Full Text

Введение В настоящее время происходит освоение месторождений нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода такими компаниями, как ADCO, KuwaitOilCompany, QatarPetroleum, GASCO, Shell (Ближний Восток), Petrofac (Туркменистан), ЛУКОЙЛ (Россия / Каспийское море) и т.д. Увеличение количества осваиваемых месторождений с повышенным содержанием сероводорода обусловливает значительный рост потребности в трубах большого диаметра (ТБД), стойких к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН). Высокопрочные ТБД изготавливают из микролегированных сталей ферритно-бейнитного класса. В настоящее время имеется большой опыт обеспечения требуемых свойств основного металла высокопрочных труб нефтегазового сортамента [1-3]. Однако сварные соединения с резко выраженной структурной, механической и электрохимической неоднородностью являются зоной преимущественного коррозионно-механического разрушения труб при транспортировке сероводородсодержащих сред [4-7]. Это связано с быстрым нагревом и охлаждением в процессе сварки, существенным изменением микроструктуры и, соответственно, прочностных и коррозионных свойств стали в околошовной зоне (ОШЗ) сварных соединений. Результаты исследований показывают, что благоприятная структура, обеспечивающая требуемый уровень ударной вязкости сварных соединений по линии сплавления, формируется при скорости охлаждения в ОШЗ 10-60 ºС/с, в температурном интервале 800-500 °С [8-17]. Несмотря на накопленный большой объем знаний о формировании микроструктуры и свойств основного металла и сварных соединений высокопрочных ТБД, данные о влиянии скорости охлаждения в ОШЗ на стойкость сварных соединений к СКРН отсутствуют. Это не позволяет целенаправленно управлять технологическим сварочным процессом для формирования микроструктуры, обеспечивающей стойкость сварных соединений к СКРН. Целью настоящего исследования является определение интервала значений скорости охлаждения сварных соединений, обеспечивающих сочетание высоких показателей ударной вязкости и стойкости к СКРН, применительно к стали группы прочности X65QS, используемой для производства нефтегазовых труб большого диаметра. Материалы и методы исследования Химический состав исследуемой коррозионно-стойкой стали группы прочности Х65QS представлен в таблице. Химический состав исследуемой стали группы прочности Х65QS № п/п Элемент Доля, мас. % 1 C 0,06 2 Si 0,35 3 Mn 1,55 4 S 0,001 5 P 0,006 6 Cr 0,05 7 Ni 0,23 8 Cu 0,14 9 N 0,006 10 Al 0,031 11 Mo 0,004 12 Nb 0,048 13 V 0,03 14 Ti 0,018 15 Ca 0,002 16 Cэкв 0,35 17 Рcm 0,16 Для уменьшения объема испытаний изучение воздействия термического цикла сварки на структурно-фазовый состав и механические свойства стали проводят на основе имитации сварочного нагрева по ГОСТ 23870-79[1]. На основании сравнительного анализа полученных данных по ударной вязкости и требований нормативно-технической документации делают выводы о склонности стали в зоне термического влияния к хрупкому разрушению, а склонность к сульфидному растрескиванию под напряжением определяется на основании соответствующих коррозионных испытаний. Изучение поведения металла ОШЗ трубной стали X65QS проводили с помощью имитации сварочного нагрева и охлаждения путем индукционного нагрева на установке «Чермет-ДБ» ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Область ОШЗ имитировали путем нагрева заготовок до температуры 1300 ºС, характерной для области перегрева ЗТВ. Эта температура соответствует началу интенсивного роста зерна аустенита для этой стали [18]. После нагрева до заданной температуры заготовки охлаждали со скоростями 0,1-300 ºС/с в температурном интервале 800-500 °С, технологическая реализация которых возможна при дуговой сварке труб. Графики охлаждения образцов приведены на рис. 1. Рис. 1. Изменение температуры образцов при охлаждении в интервале 800-500 °С для скоростей охлаждения 0,1-300 ºС/с Для изучения влияния скорости охлаждения после сварки на микроструктуру и эксплуатационные характеристики металла в ОШЗ был проведен комплексный анализ образцов, подверженных имитационным нагреву и охлаждению: - анализ кинетики фазовых превращений аустенита в условиях различных термических циклов сварки и связанных с ними изменений микроструктуры. Построение термических циклов проводили на основе дилатометрических кривых, полученных на высокотемпературном быстродействующем дилатометре «Чермет-ДБ» ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Температуру фиксировали хромель-алюмелевой термопарой толщиной 0,15 мм; - анализ структурно-фазового состава имитированной области ОШЗ (микроскоп Axiovert-40 MAT) на образцах после механической полировки и травления в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты; - измерение микротвердости по Виккерсу (установка ПМТ-3); - испытания на ударный изгиб. Из заготовок вырезали образцы на ударный изгиб с V-образным надрезом