научная статья по теме СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБ ИЗ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ Х80 ПРИ СВАРКЕ С РАЗНОЙ ПОГОННОЙ ЭНЕРГИЕЙ EFFECT OF WELDING HEAT INPUT ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF HEAT-AFFECTED ZONE FOR WELDS OF TUBES FROM STEEL WITH STRENGTH INDEX Х80 Металлургия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБ ИЗ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ Х80 ПРИ СВАРКЕ С РАЗНОЙ ПОГОННОЙ ЭНЕРГИЕЙ EFFECT OF WELDING HEAT INPUT ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF HEAT-AFFECTED ZONE FOR WELDS OF TUBES FROM STEEL WITH STRENGTH INDEX Х80»

УДК 669.14.018.29:621.791.753:536.425

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ТРУБ ИЗ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ Х80 ПРИ СВАРКЕ С РАЗНОЙ ПОГОННОЙ ЭНЕРГИЕЙ

© Иванов Александр Юрьевич; Сулягин Роман Валерьевич, канд. техн. наук

ЗАО «Ижорский трубный завод». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: alexrusx@mail.ru

Мотовилина Галина Дмитриевна, канд. техн. наук; Хлусова Елена Игоревна, д-р техн. наук

ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». Россия, Санкт-Петербург

Статья поступила 02.06.2011 г.

Исследовано влияние погонной энергии сварки на структуру, механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений трубных сталей класса прочности Х80. Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) установлены особенности формирования структуры на отдельных участках зоны термического влияния. Результаты исследования позволили установить диапазон погонной энергии сварки, обеспечивающей получение оптимального комплекса свойств продольных швов труб большого диаметра из стали класса прочности Х80.

Ключевые слова: трубная сталь класса прочности Х80; зона термического влияния; фазовые превращения; бейнит; просвечивающая электронная микроскопия; ударная вязкость.

Наиболее востребованными для перспективных проектов газонефтепроводов, реализуемых в ближайшие годы в России и за рубежом, являются трубы класса прочности Х80 (К65).

При разработке технологии сварки толстостенных труб из стали Х70 и Х80 были выявлены проблемы обеспечения значений работы удара на образцах с острым надрезом по линии сплавления сварных соединений продольных швов. Работа удара была ниже требований нормативно-технической документации (40 Дж по API 5L). Ранее установлено, что одной из причин низких значений работы удара при испытании образцов стали Х70 при отрицательных температурах (до -30 °С) является образование полигонального феррита по границам крупных бейнитных областей, сформированных на месте крупного аусте-нитного зерна. Предполагалось, что образование в околошовной зоне шириной более 300 мкм ау-стенита с размером зерна 60-80 мкм (номер 5-6 по ГОСТ 5639) может быть связано с режимом охлаждения после сварки стали класса прочности Х70 выбранного состава, что, в свою очередь, зависит от величины погонной энергии сварки и толщины стенки труб [1].

Цель настоящей работы - изучение влияния величины погонной энергии сварки в диапазоне 40-60 кДж/см на механические свойства и ха-- рактер разрушения в зоне термического влияния (ЗТВ) сварных соединений продольных швов ^ труб из высокопрочной стали Х80 с толщиной

стенки 23-27 мм. £ Для исследования были выбраны два сварных

5 соединения труб из стали Х80 (табл. 1). Основ-si ной металл исследованных труб имеет близкие

Таблица 1. Химический состав исследованных сталей (мас. %) и их характеристики

Труба C Si Mn Ni+ +Cu+Mo N Nb+ +V+Ti С ^экв P 1 cm

№ 1 0,06 0,28 1,59 0,52 0,004 0,12 0,43 0,18

№ 2 0,04 0,29 1,85 0,81 0,008 0,078 0,44 0,18

значения углеродного эквивалента, являющегося обобщенной характеристикой прокаливаемости стали, что позволяет сравнивать реакции металла на термический цикл сварки. Сварку наружного сварного шва трубы № 1 с толщиной стенки 27 мм производили с погонной энергией 57,3 кДж/см, трубы № 2 с толщиной стенки 23 мм - с погонной энергией 45,0 кДж/см. Сварку выполняли низкоуглеродистой сварочной проволокой под слоем основного флюса.

Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре "^акег+Ва1 РИ-450| с энергией удара 450 Дж. Определение работы удара в ЗТВ согласно ЭЫУ-08-Р-101 и ¡80148, а также при модельных испытаниях проводили на образцах размерами 10x10x55 мм с У-образным надрезом. Температура испытаний изменялась в пределах от +20 до -60 °С.

Модельные испытания проводили на сварном соединении, выполненном с погонной энергией 52 кДж/см. Нанесение надрезов на ударных образцах при модельных испытаниях производили по участкам ЗТВ, для чего заготовки для образцов вырезали под углом к поверхности труб (рис. 1, а). Для исследования механических свойств были выбраны участки со структурой крупного зерна и полной и частичной перекристаллизации [1]. Для этого предварительно на металлографическом

Рис. 1. Схема нанесения надреза на образцах на ударный изгиб, вырезанных в ЗТВ, при модельных (а) и аттестационных (б) испытаниях

микроскопе определяли ширину участков ЗТВ, по которым в дальнейшем наносили надрез.

Аттестационные испытания проводили на образцах с надрезом по линии сплавления (рис. 1, б). Надрез наносили таким образом, чтобы он пересекал сварной шов и ЗТВ, что соответствует требованиям DNV-OS-F-101. По результатам испытаний были построены зависимости изменения работы удара от температуры испытания.

