Дюсенова Д.Н., Канаев А.Т.

Казахский аграрно-технический университет им. С. Сейфуллина

Астана, Республика Казахстан

Критические факторы металлургического качества стальных труб для магистральных газо- и нефтепроводов

Как известно, к критическим факторам металлургического качества стальных труб с учетом интересов потребителей относятся свариваемость, прокаливаемость, хладостойкость и несклонность к старению.

На трубопрокатных заводах трубы сворачивают из толстого листа (рулона) вдоль или спиралью и сваривают. Длину отгружаемой трубы ограничивает длина вагона, далее они свариваются на месте, причем при любой погоде, нередко при отрицательных температурах. Отсюда следует, чем меньше швов в трубе, тем меньше риска в ее эксплуатации.

Исходя из указанных критических факторов, к металлургическому качеству (ликвации, S, P, N и содержанию других примесей) сталей, предназначенных для магистральных газопроводов, предъявляются особо жесткие требования.

Одним из таких жестких требований к стальным трубам является свариваемость – возможность получать сварной шов без трещин, который по прочности и вязкости не хуже основного металла.

С точки зрения металлургии дуговая, контактная, точечная электросварки заключаются в расплавлении и быстрой кристаллизации стали, что равносильно закалке из жидкого срстояния. Неравное тепловое расширение зоны сварки создает высокие сварочные напряжения в шве и около него как во время кристаллизации, так и после охлаждения.

Термические напряжения в ходе сварки вызывают в шве горячие трещины и риск их появления тем вероятнее, чем шире интервал кристаллизации, т.е. чем больше в стали углерода. Критерий риска горячих трещин определяется выражением:

HCS = 330[C] x {[S] + [P] + [Si] / 25 [Mn] (1)

Для углеродистых сталей нет риска при HCS < 4. Риск растет пропорционально росту суммы содержаний серы и фосфора.

В быстро остывающем шве, а также нагревавшейся вплоть до температуры плавления околошовной зоне может появиться хрупкая структурная составляющая - мартенсит. В такой охрупченной зоне сварочные напряжения вызывают появление холодных трещин. Чем больше углерода в стали, тем хрупче мартенсит. Поэтому чем больше углерода, тем хуже свариваемость. Одним из важнейших технологических показателей свариваемости является углеродный эквивалент. который по ГОСТ 27772-88 вычисляется по химическому составу:

С_экв. = С + Mn / 6 + Si / 24 + Cr / 5 +Ni / 40 + Cu /13 +V / 14 + P / 2 (2)

Для качественной сварки стальных магистральных трубопроводов углеродный эквивалент нормирован на уровне С_экв. ≤ 0 ,37 %.

Особые требования предъявляются к стальным трубам для перекачки (от скважины до газоочистительного завода) газа, содержащего сероводород, а также сернистой нефти. Порог сероводородного растрескивания не ниже 0,8σ_m получали при содержании S < 0,002 %, P < 0,005 % [1].

В трубах стандартного диаметра 1420 мм давление составляет 75 ат. При таком давлении потенциальная энергия сжатого газа эквивалентна нескольким килограммам тротила на метр длины трубы. При малейшей течи в трубе энергия высвобождается взрывом: трещина бежит со скоростью более 500 м/с «распаривая» газопровод на целые километры. Отсюда набор жестких требований к ударной вязкости стальных труб. На стандартных образцах сечением 10 х 10 мм нормативные документы устанавливают значение KCV ≥ 0,80 МДж/м² при температуре эксплуатации и KCV ≥ 0,50 МДж/м² при температуре строительства.

Следует отметить, что требования к вязкости для стальных магистральных газопроводов гораздо жестче, чем для толстого листа, используемого в строительстве и судостроении. Так, в стали типа 08Г2Б , содержащей S=0,004% после контролируемой прокатки ударная вязкость КСЕ = 120 Дж., а в почти такой же стали 07Г2ФБ, но содержащей S = 0,002% значение показателей вязкости вдвое больше (КСЕ = 220 Дж.), а при S = 0,001% вязкость составляет 270 Дж. При этом во всех случаях предел текучести σ_т одинаков и составляет 490 МПа.