типа IX согласно ГОСТ 6996-66. Испытания проводили при +20, 0, -20, -30, -40, -60 ºС на маятниковом копре МК30А при максимальной энергии единичного удара 300 Дж; - в испытаниях на стойкость к СКРН оценивали влияние термических циклов и скорости охлаждения на стойкость металла ОШЗ к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением в соответствии с NACE TM 0177[2]. После имитации термических циклов из заготовок вырезали образцы на растяжение типа А, испытания проводили при нагрузке 72 % от предела текучести в испытательной среде А по NACE TM 0177. После выдержки в 720 ч образцы снимали с испытаний. Результаты исследований и их обсуждение Анализ термокинетических диаграмм показал, что основным видом превращения является бейнитное превращение (рис. 2). Бейнит присутствует в структуре в широком интервале скоростей охлаждения (250-1 °С/с). Чисто бейнитное превращение проходит в интервале скоростей охлаждения 10-120 °С/с и имеет температуру начала превращения 590-650 °С, температуру конца превращения 450-540 °С. Это свидетельствует о достаточно высокой структурной стабильности стали. Превращения, проходящие с образованием полигонального феррита, наблюдаются при скоростях охлаждения менее 10 °С/с. Перлитные превращения в металле околошовной зоны в стали исследуемого состава проходят только при скоростях менее 1 °С/с. Изменение фазового состава металла ОШЗ исследуемой стали группы прочности Х65QS при различных скоростях охлаждения представлено на рис. 3. Мартенситная составляющая в структуре околошовной зоны, являющаяся ответственной за образование холодных трещин, появляется при скорости охлаждения более 120 °С/с. В исследованном интервале значений скорости охлаждения мартенсит присутствует только как структурная составляющая области частичной закалки. Температура начала мартенситного превращения не превышает 510 °С, а конца - не опускается ниже 390 °С. Область частичной закалки находится в интервале значений скорости охлаждения 120-250 °С/с. Фотографии сформированной микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения представлены на рис. 4. Изучение изменения твердости в ОШЗ и, соответственно, структуры в зависимости от скорости охлаждения (рис. 5) показало, что в области ферритно-перлитобейнитного и бейнитного превращений твердость практически не изменяется и при скоростях охлаждения 0,1-20 °С/с находится в интервале 205-220 НV. Рост твердости наблюдается в бейнитной области при изменении морфологии бейнита от зернистого к игольчатому. Максимум твердости наблюдается при скорости охлаждения 300 °С/с и составляет порядка 360 НV10. Рис. 2. Кинетика превращения аустенита в металле околошовной зоны исследуемой стали группы прочности Х65QS Рис. 3. Изменение фазового состава металла, имитирующего ОШЗ стали группы прочности Х65QS, в зависимости от скорости охлаждения а б в г д е ж з Рис. 4. Влияние скорости охлаждения на микроструктуру околошовной зоны исследуемой стали группы прочности Х65QS: а - исходное состояние; б - 0,1 °С/с; в - 1 °С/с; г - 6 °С/с; д - 10 °С/с; е - 20 °С/с; ж - 100 °С/с; з - 300 °С/с В соответствии со стандартами NACE MR0175/ISO 15156-1[3] и СТО Газпром 2-4.1-223-2008[4] пригодность стальных труб для транспортировки сероводородсодержащих сред определяется уровнем твердости основного металла и сварных соединений. Твердость не должна превышать 240 HV. Стали, превышающие этот порог, считаются более восприимчивыми к СКРН. Таким образом, требования по обеспечению твердости выполняются при скоростях охлаждения до 30 ºС/с. Рис. 5. Влияние скорости охлаждения на твердость металла в околошовной зоне стали группы прочности Х65QS в зависимости от скорости охлаждения Максимальный уровень ударной вязкости соответствует структуре нижнего бейнита, меняющего морфологию на игольчатую и образующегося при скоростях 15-25 ºС/с при всех значениях температуры испытания (рис. 6). При снижении температуры испытания максимум ударной вязкости снижается. Ударная вязкость снижается от максимума как в сторону увеличения скоростей охлаждения металла ОШЗ, так и в сторону уменьшения скоростей охлаждения. Увеличение скорости охлаждения в зависимости от скорости, соответствующей максимальному уровню ударной вязкости, приводит к снижению ударной вязкости при образовании бейнита игольчатой морфологии и особенно резко при появлении мартенсита в структуре. Рис. 6. Изменение ударной вязкости металла ОШЗ стали группы прочности Х65QS в зависимости от скорости охлаждения сварного соединения при различных значениях температуры испытания Наиболее резкое падение ударной вязкости происходит при снижении скорости охлаждения металла ОШЗ в зависимости от скорости, соответствующей максимуму вязкости до 6,0 °С/с, что связано с изменением морфологии бейнита и ее переходом от игольчатой (нижний бейнит) к зернистой (верхний бейнит). При скорости охлаждения порядка 6 °С/с структура верхнего