к к
УДК 620.193
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ НА ЧИСТОТУ ПО КОРРОЗИОННО-АКТИВНЫМ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ ВКЛЮЧЕНИЯМ В ТРУБАХ ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ
© И.И.Лубе, А.А.Печерица, И.В.Неклюдов, ОАО "ВТЗ", И.Г.Родионова, А.И.Зайцев, ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, Л.Г.Марченко, А.В.Емельянов, В.И.Столяров, ЗАО "ТМК"
В последнее время реальные сроки эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов значительно сократились и стали ниже нормативных из-за масштабных коррозионных разрушений. Это обусловлено, главным образом, процессами локальной коррозии трубного металла - язвенной и кана-вочной и относится, в частности, к промысловым нефтепроводам, транспортирующим обводненную нефть и минерализованную воду.
Установлено, что основной причиной ускоренной локальной коррозии труб является загрязнение стали коррозионно-активными неметаллическими включениями (КАНВ), характеризующими металлургическое качество трубной стали в отношении ее коррозионной стойкости.
Результатами исследований выявлено существование двух основных типов коррозионно-активных неметаллических включений: КАНВт - включения на основе алюминатов кальция и КАНВ2 - сложные включения, содержащие сульфид кальция [1-3]. Это стало основой для разработки технических требований и оформления для ОАО "ВТЗ" технических условий ТУ 14-1-5439-2001 "Трубы бесшовные горячедеформи-рованные нефтегазопроводные повышенной стойкости против локальной коррозии и хладостойкости" из стали 20-ПКС (сталь 20 повышенной коррозионной стойкости). Трубы, поставляемые по указанным техническим условиям, изготавливаются из стали с гарантированной чистотой по КАНВ -количество КАНВ каждого типа не должно превышать 2 вкл./мм2, что, при соблюдении прочих условий, также обеспечивает высокую стойкость труб против общей коррозии, сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением и водородного охрупчивания.
Для повышения хладостойкости металла труб предусмотрено ограничение по содержанию серы (не более 0,008%) по сравнению с обычной сталью 20, а также микролегирование ниобием (0,03%) или ванадием (0,08%). Все остальные технические характеристики стали и труб соответствуют СНиП.
см
2 г
ш со
X <
ж
л
I-
о о
X
I-
о с
С
Комплекс перечисленных технических требований ориентирован на условия эксплуатации труб в Западной Сибири, где основной транспортируемой средой является обводненная нефть и вода с повышенным содержанием ионов хлора, углекислого газа и некоторых других компонентов при отсутствии сероводорода. Полученная сталь 20-ПКС обладает свойствами, гарантирующими стойкость против общей и локальной коррозии в течение длительного срока, превышающего нормативные показатели. Последующие коррозионные испытания металла в нефтепромысловых средах, содержащих сероводород, свидетельствуют о необходимости ограничения не только плотности КАНВ, но и содержания серы в стали на уровне 0,003-0,005% для обеспечения удовлетворительной коррозионной стойкости в таких условиях.
С целью освоения производства в условиях ОАО "ВТЗ" труб из стали 20-ПКС исследовано влияние технологических параметров внепечной обработки на загрязненность стали КАНВ. Для анализа отбирали пробы жидкой стали, непрерывно литой заготовки и готовой трубы. Полученные результаты с привлечением методов физико-химического моделирования процес-
Без обработки В г С а С обработкой 81 Са
Влияние обработки жидкой стали силикокальцием на плотность КАНВ в стали
сов внепечной обработки позволили разработать рекомендации по технологии производства стали для труб повышенной коррозионной стойкости.
Исследование образования КАНВ в стали, полученной без использования вакуумирования. Анализ образцов, отобранных от труб текущего производства ОАО "ВТЗ" на первом этапе выполнения работы (2001-2002 гг.), показал, что загрязненность металла КАНВ несколько выше при обработке стали силико-кальцием в ковше (рисунок). Поэтому отработку технологии производства стали 20-ПКС вели без применения силикокальция и других кальцийсодержащих материалов при внепечной обработке.
Основная технологическая схема для первых серий плавок предусматривала выплавку стали в 150-т электропечи, проведение обезуглероживания до 0,10% углерода, обеспечение температуры металла на выпуске 1650-1670 °С; раскисление стали, в основном, на выпуске из печи чушковым алюминием в количестве не менее 150 кг, а также введение смеси извести и плавикового шпата в количествах 1000 и 150-200 кг соответственно. При обработке стали на установке печь-ковш по результатам контроля окисленности производился дополнительный ввод алюминиевой проволоки до достижения активности кислорода не более 5 ррт, затем осуществлялся ввод ферросплавов.
При проведении первой опытной плавки после де-сульфурации металла до концентрации серы менее 0,010% дополнительно было опробовано влияние снижения основности шлака присадкой в ковш 700 кг шамота с выдержкой под шлаком не менее 15 мин. Анализ КАНВ в пробах жидкой стали показал, что после введения алюминия КАНВ в стали отсутствовали. После введения ферросплавов в стали появились КАНВ в небольшом количестве - около 1 вкл./мм2 первого и второго типов. Введение шамота повысило концентрацию КАНВ второго типа в жидкой стали. Их распределение по поверхности исследованных образцов было неравномерным, также было неравномерным растворение металла вокруг включений после обработки специальным реактивом (для выявления КАНВ2). Описанные включения возникли в результате взаимодействии ковшевого шлака с присутствующими в металле глиноземом (продукт раскисления) и добавками шамота. Введение шамота, кроме того, снизило термодинамическую активность СаО в шлаке, привело к ресульфу-рации и образованию на вновь сформировавшихся включениях сульфидной оболочки. Конечное содержание серы в металле данной плавки составило 0,003%. Очевидно, что возможность формирования КАНВ2 определяет не столько достигнутое конечное содержание серы в стали, сколько неравномерность концентрации серы в металле в процессе его обработки. Так как содержание остальных элементов, соответствующее требованиям к стали 20, в первой и других опытных плавках не оказало влияния на загрязненность стали КАНВ, в данной работе оно не приводится.
