Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности х70 для подводных трубопроводов

На правах рукописи

Степанов Павел Петрович

Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности Х70 для подводных трубопроводов

Специальность 05.16.01 - «Металловедение и термическая

обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» и в ОАО «Выксунский металлургический завод»

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор

Зикеев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

Кудря Александр Викторович

- кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Бобылев Михаил Викторович

Ведущее предприятие – ОАО «РосНИТИ»

Защита состоится 01 июня 2011 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 при ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке и на сайте ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»: http://www.chermet@chermet.net .

Автореферат разослан 29 апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 217.035.01,

доктор технических наук, с.н.с. Н.М. Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие газовой и нефтяной промышленности приводит к росту требований к качеству газонефтепроводных труб, в особенности, толстостенных труб большого диаметра для подводных трубопроводов. Растущие масштабы потребления газа, как в России, так и за рубежом диктуют увеличение рабочего давления транспортируемого газа. В связи с этим возникает необходимость в производстве толстостенных труб большого диаметра, рассчитанных на давление более 10 МПа с повышенными свойствами как основного металла, так и сварного соединения. Специфика подводных газопроводных систем обусловлена: наружным гидростатическим давлением столба морской воды; высоким рабочим давлением (толстыми стенками), что связано с обеспечением достаточного давления газа на выходе из газопровода при отсутствии промежуточных компрессорных станций; агрессивностью морской среды, приводящей к необходимости учета внешней и внутренней коррозионной опасности. В настоящее время идет строительство Северо-Европейского газопровода («Nord Stream»), который обеспечит экспорт российского газа в Европу, в дальнейшем планируется реализация других проектов подводных трубопроводов. Для труб подводных трубопроводов с высоким уровнем требований и толщиной стенки более 30 мм необходимо разработать промышленную технологию сварки (осуществить выбор видов и режимов сварки, а также сварочных материалов), обеспечивающую требуемый высокий комплекс свойств сварных соединений. Для большинства высокопрочных низколегированных сталей наиболее низкий уровень ударной вязкости отмечается в околошовной зоне (ОШЗ) вблизи линии сплавления. Микроструктура ОШЗ в значительной мере определяется временем (скоростью) охлаждения аустенита в интервале температур фазовых превращений. В зависимости от химического состава стали и условий охлаждения микроструктура ОШЗ может изменяться от мартенсита до феррито-перлитной смеси. Высокая погонная энергия, необходимая для сварки толстостенных труб, приводит к перегреву металла ОШЗ и ухудшает его структуру, снижает механические свойства. Выполненная диссертационная работа актуальна в связи с необходимостью создания впервые в отечественной практике промышленной технологии сварки толстостенных газопроводных труб для подводных трубопроводов на основе исследования свариваемости и обеспечения оптимальной структуры с требуемым высоким уровнем свойств в металле сварного соединения.

Целью диссертационной работы является установление влияния технологических факторов на формирование структуры и свойств сварного соединения толстостенных (30 мм и более) труб класса прочности Х70 (SAWL 485 I FD), достижение принципиально нового уровня свойств металла, в том числе ударной вязкости сварного соединения (KCV-30) и освоение массового производства таких труб.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследование свариваемости стали с оценкой влияния состава на структуру и свойства металла околошовной зоны и определение направлений оптимизации структуры ОШЗ.
2. Разработка оптимального состава стали для производства толстостенных труб класса прочности Х70 с повышенными требованиями к свойствам сварного соединения.
3. Определение факторов, влияющих на ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению металла сварного соединения (шов и линия сплавления).
4. Установление характера влияния состава сварочных материалов и технологических параметров сварки на структуру и свойства сварного соединения толстостенных труб.
5. Усовершенствование технологии сварки труб 115330,9-34,6 мм и изыскание перспективных способов воздействия на структуру и свойства металла ОШЗ при сварке толстостенных труб с целью дальнейшего улучшения ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению.
6. Освоение массового производства труб 115330,9-34,6 мм класса прочности Х70 (SAWL 485 I FD) для проекта «Nord Stream» и исследование качества труб.

Научная новизна

1. Установлено, что оптимальной структурой, обеспечивающей высокий уровень ударной вязкости металла околошовной зоны при сварке толстостенных труб является гомогенная бейнитная структура, для чего необходимо обеспечить превращение аустенита по промежуточной кинетике в максимально широком интервале скоростей охлаждения после сварки.

Показано, что снижение содержания углерода ниже 0,08% существенно повышает максимальную (пиковую) величину ударной вязкости металла ОШЗ, однако слабо влияет на вязкость при низких (менее 10 оС/с) скоростях охлаждения, поскольку не устраняет резкого снижения этой характеристики при уменьшении скорости охлаждения после сварки.

Установлено, что ударная вязкость металла ОШЗ с бейнитной структурой существенно зависит от типа и морфологии бейнита и возрастает при формировании бейнита пластинчатой морфологии (взамен зернистой); морфология бейнита зависит от системы легирования и скорости охлаждения.

2. Экспериментально установлено, что для сдерживания роста зерна в ОШЗ при сварочном нагреве более эффективно формирование в стали дисперсных частиц на базе оксида титана в сравнении с подходом, базирующемся на использовании частиц нитрида титана.

3. Разработана оптимальная по содержанию углерода, легирующих и микролегирующих элементов экономная система легирования стали типа 07Г2Б для толстостенных труб класса прочности Х70, обеспечивающая требуемый уровень ударной вязкости в металле ОШЗ; с целью управления фазовыми превращениями в ОШЗ сталь оптимально легирована элементами, повышающими устойчивость аустенита (Ni, Mn, Mo, Cu) и микролегирована ниобием и титаном, при этом минимизировано содержание Si как ферритообразующего элемента.

