УДК 669.14.018.41:669.017
СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ И ПРАКТИКА ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ. Часть II*
© 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.
Принципы выбора схемы легирования и требуемой микроструктуры
I прочность штрипса. Начиная с 1960-х годов П А для прогнозирования механических свойств штрипса и трубы в зависимости от ключевых параметров легирования и последующей обработки применяются математические модели различной степени сложности. Изначально для прогнозирования прочности и хладостойкости листового и рулонного штрипса использовали многочисленные линейные регрессионные модели, в которые входили параметры легирования и прокатки, например
МС = Ха (ХЭ) + !Ь{ (ПП), (3)
где МС - механическое свойство; ХЭ - содер-5 жание химического элемента; а - коэффициент, 7 определяющий вклад конкретного элемента; ПП ¡7 - параметры прокатки; Ь - коэффициент, определяющий вклад конкретного параметра прокат-£ ки в формирование уровня свойств. В качестве
с; <
* Часть I - см. Металлург. 2013. № 11. С. 53-66.
«параметров прокатки» зачастую указываются конечная толщина проката, температура окончания прокатки и/или смотки. Параметры прокатки (например, толщина) могут быть тесно связаны с параметрами химического состава.
Область применимости такого метода ограничивается пределами изменения независимых параметров в соответствующих уравнениях и в общем случае ограничивается возможностями конкретного реверсивного толстолистового стана или широкополосового. Однако результаты могут быть вполне приемлемыми (рис. 21). Данный подход не теряет своей актуальности и вполне успешно применяется на практике для разработки схемы легирования штрипса и анализа издержек производства [1].
Статистический подход не объясняет основных явлений, отвечающих за механические свойства. Первые модели для данной области основывались на расширенном соотношении Хол-
<
I 100 4
£ х
X <
си <
и Ср
с
90-
80-1
ГS=я0+E(я¡+йlí)C¡¿', где t - толщина; С. - различные легирующие и микролегирующие; d . = +1 или -1/2 в зависимости от конкретного ■
легирующего или микролегирующего " элемента ■ ■
80
90 100
Предел текучести (образец под 45°) - прогноз
110
Рис. 21. Точность статистической модели прогнозирования прочности листа при растяжении (британские единицы). Интервал применимости 11,6-19 мм
ла-Петча, где пределы текучести определялись суммой вкладов нескольких механизмов упрочнения, например
ат = ас + М-1/2 , (4)
где а0 - напряжение трения решетки; к - коэффициент Холла-Петча; ^ - размер зерна;
а0 = аПН+ атр+ад + аду, (4.1)
где аПН - напряжение Пайерлса-Набарро; атр -вклад твердорастворного упрочнения; ад - вклад
дислокационного упрочнения; а
ду
вклад дис-
персионного упрочнения.
Зависимость температуры вязкохрупкого перехода от вышеупомянутых факторов также может быть описана моделью Петча следующим образом:
ДГхр= -А^-1/2, (4.2)
где А - коэффициент, обычно принимаемый равным 11,5-12,5 мм1/2-°С.
Этот подход оказался полезным в плане описания относительного вклада различных механизмов упрочнения (с большим упором на металловедческую проработку) и подошел для объяснения или обоснования схем легирования, но его пригодность к прогнозированию реальных свойств не подтверждена.
За последние два десятилетия произошел переход от этих подходов к теоретически более обоснованным,
лучше описывающим металловедческие основы процессов горячей деформации низкоуглеродистых слож-нолегированных сталей, позволяя прогнозировать механические свойства по конечной зеренной структуре, доле легирующих элементов, вторичных фаз и т.д. Разработанные на основе новаторской работы Сел-ларса с сотрудниками и других работ конца 1970-х годов [2], где были представлены практические уравнения, описывающие основные физические и рекристаллизационные характеристики сталей. На сегодня эти модели вышли далеко за пределы академических институтов и внедряются в промышленности, облегчая разработку более совершенной продукции. Эти модели обеспечивают высокую точность прогнозирования микроструктуры и механических свойств материалов, независимо от исходного химического состава и технологии горячей прокатки. В данный момент они используются при разработке схем легирования и технологий прокатки, направленных на обеспечение целевых свойств сталей для трубопроводов [4].
Прочность труб. Производители штрипса разработали различные методы расчета прочности труб по прочности штрипса от самых простых (для опытного производства) до статистических методик и компьютерных моделей. Однако модели прогнозирования прочности труб обычно не столь сложны, как модели прокатки. В повседневной практике работы цехов горячей прокатки часто используются простые регрессионные методы, связывающие предел текучести трубы с временным сопротивлением
150
100
<
-200
а /а
Рис. 22. Изменение прочности при переделе листа в трубу в зависимости
от стт/ств штрипса
штрипса (или соотношение ат/ав), например: аттруб = и + Ь (0вштрипс), (5)
аттруб = и1 + Ь1 (ат/ав)штрипс, (5.1)
где временное сопротивление штрипса листа прогнозируется с помощью линейного уравнения типа (1) (см. Часть I); и и Ь - коэффициенты регрессии.
Например, на рис. 22 показано, что вне зависимости от микроструктуры существует линейная зависимость между изменением прочности при переходе от штрипса к трубе и соотношением ат/ав в штрипсе. Она является постоянной только для конкретной схемы легирования, однако ее можно использовать в качестве практического инструмента на производстве.
Описанные выше несложные соотношения весьма сильно привязаны к конкретным станам и маркам стали, поэтому вначале они были заменены эмпирическими уравнениями, лучше описывающими деформационную характеристику (см. Часть I) и диаграмму деформации при трубном переделе и испытаниях на растяжение, например: аттруб = ио + и10тштРипс + и2бт + аз(СД) + + а4(Э) + %(МИ), (6)
где и - коэффициенты регрессии; СД - соотношение деформации; Э - экспандирование; МИ -метод испытаний.
Подобное уравнение вполне надежно при наличии обширной базы данных по свойствам штрипса, труб и параметрам трубного передела, использование которой обычно ограничено одним производителем полного цикла. И снова, несмотря на то, что все больше поставщиков штрипса уже не производят трубы, возникает необходимость в более фундаментальных подходах, обеспечивающих реальное моделирование деформационного поведения по всему циклу изготовления трубы. Обобщенные модели могут быть использованы для прогнозирования прочности труб из стали любой марки для любой технологии трубного передела. Точность одной из таких мо-
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Фактическая разница в в трубе и листе, МПа
Рис. 23. Модель прогнозирования прочности трубы
делей проиллюстрирована на рис. 23. Для построения модели необходимо располагать надежными деформационной характеристикой (т.е. получить кривую «напряжение-деформация») и некоторыми знаниями о последующем трубном переделе, коэффициенте экспандирования и методе испытаний на растяжение. Эффект Баушингера учитывается при помощи статистических соотношений. Общая погрешность составляет порядка 10-15 МПа.
Как и любая модель, она точна настолько, насколько точны уравнения и обосновывающие их теории и данные, использованные при их разработке. В этой области за последнее десятилетие достигнуты огромные успехи. Расширенные математические модели
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.