более низких температурах, когда излом получается смешанным, работу зарождения трещины при заданной температуре а\ определяли приближенно как долю ее максимального значения (при вязком разрушении), пропорциональную деформации, предшествующей зарождению трещины и полному разрушению:

Определение составляющих ударной вязкости показало, что работа зарождения трещины в обычной стали равна 25 Дж/см² и практически не изменяется с понижением температуры испытания до -60° С. У труб из рафинированной стали во всем исследованном температурном интервале работа, затрачиваемая на развитие трещины, значительно больше работы, необходимой для ее зарождения.

О хладостойкости металла термически упрочненных труб судили по положению границ критического интервала хрупкости: нижней и верхней (первое появление и 100% вязкой составляющей в изломе) — и по условным порогам хладноломкости (50% вязкой составляющей в изломе и снижение ударной вязкости до 30 Дж/см²),° С.

Сталь Р и сталь О термически упрочненных труб характеризуется высокой хладостойкостью. Критический интервал хрупкости весь располагается в области отрицательных температур. Нижняя его граница Т0 у рафинированной стали сдвинута на 20° С в сторону низких температур по сравнению с расположением границы То для обычной стали. Условный порог хладноломкости Т50 стали обоих способов выплавки практически совпадает. Разница по этому показателю на образцах с полукруглым и острым надрезом составляет 10-15° С. Условный порог хладноломкости рафинированной стали сдвинут по сравнению с его положением у обычной стали по крайней мере на 40° С в сторону отрицательных температур.

После механического старения под влиянием наклепа растяжением на 10% и отпуска при 250° С в течение 1 ч ударная вязкость стали Р снижается во всем диапазоне исследованных температур, но незначительно — на 11-33%. Нижняя граница критического интервала хрупкости 7о и условный порог хладноломкости после механического старения сместились в сторону положительных температур на 20° С, положение верхней границы критического интервала хрупкости не изменилось. Все это свидетельствует об ограниченной склонности металла термически упрочненных труб к механическому старению.

Высокое сопротивление разрушению стали Р труб было установлено при испытаниях на статическое растяжение при температурах от +20 до - 60° С образцов размером 40 х 300 мм и толщиной, равной толщине стенки трубы, на которые были нанесены симметричные острые надрезы глубиной 3 мм с радиусом закругления 0,25 мм. Одновременно испытывали образцы без надрезов для оценки влияния концентраторов напряжений.

При высоких температурах испытания образцы с надрезами из стали Р разрушались вязко. Показатель прочности их был выше временного сопротивления стали — основной расчетной характеристики трубопровода Надрезанные образцы из обычной стали до температуры —40° С тоже разрушались вязко, но при —60° С часть излома была кристаллической, т.е. разрушение получалось смешанным. Прочность надрезанных образцов из обычной стали была ниже временного сопротивления.

Поскольку сталь Р имела более высокое (на 10-13%) временное сопротивлений, чем обычная сталь, для более наглядной иллюстрации преимуществ рафинированной стали изготовили комбинированные образцы из термически упрочненных труб, сваренных из листов обычной и рафинированной стали. Боковые надрезы на образцах наносили по обе стороны сварного шва на расстоянии 150 мм от его оси. При этом на стороне стали Р глубина надрезов была 5 мм, а на стороне обычной стали — 3 мм. Тем не менее образцы неизменно при всех исследованных температурах испытания разрушались по участку, выполненному из обычной стали.

Таким образом, термическая обработка электросварных труб большого диаметра из малоуглеродистой стали типа 17ГС — закалка с относительно низкой скоростью охлаждения (36-40° С/с) и последующим кратковременным высоким отпуском — позволяет получить в основном металле повышенные характеристики прочности (σ_в > 600 Н/мм²) и ударной вязкости. Такой металл характеризуется малой чувствительностью к механическому старению и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению в условиях низких температур.

Уровень механических свойств, определяющих сопротивляемость хрупкому разрушению, в сильной степени зависит от качества исходной листовой стали и, в первую очередь, от содержания в ней серы. Вязкостные свойства при отрицательных температурах термически упрочненных труб из стали, рафинированной жидким синтетическим шлаком, в два с лишним раза выше, чем из обычной стали.

Закалка с относительно низкими скоростями охлаждения приводит к образованию промежуточных структур с выделением структурно свободного феррита. Механические свойства такой стали и ее хладостойкость, как известно, снижаются пропорционально количеству структурно свободного феррита.

В связи с этим эффективность термического упрочнения газопроводных труб на действующих агрегатах могла бы быть существенно повышена увеличением скорости охлаждения при закалке в области наименьшей устойчивости аустенита (что регулируется расходом воды и давлением) и увеличением технологической выдержки при отпуске. При термическом упрочнении проката и труб это позволит отказаться от легирования никелем и молибденом (которые вводятся для увеличения прокаливаемое), понизить углеродный эквивалент, т. е. степень легированности стали, что соответствует современным требованиям потребителей, и повысить пластические и вязкостные свойства металла благодаря предотвращению образования структурно свободного феррита при закалке и полному завершению процессов превращения при отпуске.