Кроме того, в международных стандартах существует испытание падающим грузом (Drop Weight Tear Test, DWTT ) при различных температурах. Широкий (75 мм) натурный образец, т.е. на всю толщину листа, надрезают с одного ребра. После удара по другому ребру в полученном изломе длиной 75 мм измеряют долю площади, где разрушение вязкое: DWTT^-40 = 80 %. Такое испытание DWTT при ударе натурного образца лучше всего согласуются с результатами пневматических испытаний на взрыв трубы газом.

Опасным является охрупчивание стали по причине старения околошовной зоны сварки магистральных труб, где металл, как отмечалось выше, нагревался до температуры плавления и быстро остывал. При этом феррит может растворить предельное (по диаграмме состояния Fe-Fe₃C) количество углерода (0,025% при температуре 723 ⁰С) и сохранить его при охлаждении, что ведет к термическому старению и охрупчиванию стали.

Чтобы предотвратить старение, необходимо, чтобы углерод и азот были либо совсем удалены из стали, либо связаны в нерастворимых соединениях – карбидах и нитридах. На практике азот и углерод связывают микролегированием – введением в сталь металла, образующего прочное соединение, обычно – V, Al.

Причина, по которым требуется заданная прокаливаемость, заключается в том, что такое технологическое свойство как прокаливаемость гарантирует нужную структуру в необходимом сечении, следовательно, и соответствующие однородные механические свойства - прочность и вязкость. Для этого имеется надежный и вместе с тем трудно осуществляемый способ - сужение допусков на химический состав (селект-марки), особенно по углероду. Так, в легированной стали, поставляемой по ГОСТ 4543-91 разбег составляет 0,06 – 0,08 %.

Прокаливаемость стали возрастает по мере роста содержания углерода и легирующих элементов. Отсюда следует, что условия хорошей свариваемости стали обычно противоречат требованиям прокаливаемости.

Не менее важным фактором, определяющим экспериментальную надежность магистральных газопроводов, является их склонность к хрупким разрушениям, наиболее часто характеризуемая температурой перехода из вязкого в хрупкое состояние, так называемый порог хладноломкости. Этот фактор определяет не только надежность газопровода при эксплуатации в условиях отрицательных климатических температур, но он также показывает запас вязкости конструкции, работающей при комнатной и близкой к ней температурах.

Наряду с технологическими факторами выплавки, разливки и прокатки стали важнейшим фактором, характеризующим металлургическое качество стали, являются неметаллические включения. Относительно высокий уровень содержания S, P и других вредных примесей существенно влияют на качество и свойства стальных труб, их эксплуатационные характеристики в зависимости от их природы, количества, формы, размера и характера распределения. Сера сильно изменяет вязкость стали и ее анизотропию в направлениях вдоль и поперек прокатки. Вредное действие фосфора на свойства стальных труб усугубляется из-за сильной склонности его с ликвации.

Таблица1- Требования к металлургическому качеству стальных труб для магистральных газо и нефтепроводов по по ГОСТ 8731, ГОСТ 8732, ГОСТ 10706 и ГОСТ 52079

Требования к металлургическому качеству стали	Соответствуют металлургическим технологиям 70-80 годов прошлого века. Относительно высокий уровень содержания S, P и других вредных примесей. Существенное отличие требований в многочисленных ТУ на трубы для газовой и нефтяной промышленности.
Способ достижения повышенной прочности	Без определенных требований, за исключением sT/sB, противоречащего современным эффективным методам упрочнения
Специальные свойства сталей	Не предусмотрена поставка стальных труб, стойких к кислым средам.