4. Определены оптимальная структура и химический состав металла сварного шва, обеспечивающие требуемое сочетание прочности и ударной вязкости, и способы получения такой структуры. Установлено, что критерием получения в сварном соединении стабильно высокого уровня ударной вязкости является получение однородной структуры бейнита, что в условиях сварки толстостенных труб реализуется легированием металла шва никелем и молибденом в комбинации с титаном и бором.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

1. Оптимизирован химический состав стали типа 07Г2Б для толстостенных труб, который позволяет получать по технологии термомеханической прокатки листовой прокат, удовлетворяющий всем требованиям стандарта DNV-OS-F101 и дополнительным требованиям «Спецификации для магистральных труб» для проекта НОРД СТРИМ (Nord Stream Project) №1-EN-PIE-SPE-000-00000001» и обладает хорошей свариваемостью.

2. Установлена и обоснована взаимосвязь выбранных сварочных материалов и технологических параметров сварки со структурой и свойствами сварного соединения, что позволило разработать технологию производства труб размером 115330,9-34,6 мм, обеспечивающую требуемый комплекс свойств основного металла и сварного соединения и, в первую очередь, ударную вязкость по линии сплавления сварного шва.

3. Разработана «Спецификация процесса производства труб 115330,9-34,6 мм для массового производства № 1-PM-PIL-SPE-111-00000061-C». В условиях ОАО «Выксунский металлургический завод» освоена технология сварки труб Х70 (SAWL 485 I FD) размером 115330,9-34,6 мм для проекта «Nord Stream»; изготовлено и поставлено потребителю более 220 тыс. тонн труб.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Установленные закономерности формирования структуры и свойств металла ОШЗ исследованных трубных сталей в зависимости от химического состава и скорости охлаждения, а также взаимосвязи «состав-структура», «структура-свойства» и «технология-структура».

2. Разработанная композиция химического состава стали, обеспечивающая требуемый уровень ударной вязкости в ОШЗ.

3. Установленный механизм влияния химического состава сварочных материалов при многодуговой сварке труб на механические свойства сварного шва и ОШЗ.

4. Установленные технологические способы оптимизации формы шва и структуры ОШЗ (тепловложение, разделка кромок, диаметр сварочной проволоки, охлаждение трубной заготовки и др.).

5. Установленное влияние оксидных частиц на торможение роста зерна аустенита и вязкость металла ОШЗ.

6. Разработанные технические решения, которые положены в основу внедренной технологии сварки труб.

7. Результаты освоения производства и исследования характеристик качества промышленной партии труб Х70 115330,9-34,6 мм.

Апробация работы: Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-практических конференциях, в том числе: Международном семинаре «Современные стали для газопроводных труб, проблемы и перспективы», Москва, 2006 г.; Международной конференции «Трубопроводный транспорт-2007», Москва, 2007 г.; 4-й международной конференции «Освоение шельфа», Москва, 2007 г.; International Pipeline Conference, 2008, Calgary, Canada; Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 100-летию профессора А.А. Рыжикова, Н. Новгород, 2009 г.; II-й Международной конференции «Современные требования и металлургические аспекты повышения коррозионной стойкости и других служебных свойств углеродистых и низколегированнных сталей, Москва, 2010 г.

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы из 118 наименований. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель, основные задачи, сформулированы научная новизна работы и ее практическая ценность.

В первой главе на основании опубликованных данных рассмотрены современные металловедческие представления о формировании структуры и механических свойств металла сварного соединения нефтегазопроводных труб для магистральных трубопроводов. Проанализировано влияние легирования и параметров сварочного процесса на структуру и свойства металла околошовной зоны, а также металла сварного шва. Намечены направления исследований для обеспечения требуемого уровня прочности и сопротивления хрупкому разрушению металла сварного соединения толстостенных труб для подводного газопровода.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора трубных сталей, обоснованию и описанию методов лабораторных и промышленных исследований, проведенных автором при выполнении диссертационной работы.

Для правильного выбора композиции легирования изучили свариваемость широкой гаммы трубных сталей с варьированием содержания углерода и легирующих элементов (таблица 1). Для промышленного опробования была предложена сталь типа 07Г2Б (Ni, Cu).

Таблица 1

– Химический состав исследованных сталей для толстостенных труб

Сталь	C	Mn	Si	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Nb	Ti
17Г1С-У	0,19	1,47	0,53	0,005	0,04	0,03	-	-	-	0,006
10Г2Б	0,10	1,53	0,25	0,005	0,03	0,01	-	-	0,034	0,023
05Г2МНДБ	0,05	1,81	0,12	0,003	0,02	0,20	0,26	0,25	0,09	0,011
03Г2Б	0,03	1,49	0,16	0,001	0,27	0,16	0,25	-	0,086	0,011
05Г2Б (1)	0,05	1,52	0,10	0,001	0,04	0,03	0,15	-	0,028	0,009
05Г2Б (2)	0,05	1,75	0,33	0,001	0,12	0,02	0,01	0,035	0,033	0,013
06Г2Б (TiN)	0,06	1,80	0,23	0,001	0,03	0,22	0,24	0,09	0,035	0,034
06Г2Б (Ti2O3)	0,06	1,80	0,19	0,003	0,03	0,24	-	0,08	0,035	0,016
07Г2Б	0,07	1,65	0,15	0,001	0,03	0,22	0,24	0,02	0,042	0,011
07Г2Б*	0,067	1,68	0,16	0,0009	0,04	0,23	0,22	0,02	0,04	0,012