УДК 669.14.018.41:669.017
СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ И ПРАКТИКА ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ. Часть I
© Столхейм Дуглас Дж.
DGS Metallurgical Solutions, Inc. Vancouver, USA. E-mail: dgstalheim@comcast.net Статья поступила 15.03.2013 г.
Для обеспечения рентабельности транспортировки газа и нефти из удаленных и труднодоступных районов к рынкам сбыта требуются магистральные трубопроводы, способные работать при повышенном рабочем давлении. Тело трубы должно обладать повышенной вязкостью в различных температурных интервалах. Добиться этого можно либо за счет увеличения толщины стенки, либо прочности, либо двух этих параметров. Однако увеличение толщины стенки приводит к удорожанию строительно-монтажных работ. В производстве трубной стали с повышенной прочностью и вязкостью для получения целевой микроструктуры типа феррит + перлит (Ф+П) и феррит + игольчатый феррит (Ф+ИФ) используются различные схемы легирования. В трубном переделе такая микроструктура ведет себя по-разному. При выборе микроструктуры, наиболее полно отвечающей требованиям конкретного трубопроводного проекта, следует учитывать как фактор себестоимости, так и возможности прокатного и трубосварочного переделов; для облегчения подобной работы были разработаны соответствующие компьютерные модели.
Для получения микроструктуры (Ф+ИФ) применяются две схемы легирования ниобием: первая, получившая развитие за последние двадцать лет - с дополнительным введением молибдена и низкотемпературной термомеханической контролируемой обработкой (ТМКО), способной в зависимости от срока эксплуатации конкретного стана и его компоновки вызывать проблемы с оборудованием и производительностью. Вторая, более современная схема легирования характеризуется повышенным содержанием ниобия при умеренном содержании других упрочняющих элементов. Уникальность подобной схемы заключается в обеспечении одновременно высокой прочности и ударной вязкости тела трубы. В данном случае прокатка производится при более высоких по сравнению с обычными температурах, отсюда и название технологии - высокотемпературная обработка (ВТО). Технология ВТО способствует повышению производительности оборудования и устранению некоторых проблем, возникающих при прокатке металла с традиционными схемами легирования. Анализируется микроструктура стали двух типов для труб магистральных газо- и нефтепроводов, а также схемы (режимы) легирования и прокатки для их реализации, с упором на технологию ВТО. Приведены результаты, полученные при строительстве трубопроводов; рассмотрены вопросы, связанные с прокатными станами, трубосварочными агрегатами и испытаниями, а также моделированием для прогнозирования прочности штрипса и трубы.
Ключевые слова: ВТО; игольчатый феррит; API X80; моделирование; микроструктура; вязкость; трубная сталь; штрипс.
Доказанные запасы нефти и газа находятся во все более труднодоступных и удаленных регионах со сложными природными условиями, включая холодный климат и нестабильность грунтов [1]. В прошлом при проектировании наземных трубопроводов исходили из напряжений, т.е. трубный металл в основном должен был выдерживать внутреннее давление и его перепады. В морских же трубопроводах упор делался на деформации - из-за бокового изгиба, характерного для операции прокладки, а также рельефа морского дна. Однако параметры месторасположения и климата (например, вечная мерзлота), характерные для новых месторождений, стимулировали внедрение деформационных подходов и в проектировании наземных трубопроводов. Кроме того, переход от малосернистых к более кислым нефти и газу, повышенное внимание к вопросам безопасности и экологии, повышение рабочего давления и рост затрат на материалы и строительно-монтажные работы обусловили новые требования к трубопроводам: повышенные прочность и способность к остановке трещин (вязкость разрушения), стойкость к водородному растрескиванию, а также хорошая свариваемость и деформируемость (пониженный показатель СЕ/Рст).
За последние три-четыре десятилетия подходы к схемам легирования развивались с учетом стоимостного фактора и существующих технологий выплавки и прокатки - с тем, чтобы соответствовать постоянно меняющимся требованиям проектировщиков трубопроводов. Зачастую не-фте- и газотранспортная отрасль стимулировала
развитие металлургических технологий, напри- £
мер, востребованность сероводородостойких 7
труб служила стимулом к снижению в стали со- ^ держания углерода, серы и вредных примесей;
высокая вязкость - стимулом к снижению содер- £
жания углерода, серы, фосфора и вредных при- 5
месей; повышенная прочность способствовала г
внедрению микролегирования, твердорастворно-го упрочнения, низкотемпературной прокатки и ускоренного охлаждения (УО). Кроме того, в начале 1990-х годов стремление повысить ударную вязкость (в условиях низких температур) и использовать механизированную сварку в полевых условиях стимулировали снижение углеродного эквивалента, ставшее, в свою очередь, ограничителем содержания легирующих в стали, например по углероду (не выше 0,08%, желательно 0,05%). Потери в упрочнении из-за снижения содержания углерода нужно было компенсировать за счет других механизмов - например, микроструктурного упрочнения и ускоренного охлаждения водой после прокатки.
