НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ГАЗОПРОВОДНЫХ ТРУБ, УСТОЙЧИВЫЕ В КИСЛОЙ СРЕДЕ

Введение

Основные тенденции развития нефте и газовой индустрии предполагают в ближайшем будущем предъявление более жестких требований к трубопроводам. Постоянное повышение эксплуатационных давлений диктует повышение прочности и вязкости сталей. Так как газовые среды становятся более агрессивными, необходимы трубопроводы специально для транспортирования влажного кислого газа. Эти требования привели к разработке труб большого диаметра, стойких против инициируемого водородом растрескивания (ШС).

Углеродистые и низколегированные стали подвержены следующим типам коррозионных повреждений во влажном кислом газе: общая коррозия; поверхностное вспучивание (блис теринг) и внутреннее растрескивание; коррозионное растрескивание под напряжением.

В отличие от коррозионного растрескивания поверхностное вспучивание и внутреннее растрескивание, известное как инициируемое растрескивание водородом (ШС) или ступенчатое растрескивание (SWS), развиваются, когда внешняя нагрузка отсутствует, если содержание водорода в стали достаточно высоко. Водородное коррозионное растрескивание под напряжением (HSCC), неверно классифицируемое сульфидное растрескивание под напряжением (SSC), имеет место только при внешних растягивающих напряжениях. Коррозионное растрескивание низкоуглеродистых и низколегированных сталей вызывает активность водорода в стали; температуру; химический состав стали; прочность и микроструктуру стали; уровень и тип механической нагрузки; длительность выдержки.

Для работы в кислом газе рекомендуются стали для трубопроводов, имеющие соответствующее сопротивление ШС и HSCC. В настоящей работе обсуждены этапы металлургического передела от стали до готовой трубы. Представлен процесс производства, обеспечивающий максимально точное соответствие спецификациям на стали для работы в кислой среде.

Разработка марок сталей для работы в атмосфере кислого газа

Такие стали требуют специальных усилий по разработке их химического состава. Содержания углерода и (или) марганца должны быть пониженными по сравнению с обычными сталями. Ограничение содержания серы i,?

уменьшение осевой ликвации играет решающую роль в повышении устойчивости стали в кислой газовой среде.

На рис. 1 локазан промышленный уровень содержания серы в сериях из 305 плавок сталей, стойких против ШС в растворе NACE

Дальнейшее снижение содержания серы обеспечивается обработкой элементами (например, кальцием), которые имеют высокое сродство к сере и способствуют понижению деформируемости сульфидов при прокатке. Для успешного применения этого метода необходимо такое низкое содержание кислорода в ста _ ли, что не могло образоваться большого количества оксидных форм, поскольку оксидные включения могут также служить центрами инициируемого водородом растрескивания (ШС).

Для снижения содержания кислорода и соответственно количества оксидов при производстве трубных сталей уже в течение ряда 96 лет применяют такие методы, как бесшлаковый слив жидкой стали из конвертера, защиту струи при непрерывной разливке для избежания контакта расплавленной стали с воздухом.

Осевая ликвация определяется в основном условиями разливки и кристаллизации. В процессе затвердевания непрерывнолитых слябов ликвация легирующих и примесных элементов определяется максимальной концентрацией этих элементов на фронте кристаллизации. Во время разливки затвердевшая оболочка сляба поддерживается направляющими роликами, которые могут изгибаться и придавать ей соответствующую выпуклую форму. Обогащенный жидкий металл от фронта кристаллизации может затем перетекать в эту выпуклость и захватываться там. Чтобы этого избежать Маннесман разработал специальный тип роликов, 0 которые представляют собой массивные цилиндры с винтовыми каналами для подачи охлаждающей воды прямо под внешней поверхностью. Интенсивное охлаждение позволяет держать сердцевину ролика все время холодной, что препятствует искривлению его поверхности. Максимальный изгиб этих тянущих роликов существенно уменьшен по сравнению с обычными. Благодаря увеличенной жесткости этих роликов возможно также использование клиновидной направляющей ручья в зоне окончательной кристаллизации. Это помогает предотвратить образование широкой зоны ликвации и даже рыхлости в осевой зоне сляба. Использование только этого типа роликов клиновидного зазора позволило уменьшить осевую ликвацию в слябах. На рис. 3 показано влияние различшх конструкций роликов на осевую ликвацию.

На сопротивление сталей водородному растрескиванию (ШС) может благоприятно влиять ускоренное охлаждение металла на толстолистовых станах. В результате получается равномерная мелкозернистая микроструктура, а также улучшаются прочностные и пластические свойства по сравнению со сталями, изготовленными при обычной схеме прокатки. Система охлаждения, применяемая для производства ускоренно охлажденной стали по Маннесману (the Mannesmann Accelerated Cooled Steel, MACOS) адаптирована в применении к толстолистовому стану.

Физикометаллургические процессы, протекающие при термомеханической прокатке в комбинации с ускоренным охлаждением, показаны на рис. 4, где приведены наиболее важные контролируемые стадии и параметры прокатки. Они включают яовторный нагрев сляба,чтобы перевести в твердый раствор карбонит риды микролегирующих элементов; черновую прокатку для получения мелкого рекристалли зованного зерна полигонального аустенита; температуру прокатки в чистовой клети 1 (FRT1), которая должна соответствовать области рекристаллизованного аустенита; степень окончательной деформации (FD) в этом интервале температур; температуру конца чистовой прокатки в клети 2 (FRT2) в аусте нитноферритной двухфазной области. Прокатка в этой области улучшает прочность листов.

Охлаждающая система может быть задействована в цикле прокатки дважды, а именно: операция охлаждения 1 следует за первой стадией чистовой прокатки и предотвращает развитие рекристаллизации или возврата в верхней части ферритной области; операция охлаждения 2 следует за второй стадией чистовой прокатки и улучшает равномерность микроструктуры.