бейнита имеет ферритную оторочку, расположенную по границам первичного аустенитного зерна (рис. 7), с образованием так называемой ферритной сетки, которая является косвенным признаком низкой ударной вязкости металла [19, 20]. Дальнейшее снижение скорости охлаждения металла околошовной зоны до 0,1 ºС/с, которое сопровождается формированием ферритно-перлитобейнитной структуры с содержанием полигонального феррита до 80 %, приводит к незначительному повышению ударной вязкости при Рис. 7. Ферритная оторочка по границе первичного аустенитного зерна Рис. 8. Результаты испытаний на стойкость к сульфидному растрескиванию образцов из металла с имитированной ОШЗ температуре +20 °С. При 0 ºС и всех исследованных отрицательных значениях температуры ударная вязкость при скорости охлаждения 0,1 ºС/с сохраняется на уровне ударной вязкости, соответствующей скорости 6,0 ºС/с. Величина допустимых значений скорости охлаждения после сварки определяется требованиями по ударной вязкости, предъявляемыми технической документацией к сварным соединениям труб. В соответствии с этими требованиями ударная вязкость КСV должна составлять не менее 52,5 Дж/см2 при температуре испытаний -20 ºС. В результате изучения зависимости изменения ударной вязкости от скорости охлаждения можно заключить, что требуемый уровень ударной вязкости обеспечивается при реализации скорости охлаждения в интервале 10-210 °С/с. Результаты испытаний образцов из металла с имитированной ОШЗ на стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением представлены на рис. 8. Видно, что лишь образцы с имитированной ОШЗ, соответствующей скоростям охлаждения 10 и 20 °С/с, выдержали испытание на стойкость к СКРН. Остальные образцы разрушились, не выдержав базовое время испытаний в 720 ч. Сопоставление данных структурного исследования и коррозионных испытаний показывает, что формирование нижнего бейнита игольчатой морфологии благоприятно для повышения стойкости к СКРН. Анализ результатов проведенных исследований позволяет заключить, что для обеспечения требований по твердости, ударной вязкости и стойкости к СКРН необходимо уменьшить интервал допустимых значений скорости охлаждения в ОШЗ после сварки ТБД группы прочности X65QS до 10-20 °С/с в сравнении с рекомендуемым в настоящее время 10-60 °С/с [8-17]. Это налагает дополнительные ограничения на технологию сварки. Основными способами сварки ТБД являются автоматическая многодуговая (АМД) при производстве и ручная дуговая (РД) при монтаже. Для обеспечения скорости охлаждения в интервале 10-20 °С/с при выполнении продольного АМД-шва необходимо повышение скорости охлаждения в ОШЗ, например путем подстуживания перед выполнением наружного продольного шва. А при выполнении кольцевых РД-швов необходим предварительный подогрев свариваемых кромок (рис. 9). Выбор и обоснование рационального уровня стока/подвода дополнительного тепла и их технологическая реализация потребуют дополнительных модельных и натурных экспериментов. Рис. 9. Целевой диапазон значений скорости охлаждения ОШЗ после сварки, скорости охлаждения для ручной дуговой сварки и автоматической многодуговой сварки под слоем флюса согласно работам [21-23]: 1 - целевой диапазон скоростей охлаждения; 2 - автоматическая многодуговая сварка под слоем флюса; 3 - ручная дуговая сварка Выводы 1. На основании имитации термических циклов сварки и последующего комплекса испытаний установлено, что при сварке ТБД группы прочности Х65QS дополнительные требования по стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением обеспечиваются при скорости охлаждения околошовной зоны в диапазоне 10-20 °С/с. Указанный диапазон уже, чем тот, что обеспечивает нормативные твердость и ударную вязкость сварных соединений данного класса сталей (10-60 °С/с). Это предъявляет дополнительные требования к технологии сварки. 2. Указанный диапазон значений скорости охлаждения может быть достигнут при автоматической многодуговой сварке под слоем флюса в заводских условиях и при ручной дуговой сварке кольцевых швов в условиях монтажа с помощью дополнительных технологических мер. В первом случае необходимо производить подстуживание зоны сварки перед выполнением наружного шва, во втором - предварительный подогрев свариваемых кромок. Для выбора и обоснования рационального уровня стока/подвода дополнительного тепла и его технологического обеспечения необходимо проведение дополнительных модельных и натурных экспериментов.

About the authors

A. O Khudyakov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU)

Yu. S Korobov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin (UrFU); Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

P. A Danilkin

Russian Research Institute of the Tube & Pipe Industries; South Ural State University (National Research University)

References

Statistics

Views

Abstract - 19

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.