Итогом эволюции схем легирования оказались микроструктуры двух основных типов, которые во всем мире берутся за основу при промышленном производстве всех сталей для магистральных трубопроводов по стандарту API. Это структуры на основе феррита и перлита (Ф+П), а также феррита и игольчатого феррита (Ф+ИФ). На практике игольчатый феррит определяется как низкоуглеродистый бейнит, возникший при внутризеренном зародышеобра-зовании. Позднее, с появлением сталей класса прочности API X100 и X120, заговорили о третьем типе микроструктуры, состоящей из других разновидностей бейнита (Б) в сочетании с небольшим количеством мартенсита (М) в матрице (Ф+ИФ).
Исходная схема легирования сталей для магистральных трубопроводов по стандарту API основана на сниженном содержании углерода в присутствии марганца и кремния. Подобный подход применяется для сталей низкопрочных классов API 5LB и Х42. Для сталей класса API X52-X70 используются добавки одного или двух микролегирующих элементов в количестве не более 0,065% каждого, наряду с малыми количествами различных твердорастворных упрочни-телей (медь, никель, хром) - в зависимости от толщины штрипса и мощности прокатного стана. Основным микролегирующим элементом в трубных сталях API является ниобий, а ванадий вводится в тех случаях, когда нужна дополнительная 5 прочность. При использовании базовой схемы 7 C-Mn-Si в сочетании с микролегированием фер-^ ритно-перлитная микроструктура получается независимо от технологии прокатки. Подобный £ подход к легированию и микроструктуре, как < правило, обеспечивает минимальную себестои-s мость производства.
Схемы легирования для сталей API повышенной прочности (API X70 и выше, API Х65 в случае менее мощных толстолистовых станов) также включают в себя базу C-Mn-Si с микролегированием и небольшие количества твердора-створных упрочнителей (медь, никель, хром - как по отдельности, так и в различных сочетаниях, с максимальным суммарным содержанием порядка 0,6%), а также молибдена (примерно до 0,3%). Эти добавки (особенно молибден) в процессе прокатки и охлаждения дают микроструктуру (Ф+ИФ). Для получения такой микроструктуры можно также использовать микролегирующие добавки ниобия до 0,11% (но уже без молибдена). Последний способ получил название «высокотемпературной обработки» (ВТО), поскольку температура завершения прокатки может превышать температуру Ar3 на несколько десятков градусов (см. ниже).
Для производства стали класса прочности API X100 и X120 используются большие количества твердорастворных упрочнителей (Mn, Cu, Ni, Cr и Mo), а также добавки бора. При вводе этих добавок в структуре образуются другие разновидности бейнита и небольшое количество мартенсита, что способствует ухудшению ее свариваемости и повышению материальных затрат. В табл. 1 приведены схемы легирования и типы микроструктур для сталей различных классов прочности по стандарту API.
Необходим некий баланс между проектными параметрами трубопроводов, микроструктурой стали и схемой легирования. Обычно для повышения прочности используется микроструктура типа (Ф+ИФ), повышение же содержания легирующих негативно влияет на многие технико-экономические параметры проектируемых трубопроводов.
Технология производства штрипса для труб API. Технологическая схема прокатки сляба включает в себя нагрев до заданной температуры, достаточной для растворения микролегирующих элементов в стали, горячую прокатку по одному из двух основных режимов: традиционный и термомеханическая контролируемая обработка (ТМКО). Каждый из этих двух режимов имеет несколько вариантов, которые обычно определяются степенью деформации ниже температуры остановки рекристаллизации стали, а также температурой на последнем чистовом проходе - относительно температуры фазового превращения. За прокаткой по тому или иному режиму может следовать (или не следовать)
Таблица 1. Выбор схемы легирования трубных сталей по стандарту API
Класс прочности API Выбор схемы легирования
Х120 Структура: ИФ+Б+М, при содержании, %: С<0,10; Мп<2,0; Бк0,40; №<0,06; Си, №, Сг, Мо, V, В; PCm < 0,25
Х100 Структура: ИФ+Б, при содержании, %: С<0,06; Мп<2,0; Б1<0,40; №><0,06; Си, №, Сг, Мо, V; PCm < 0,23
X80 Структура: Ф+ИФ, при содержании, %: С<0,06; Мп<1,70; Бк0,40; №<0,10; Си, №, Сг; Pcm < 0,18 Структура: Ф+ИФ, при содержании, %: С<0,06; Мп<1,70; Б1<0,40; №<0,10; Си, №, Мо; Pcm < 0,21
X70 Отношение D/t<50, структура: Ф+ИФ, при содержании, %: С<0,06; Мп<1,65; Б1<0,40; №<0,10 или №Ь+Мо; Pcm < 0,18 или 0,21 Отношение D/f>50, структура: Ф+П, при содержании, %: С<0,10; Мп<1,65; Б1<0,40; №<0,065 или NЬ+V<0,15; Pcm < 0,20
X65 Структура: Ф+П, при содержании, %: С<0,10; Мп<1,65; Б1<0,40; №<0,065 или №^<0,15; Pcm < 0,23
X65 для кислых сред Структура: Ф+П, при содержании, %: С<0,05; Мп<1,35; Б<0,00
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.