Таблица2- Требования к стальным трубам для магистральных газо и нефтепроводов в международных стандартах серии ИСО 3183

Требования к металлургическому качеству стали	Отражает развитие современных металлургических технологий. Жесткие требования по содержанию S, P и других вредных примесей для хладкостойких сталей и «кислых» сред. Применение только кислородно-конверторной или электропечной стали для кислых сред, морского применения и др.
Способ достижения повышенной прочности	Детерминация требований по составу и способам обработки для различного применения и групп прочности.
Специальные свойства сталей	Предусмотрены все современные тесты для металла и сварных соединений, включая ВР, СКРН, СР и др.

В 2004 году в Казахстане были приняты разработанные на основе ISO 3183 государственные стандарты:

1. СТ РК ИСО 3183- 1- 2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 1. Требования к трубам класса А», идентичный международному стандарту ISO 3183-1- 1996.

2. СТ РК ИСО 3183-2-2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 2. Требования к трубам класса В», идентичный международному стандарту ISO 3183-2- 1996.

3. СТ РК ИСО 3183-3-2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 3. Требования к трубам класса С», идентичный международному стандарту ISO 3183-3- 1996.

Позже были внесены изменения в эти стандарты, а затем в 2007 году они были объединены в один стандарт, что требует рассмотрения новых требований стандарта к металлургическому качеству стальных труб для магистральных газо и нефтепроводов.

Как известно, с начала июля 2010 года на территориях республики Беларусь, Российской Федерации и Республики Казахстан начал действовать Таможенный союз. Учитывая тот факт, что Российскими металлургическими заводами в Казахстан импортируется большое количество и различные по сортаменту стальные трубы, важно знать требования к металлургическому качеству, заложенные в национальных стандартах Российской Федерации, их необходимо рассмотреть и адаптировать к нашим условиям.

Для выполнения требований международных стандартов, в частности, повышения прочности и пластичности стальных труб, разработан метод деформационно-термической обработки, совмещающий пластическую деформацию с последующей упрочняющей термической обработкой[2,3]. В результате такой обработки предел текучести низкоуглеродистой стали повышается с 300 МПа до 600 МПа. В таблице 3 приведены механические свойства стальных труб для магистральных нефте и газопроводов после термической обработки по режиму: температура нагрева под закалку труб из стали 17Г2АФ – 895-925 ⁰С, из стали 17Г1С – 900-940 ⁰С. Охлаждение в интервале температур 800-400 ⁰С в спрейере с интенсивностью 45 ⁰С/с. Температура отпуска труб из стали 17Г2АФ – 700-730 ⁰С, из стали 17Г1С – 630-645 ⁰С.

Таблица3- Механические свойства стальных труб для магистральных газо и нефтепроводов

Марка стали	Размер труб D x t, мм	Основной металл					Сварное соединение
		σв МПа	σт МПа	δ5, %	Ψ,%	RCU^-50, МДж/м^2	σв, МПа	RCU^-50, МДж/м^2
17Г1С	1020х9	666-804	411-725	10,0- 30,0	31,0- 68,0	0,27 – 0,72	588- 784	0,39- 0,83
17Г2Ф	1020х9	627- 931	392- 647	14,0- 31,0	30,0- 64,0	0,24- 0,83	608- 833	0,41- 0,88

Для сварных швов труб большого диаметра разработаны также режимы локальной деформационно-термической обработки, обеспечивающие равнопрочность основного металла и сварного соединения. Технология локальной деформационно-термической обработки предусматривает нагрев сварного соединения до 950 -1060 ⁰С, деформацию шва на 20 % до толщины стенки трубы из основного металла, закалку с определенной скоростью и отпуск при температурах 650-700 ⁰С с кратковременной выдержкой около 5 мин. Кроме обеспечения равнопрочности основного металла и сварного соединения, локальная деформационно-термическая обработка позволяет снизить критическую температуру хрупкости металла шва.

Литература

1. Дурнев В.Д., Сапунов С. В., Федюкин В.К. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов.- СПб.: Питер, 200,.- 254 с.

2. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки. М.: Металлургия, 1986,424 с.

3. Канаев А.Т. Повышение качества сортового проката совмещенной деформационно-термической обработкой. - Астана.: «Арман-ТВ», 2009,180 с.