Операция охлаждения 1 направлена на измельчение зерен феррита, тогда как операция 2 тормозит образование перлита во время охлаждения, и следовательно, увеличивает гомогенность окончательной микроструктуры.

Важнейшие параметры операций охлаждения: скорость охлаждения и температура прерывания ускоренного охлаждения (CST).

По сравнению с другими охлаждающими системами система Маннесмана позволяет осуществлять охлаждение после второй и третьей стадий прокатки, поскольку, вопервых, она компактна и, вовторых, установлена в 5м клети перед горячей правильной машиной (рис. 5). Охлаждающая система спроектирована так, что позволяет охлаждать листы шириной до 5 м, длиной до 20 м и толщиной до 40 мм, которые требуются для производства труб большого диаметра [з]. Сравнительная оценка эффективности систем охлаждения разбрызгиванием струй, ламинарным течением из трубок и ламинарно текущими завесами свидетельствует о преимуществе последних изза их равномерного охлаждающего эффекта. Эти охлаждаюшие завесы установлены так, что лист можно охлаждать и сверху, и снизу.

Все операции прокатки и охлаждения проводятся под комьютерным наблюдением и контролем. Параметры охлаждения, которые варьируются в зависимости от толщины и температуры после второй и третьей стадий прокатки, также определяются специальной управляющей программой компьютера. Она позволяет варьировать скорость потока охлаждающей воды и скорость выводного рольганга. Равномерность охлаждения подтверждается замерами распределения температуры на поверхности листа. Равномерность микроструктуры и механических свойств в готовом листе также свидетельствует о высокой эффективности охлаждения [4].

На рис. 6 показано влияние ускоренного охлаждения на механические свойства и сопротивление ШС стали, которая чувствительна к ШС после обычной схемы прокатки. Оценка растрескивания в образцах, подвергнутых ШС в стандартном растворе, была проведена с помощью УЗК. Величина относительной площади растрескивания CAR представляет собой отношение площади, занимаемой трещинами, к площади образца в плоскости листа.

Сварка

Большинство спецификаций заказчиков на трубы для кислых сред требуют ограничения максимальной твердости не выше 248 HV 10. Это требование распространяется не только на трубы, но также на ЗТВ (зону термического влияния) круговой сварки. Максимальных значений твердости можно ожидать вблизи сварного шва. Поэтому следует уделять специальное внимание химическому составу металла продольных швов в связи с аспектами полевой сварки, где контролируется твердость ЗТВ Тобразного соединения.

Как видно из данных рис. 8, продольные швы свариваемого металла при дуговой сварке Мп—Ni—Моэлектродами характеризуются относительно высоким содержанием углерода и более высокой твердостью в Тобразных областях ЗТВ по сравнению с основным металлом (состава, типичного для сталей, назначаемых для кислых окружающих сред). Это объясняется относительно высоким содержанием в них никеля и молибдена при сходстве остального состава. Только с применением относительно

высоких температур предварительного подогрева и между проходами сварки появилась возможность уменьшить твердость до значений ниже 248 HV 10. До производства труб по заказам были проведены серии испытаний для оптимизации состава металла сварного шва таким образом, чтобы его твердость была сравнима с твердостью листа при требуемой вязкости. Это было достигнуто использованием специально разработанной низкоуглеродистой легированной титанобористой сварочной проволоки, остальной состав которой очень близок к основному металлу. Дополнительным требованием для получения необходимой вязкости явилось ограничение содержания азота в металле шва. Для нескольких крупных заказов требуемая вязкость центра металла шва и ЗТВ при температуре — 30 °С были: не менее 37 Дж у отдельных образцов и не менее 45 Дж для среднего значения по трем образцам. Несмотря на эти ужесточенные условия испытаний, все заказы могли быть выполнены с полным соблюдением спецификации. По требованию заказчиков использовали не содержащие молибден титанобористые, а также MnNiMo (без TiB) сварные электроды.

Результаты производства

Создание сталёй для трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях кислых сред, за последние 10 лет определялось требованиями рынка. Состояние производства трубопроводов иллюстрируют данные табл. 1 о выполнении

некоторых заказов на проекты трубопроводов для кислых сред. Они отражают изменение требований рынка к толщине стенки трубы, классу (прочности) материала и сопротивлению воздействию кислой окружающей среды (в зависимости от pH раствора, используемого для испытаний на ШС).

Химический состав стали для стенок указанных толщин приведен в табл. 2. Количество труб с более толстой стенкой составило 7000 т. Они использовались в качестве стояков трубопровода. Малые значения стандартных отклонений содержания элементов показывают, что плавки имели исключительно однородный химический состав.

В табл. 3 обобщены статистические данные о механических свойствах. Все требования спецификаций были полностью выполнены, разброс данных был очень небольшой. Статистическое представление сопротивления ШС

Представлены новые разработки марок сталей и результаты производства высокопрочных труб для кислых сред и подводного применения. Новые газопроводные стали для кислых сред характеризуются высокгаш вязкостью и сопротивлением ШС. Такие свойства были достигнуты при более "бедном" составе стали, но При высочайшем уровне ее. Это является гарантией низкой прокаливаемости стали и исключает образование включений и дисперсных частиц, вредных с точки зрения ШС.

Повышение требований к свойствам не всегда согласуется с другими ограничениями, накладываемыми на производителя стали, по отношению к выбору состава стали и способу ее обработки для получения толстых листов или труб. Поскольку одновременное улучшение всех свойств практически невозможно, необходимо тесное сотрудничество между производителем стали, разработчиком трубопровода, его укладчиком и оператором на линии, чтобы подготовить наиболее подходящую спецификацию на трубопроводную сталь.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994