научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ХРОМА И НИКЕЛЯ НА СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ НИОБИЙСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70 Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ХРОМА И НИКЕЛЯ НА СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ НИОБИЙСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70»

УДК 621.791:669.15'29

ВЛИЯНИЕ ХРОМА И НИКЕЛЯ НА СВОЙСТВА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ НИОБИЙСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ КАТЕГОРИИ ПРОЧНОСТИ Х70

© Уткин Иван Юрьевич, e-mail: IUtkin89@yandex.ru; Франтов Игорь Иванович, канд. техн. наук, e-mail: ifrantov@mail.ru; Домов Денис Владимирович, e-mail: domovv@mail.ru ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Россия, Москва Статья поступила 10.09.2014 г.

Проведена оценка свойств металла зоны термического влияния (ЗТВ) при сварке трубных сталей группы прочности Х70, микролегированных ниобием с добавками никеля или хрома. В качестве оценочных параметров использовали критерии с определением температуры верхнего, среднего и нижнего порогов хладостойкости металла ЗТВ с грубой микроструктурой и зернами аустенита значительной величины.

Ключевые слова: зона термического влияния; тепловложение; скорость охлаждения; температурный порог хладноломкости; твердость.

О'

Vyi

1дним из основных международных документов, регламентирующих проектирование, строительство и эксплуатацию подводных трубопроводов, является стандарт Det Norske Veritas (DNV). Особенность подводных газопроводов, прокладываемых на больших глубинах, - увеличенная толщина стенки труб, что в значительной степени усложняет задачу достижения заданного комплекса механических свойств листового проката и вызывает затруднения при дальнейшей сварке.

Альтернативы промышленным методам сварки труб с применением четырех-пятиэлектродных проволок в одну сварочную ванну не существует. При этом заданные повышенные уровни тепловло-жений позволяют обеспечить регламентированную глубину про-плавления шва и требуемую точность геометрических параметров сварных соединений. Уровень тепловложений должен поддерживаться в строго установленном технологическими инструкциями диапазоне. Несмотря на то, что промышленная сварка - технологически отработанный процесс, не требующий каких-либо кардинальных изменений, не удается достичь получения свойств металла шва и ЗТВ, идентичных параметрам основного металла.

Эффективная тепловая мощность сварочного источника, т.е. количество теплоты, вводимой при сварке, определяется по формуле

Q = пи(Дж), (1)

где I - сварочный ток; U - напряжение на дуге; П - эффективный КПД. Для многодуговой сварки в одну ванну под слоем флюса п = 0,95-0,98.

Погонная энергия сварки, т.е. количество теплоты, вводимой на единицу длины шва, определяется из выражения

Е = ц/и, (2)

где и - скорость сварки.

Важный показатель при сварке - тепловложение -определяет скорость послесва-рочного охлаждения. Уровень требуемого тепловложения должен соответствовать толщине стенки труб и поддерживаться в пределах, указанных в табл. 1.

При сварке труб под слоем флюса с высокими тепловло-жениями в С-Мп-сталях вероятность образования мартен-ситной структуры практически отсутствует, микроструктура металла ЗТВ состоит из грубых зерен феррита по границам ау-стенитных зерен и бейнита зернистой морфологии.

При сварке в «полевых условиях» при низком уровне тепловложений (0,5-2,0 кДж/мм) возможно образование мартен-ситной структуры и, как следствие, возникновение холодных трещин. Это связано с высокими скоростями охлаждения, которые при сварке корневого шва могут достигать 60-80 оС/с. Для уменьшения скорости послесва-рочного охлаждения необходимо подогревать кромки основного металла до 250 оС, что в итоге предупредит образование мартенситной структуры.

Цель данной работы - оптимизировать химический состав

Таблица 1. Параметры сварки по тепловложению и скорости послесварочного охлаждения

Параметры сварки Толщина стенки, мм

20 30 40

Тепловложение Е, кДж/мм 4,2-4,8 6,0-6,8 7,9-8,6

Скорость охлаждения W800/500, оС/с 8-10 6,5-7,8 4,8-6,0

Примечание. Температура сварного соединения перед следующим проходом +20 оС.

Таблица 2. Химический состав листового проката для производства труб группы прочности Х70 (по результатам сертификационных испытаний поставщиков)

Состав Химическая композиция, мас. %

C Si Mn № ТС V Mo № Al S P

1 0,06 0,21 1,76 0,07 0,022 0,006 0,003 0,03 0,37 0,03 0,001 0,009

2 0,05 0,33 1,73 0,056 0,013 0,001 0,002 0,27 0,012 0,033 0,0005 0,006

стали для сварных труб, изучить влияние никеля и хрома на фазовые превращения и следовательно, на механические свойства металла ЗТВ нио-бийсодержащих сталей.

Исследовали свойства металла ЗТВ листового проката (толщина стенок 23,3 и 25,4 мм) двух производителей: 1 - ОАО «ММК» и 2 - Уое81А1рте (табл. 2).

Стали выплавлены по идентичной металлургической технологии - в кислородном конвертере с последующей внепечной обработкой.

Исследование металла ЗТВ на основе анализа сопротивления хрупкому разрушению. Оценку влияния теплового воздействия сварки на металл ЗТВ выполняли по результатам испытаний на ударную вязкость. Известно, что при сварке металл ЗТВ (1300-1320 оС) обладает более низким по сравнению с основным уровнем ударной вязкости. Макрошлиф сварного соединения показан на рис. 1.