ю
о
«
О
Анализ загрязненности стали данной плавки КАНВ £ на образцах, отобранных от готовых труб, показал еле-дующие результаты: КАНВ! - 0,33 вкл./мм2, КАНВ2 - | 1,05 вкл./мм2. При удовлетворительных средних пока- £ зателях (менее 2 вкл./мм2 каждого типа) следует отметить неравномерность распределения и значительные ореолы (до 0,6 мм в диаметре) зон травления вокруг КАНВ2. И хотя методикой и техническими условиями регламентируется только средняя плотность КАНВ, определяемая по оценке шести шлифов от плавки, отмечено, что на некоторых шлифах плотность КАНВ2 превышала значение 2 вкл./мм2, а по некоторым полям зрения составляла 5 вкл./мм2.
Вторую опытную плавку выполняли по той же технологии, но без ввода шамота. Как и в первом случае, появление КАНВ было зафиксировано только после добавки ферросплавов. Основное отличие составов КАНВ первого и второго типов заключалось в разном соотношении концентраций кальция и алюминия. Это, по всей видимости, определяет и разное агрегатное состояние включений перед кристаллизацией стали. КАНВ-| были твердыми, что привело к напряженному, измененному состоянию матрицы вокруг включения. КАНВ2 были жидкими, что подтверждается их сферической формой. Об участии ковшевого шлака в формировании КАНВ обоих типов свидетельствует присутствие в них серы. Именно наличие шлака делает возможным существенное поглощение серы включениями. Плотность КАНВ первого и второго типов в образцах, отобранных от непрерывнолитой заготовки и готовых труб, составила 0,45; 1,85 вкл./мм2 и 0,79; 0,45 вкл./мм2 соответственно, т.е. имеет удовлетворительные значения. Некоторое различие представленных показателей может быть связано с неравномерностью распределения КАНВ по объему литой заготовки.
Отличительной особенностью третьей плавки была более длительная, но менее интенсивная продувка аргоном, введение плавикового шпата, извести и кокса в процессе внепечной обработки. КАНВ обоих типов обнаружены в стали после введения ферросплавов; их концентрация составляла от 1 до 4 и от 0 до 22 вкл./мм2 соответственно. К завершению внепечной обработки КАНВ1 были полностью удалены. Плотность КАНВ2 составляла до 4 вкл./мм2. В готовых трубах КАНВ! также не обнаружены, а средняя плотность КАНВ2 составила 1,8 вкл./мм2.
Следует отметить, что при проведении всех трех плавок температура металла при внепечной обработке была не ниже 1600 °С. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при отсутствии обработки расплава кальцийсодержащими материалами и соблюдении других технологических параметров, основным фактором, определяющим появление КАНВ в стали, является введение добавок (ферросплавов, кокса и других компонентов) при внепечной обработке.
При выплавке второй серии опытных плавок (2003 г.), куда вошли низколегированные стали 09Г2С
к
к <
Е-Ы 2
Химический состав и другие параметры опытных плавок низколегированных сталей 09Г2С и 17ГФ
Марка стали № плавки Содержание элементов, % масс. А1 $ Мп ^кво> °с канв2, вкл./мм2
С & Мп Р 8 Сг № Си Мо А1 V Са
17ГФ 1 0,18 0,20 1,25 0,019 0,008 0,12 0,17 0,16 0,015 0,001 0,053 0,0006 0,006 0,04 0,26 1605 Единичные
2 0,19 0,22 1,35 0,017 0,003 0,11 0,13 0,19 0,016 0,001 0,058 0,0006 0 0,017 0,084 1546 >2
3 0,19 0,24 1,27 0,016 0,004 0,10 0,10 0,17 0,008 0,006 0,059 0,0006 0 0 0,063 1575 >2
4 0,20 0,24 1,26 0,016 0,003 0,07 0,11 0,17 0,008 0,003 0,055 0,0005 0 0,044 0,279 1567 >2
5 0,20 0,22 1,26 0,015 0,008 0,19 0,16 0,17 0,038 0,004 0,055 0,0005 0,201 1,071 >2
09Г2С 6 0,11 0,53 1,38 0,017 0,002 0,10 0,13 0,16 0,015 0,007 0,009 0,0007 0 0,225 0,316 1582 >2
7 0,11 0,62 1,45 0,016 0,003 0,08 0,11 0,15 0,010 0,008 0,010 0,0006 0 0,252 0,243 1560 >2
8 0,09 0,58 1,39 0,019 0,005 0,10 0,12 0,15 0,010 0,006 0,009 0,0007 0,006 0,23 0,320 1593 -2
9 0,10 0,55 1,42 0,021 0,006 0,14 0,15 0,18 0,01
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.