Сопротивление разрушению упрочненных труб из марганцовистова-надиевой стали с бором было исследовано В. А. Марченко и авторами совместно с М. В. Пирусским. Трубы изготавливали из конвертерной стали, содержавшей: 0,16% С; 1,3% Мn; 0,3% Si; 0,05% V; 0,003% В; 0,006% S; 0,010% Р - и раскиленной алюминием (0,015%) с технологической добавкой 0,010 % Ti. Сталь рафинировали в ковше жидким синтетическим шлаком. Отобранная для изучения плавка была наиболее характерной по марочному составу и технологии производства.

На Волжском трубном заводе из рулонной стали изготовили спиральношовные трубы размером 1420 х 14 мм и подвергли их закалке от 900-940° С с односторонним охлаждением в спрейерном устройстве со скоростью 30-60° С/с (в центральном сечении) и отпуску при 650-660° С. Выдержка при закалке и отпуске составляла около 2 мин.

Структура закаленной стали вблизи охлаждаемой поверхности представляла смесь мартенсита и нижнего бейнита реечного строения, а после отпуска — равноосную феррито-карбидную смесь. В отдельных зернах была заметна остаточная ориентированность расположения карбидов по характерным для мартенсита кристаллографическим направлениям.

На цилиндрических образцах длиной 60 мм с кольцевым надрезом (диам 5 мм) при статическом растяжении исследовали закономерность изменения временного сопротивления и предела текучести при понижении температуры. На образцах без надреза (диам. 5 мм, длина 60 мм) определяли относительное удлинение и сужение. Охрупчивание стали при снижении температуры должно характеризоваться темпом нарастания прочности и снижения пластичности и степенью сближения значений временного сопротивления и предела текучести. Возрастание предела текучести и временного сопротивления по мере снижения температуры происходило эквидистантно до температуры -100° С. При — 196°  С кривые сближались. Соответственно характеристикам прочности изменялся уровень пластичности стали. При первоначальном снижении температуры от +20 до -40 ° С темп повышения прочностных характеристик был мал, а усиливался от —40 до —100° С и резко возрастал при снижении температуры от —100 до —196° С.

Провели сериальные испытания ударных образцов с полукруглым и острым надрезами, а также с трещиной, отобранных поперек оси трубы и поперек оси проката. Первая схема отбора проб характерна для контрольно-сдаточных испытаний и соответствует направлению главных действующих напряжений в трубе. Вторая представляет интерес как наиболее жесткий вид испытания. Опытная сталь обладала высокой хладостойкостью. Критическая температура хрупкости 780, определенная по наличию 80% волокнистой составляющей в изломе ударного образца с острым надрезом, находилась в интервале от —28 до -45° С (температурный критерий Т80 выбрали по аналогии с крупноразмерной пробой DWTT). Ударная вязкость выше нормированной техническими требованиями для образцов с острым надрезом отмечалась до -60° С. Образцы типа 11 имели ударную вязкость при всех температурах испытания ниже, чем отобранные поперек оси трубы. Порог хладноломкости T50 в этом случае находился при -15° С. Это объясняется анизотропией, свойственной полосовой рулонной стали.

Методом осциллографирования на образцах типа 11 определяли работу зарождения и развития трещины в условиях полностью вязкого и частично вязкого разрушения. Из полученных результатов следует, что основная энергия при вязком разрушении расходуется на развитие трещины.

Работа зарождения трещины мало изменялась с изменением температуры. Уменьшение работы развития трещины с понижением температуры происходило в соответствии с увеличением доли кристаллической составляющей в изломе ударного образца. Такая корреляция закономерна для низколегированных сталей.

Критическая работа развития трещины, соответствующая температуре перехода к нулевой пластичности и коррелирующая с эксплуатационными параметрами, показывает, что для аналогичных сталей она должна находиться в пределах 16-32 Дж/см². Согласно этим данным, опытная сталь 16ГФР имеет значительный запас вязкости до температуры -60° С.

На образцах, отобранных поперек направления прокатки, определяли температуру остановки хрупкой трещины в поле равномерных растягивающих напряжений (испытания по Робертсону). Критической температурой перехода из вязкого состояния в хрупкое считали температуру, выше которой хрупкая трещина, инициированная ударным нагружением и развивающаяся с высокой скоростью, при данном растягивающем напряжении способна затормозиться.  Усредненная температура остановки хрупкой трещины составляет — 18° С. Часть образцов, испытанных по методу Робертсона, была окончательно разрушена при изотермическом охлаждении при температурах от -102 до —57° С. Образцы разрушались хрупко, что позволило определить коэффициент К.

При испытаниях образцов типа DWTT, отобранных поперек оси трубы и поперек оси проката, 100 % волокнистой составляющей в изломе наблюдали до температуры -20° С. В изломе образцов, вырезанных поперек оси проката, 80 % волокнистой составляющей (норма при -15° С, регламентированная техническими требованиями) было при температуре -(20...30)° С. Для проб, отобранных поперек оси трубы, критическая температура хрупкости находилась при -(31...40)° С.

Трубы класса прочности выше 585 Н/мм² рекомендованы для строительства газо- и нефтепроводов. Они обеспечивают значительную экономию металла, повышение рабочих характеристик и производительности трубопроводов. При этом также экономятся легирующие элемента (молибден, ниобий, никель), обычно используемые при производстве высокопрочных сталей.