Ударная вязкость металла ЗТВ по сравнению с другими механическими свойствами наиболее чувствительна к изменению микроструктуры. Оценку сталей, с позиций охрупчивания после сварки, проводили на ударных образцах с острым надрезом (ГОСТ 9454-78), нагретых по термическим циклам сварки, с набором скоростей охлаждения и построением зависимости «ударная вязкость - скорость охлаждения». На образцах с имитированной микроструктурой проводили сериальные испытания в интервале температур от +20 до -60 оС для каждого экспериментального режима охлаждения. В качестве оценочных параметров хладостойкости применили следующие положения:

- верхний порог хладостойкости - соответствует начальной стадии перехода от вязкого к хрупкому механизму разрушения;

- средний порог хладостойкости (Т50) - соответствует механизму хрупко-вязкого перехода;

- нижний порог хладостойкости - соответствует переходу к механизму полностью хрупкого разрушения и характеризуется как нежелательное микроструктурное состояние металла ЗТВ;

V Ъ < V'.-4

ШЯ '-Щ -л / '„V>

г" '

ННИШШНН III 111 Щ|| 111111!

^ 1 1 1 1. «1 ' 91

Рис. 1. Макрошлиф сварного соединения (стали Х70)

- условный порог хладостойкости - соответствует минимальным требованиям по ударной вязкости (^<ГCV > 60-70 Дж/см2) и уровню нормативных требований к сварным соединениям газопроводных труб.

Построены сериальные кривые для образцов, подвергнутых различным сварочным термическим циклам охлаждения, которые позволяют определить параметры хладостойкости металла ЗТВ для широкого диапазона изменения тепловых режимов сварки.

Оценка стали состава 1 с добавкой никеля по критерию хрупко-вязкого перехода Т50 показала (рис. 2), что при скорости охлаждения 6-8 оС/с наружного шва температурный порог металла ЗТВ соответствует -30 оС, такая же оценка стали состава 2 с добавками хрома показала -35 оС.

Необходимо отметить, что минимальное значение ударной вязкости ограничено спецификацией потребителей труб. Для получения надежных результатов при исследовании свариваемости целесообразно ориентироваться на повышенный уровень значений ударной вязкости с обеспечением температурного порога хладостой-кости Т50.

На рис. 3 приведены графики, характеризующие изменение ударной вязкости в зависимости от скорости охлаждения, имитирующей сварочные термические циклы. Сталь состава 1 (см. рис. 3, а) имеет узкий интервал скоростей охлаждения: КСУ = 110 Дж/см2 при -20 оС соответствует скорости охлаждения 5,0-30 оС/с, при -30 оС - 7,5-18 оС/с. Сталь состава 2 (см. рис. 3, б) характеризуется более широким диапазоном скоростей охлаждения, удовлетворяющих условиям сварки как с большими уровнями те-пловложений, так и с малыми. Для стали состава 2 KCV = 110 Дж/см2 при -20 оС соответствует интервалу скоростей охлаждения 3,0-65 оС/с, а при -30 оС допустим интервал скоростей охлаждения 5,5-50 оС/с.

-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 0 Температура, °С

5 10 15 20

-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-Температура, °С

10 15 20

Рис. 2. Ударная вязкость ЗТВ в зависимости от скорости охлаждения после сварки стали состава 1 (а) и состава 2 (б)

220

200-

180-

160-

* 140-

<

£

120

100

80

60

< >>

40

20

<

240 220 200 180 160 140 120-

80 60

£

40

20 0

Скорость охлаждения, °С/с

Рис. 3. Влияние скорости охлаждения после сварки на изменение ударной вязкости металла ЗТВ стали состава 1 (а) и состава 2 (б)

0

Ударная вязкость металла ЗТВ определяется по стандарту ЭЫУ на образцах сечением 10x10 мм и не должна быть ниже 63-70 Дж/см2 при температуре испытаний -20 оС. Для получения надежных результатов оценивали ударную вязкость при температуре испытаний -30 оС.

По результатам оценки параметров хладос-тойкости металла ЗТВ для стали состава 2 с добавками хрома и микролегированием ниобием нормативный уровень ударной вязкости обеспечивается в интервале скоростей послесварочного охлаждения 2,5-90 оС/с, т.е. для этой стали нет ограничений по технологии сварки и применению режимов сварки в расширенном диапазоне тепловложений.

Кинетика фазового превращения аустенита в металле ЗТВ. Фазовые превращения в металле ЗТВ, нагреваемом выше температуры начала интенсивного роста зерна, оценивали на быстро-

действующем дилатометре Чермет-ДБ после скоростного нагрева образцов до 1300-1320 оС.

Превращение аустенита в стали обоих составов характеризуется областью бейнитных превращений в широком диапазоне скоростей охлаждения (рис. 4). Мартенситные превращения наблюдаются при высоких, но относительно реальных скоростях охлаждения, характерных для сварки облицовочного шва. Мартенсит появляется в металле обеих композиций легирования при скорости охлаждения свыше 23 оС/с. Скорость окончания ферритного превращения стали состава 1 - 5,0 оС/с, стали состава 2 - 8,0 оС/с.

Термокинетический анализ превращений аустенита позволяет оценивать склонность металла ЗТВ к образованию холодных трещин при сварке [4].

На основе анализа трещинообразования в сталях при сварке корневых швов установлен

Время охлаждения с 1300 °С, с

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

1

10 100

Время охлаждения с 1300 °С, с

Рис. 4. Превращение аустенита в металле ЗТВ

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