Микротвердость измеряли на микрошлифах в поперечном сечении сварных соединений с помощью микротвердомера Wilson Wolpert 402MVD с индентором в виде алмазной пирамидки при нагрузке 0,98 Н.

Подготовка образцов сварного соединения для исследования микроструктуры (вырезка, шлифование, полирование) выполнена на оборудовании пробоподготовки Buehler (США). Исследование микроструктуры методами оптической металлографии проводили на шлифах после травления в 3%-ном растворе азотной кислоты с помощью оптического инвертированного микроскопа Axiovert 25СА с цифровым анализатором изображения. Размер зерна аустенита оценивали по ГОСТ 5639.

Подробное изучение фазового состава и морфологии отдельных фаз проводили методом фольг с применением просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM 200 CX.

Результаты эксперимента. ЗТВ формируется в условиях непрерывного нагрева в широком диапазоне температур, в котором происходят те или иные изменения структуры [2-4]. Непосредственно вблизи сварного шва металл подвергается нагреву вплоть до температуры плавления, по мере удаления от шва температура понижается, поэтому отдельные участки имеют разные механические свойства, в частности сопротивление хрупкому разрушению и прочность.

Структура основного металла труб из стали Х80 состоит из феррита с величиной зерна 3-4 мкм и бейнита, а также участков цементита (рис. 2). Содержание феррита в металле трубы № 1 примерно на 15% больше по сравнению с его содержанием в основном металле трубы № 2.

При исследовании структуры ЗТВ сварных соединений труб с помощью оптической металлографии были выделены четыре участка с различными структурными признаками. Участок крупного зерна можно разделить на две части: 1а - непосредственно примыкающую к линии сплавления и 1б - отстоящую на некотором расстоянии от нее (рис. 3). Протяженность этих участков приведена в табл. 2.

С увеличением погонной энергии с 45,0 до 57,3 кДж/см общая протяженность ЗТВ увеличивается с 7,0 мм до 8,0 мм.

Непосредственно к линии сплавления примыкает участок ЗТВ, имеющий крупнозернистую бейнитную структуру. Размер бывшего зерна аустенита в этой зоне составляет около 60 мкм (рис. 4, а). При фазовом превращении зерно ау-стенита распадается на несколько разориентиро-ванных областей бейнита. Подобная структура, но с меньшим размером зерна (средняя величина порядка 40 мкм) наблюдается на участке с крупным зерном при сварке с пониженной погонной энергией. В части 1б, выделенной в пределах участка крупного зерна, наблюдается бейнитная

Рис. 2. Структура основного металла трубы из стали Х80 с толщиной стенки 27 мм (а); с толщиной стенки 23 мм (б)

Таблица 2. Протяженность участков металла в ЗТВ с различной структурой

Протяженность

Участок участка, мм

труба № 1 труба № 2

Крупного зерна (1а) 1,5 1,0

Крупного зерна (1б) 1,5 1,5

Полной перекристаллизации (2) 2,0 2,5

Частичной перекристаллизации (3) 2,0 1,5

Общая протяженность ЗТВ 1,0 8,0 7,0

структура, образовавшаяся из аустенита с размером зерна около 30 мкм при сварке с погонной энергией 57,3 кДж/см (рис. 4, б) и около 20 мкм при сварке с погонной энергией 45,0 Дж/см.

Участок полной перекристаллизации образован ферритно-бейнитной структурой с размером зерна феррита порядка 5 мкм (рис. 4, в). Наряду с ферритом на этом участке ЗТВ присутствуют дисперсные кристаллы гранулярного бейнита.

На участке частичной перекристаллизации ЗТВ основной металл нагревается в интервале Ас1-Ас, т.е. в а+у-интервале. Поскольку структура основного металла содержит помимо феррита бейнит и цементит, то при нагреве в межкритическом интервале сначала происходит зарождение (преимущественно по границам зерен) отдельных зерен аустенита, а затем их рост [5]. При последующем охлаждении образовавшийся аустенит полностью или частично превращается в мартенсит или ферритно-карбидную смесь. Таким образом, на данном участке ЗТВ структура состоит из бейнита, феррита, цементита и аустенитно-мар-

£ Рис. 3. Поперечные сечения сварного соединения трубы

| № 1, погонная энергия сварки 57,3 кДж/см (а) и трубы № 2, ш погонная энергия сварки 45,0 кДж/см (б)

тенситных участков (рис. 4, г). На границе основного металла и металла ЗТВ обнаруживается зона со структурой отпуска (рис. 4, д). На этом участке протекают процессы выделения и коагуляции карбидов.

На основании анализа микроструктуры можно заключить, что при сварке с меньшей погонной энергией (45,0 кДж/см) наблюдалось уменьшение протяженности участков крупного зерна и частичной перекристаллизации, с уменьшением в них средней величины исходного аустенитно-го зерна. Исключением является участок полной перекристаллизации, протяженность которого увеличилась.

Результаты измерения микротвердости вдоль ЗТВ от линии сплавления до основного металла трубы показали: твердость основного металла трубы № 1 находится на уровне 237ЯУ0Д, трубы № 2 - 210ЯУоД (рис. 5). Необходимо отметить общий более низкий уровень твердости металла трубы № 2 по сравнению с твердостью металла трубы № 1. Это сказалось на том, что значения твердости в ЗТВ при сварке с высокой энергией получились выше, чем при сварке с низ-

кой. При дальнейшем анализе изменение твердости в ЗТВ рассматривается относительно твердости основного металла труб.

Вблизи линии сплавления твердость металла на участке крупного зерна трубы № 1 составляет 250ЯУо,1, трубы № 2 - 230ЯУод.

Для участков полной перекристаллизации обеих тр

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.

Показать целиком