CC BY
578
Ш1П г: гл^ггтг лтгггггт
/ 4 (63), 2011-
Investigations on influence of heating temperature, cooling regimes and steady temperature on structure and mechanical characteristics of hot-rolled pipes, produced of steel 32G2, are carried out.
в. в. ивашко, фти нан Беларуси, о. м. кириленко, руп «бмз»,
И. И. ВЕгЕрА, ФТИ нан Беларуси, Д. А. сЕМЕНоВ, рУП «БМЗ»
УДК 669.
исследование влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства горячекатаных труб, изготовленных из стали 32т2
Введение
В настоящее время металлургические заводы выпускают широкий ассортимент труб, отличающихся химическим составом, уровнем механических свойств, надежностью и долговечностью в процессе эксплуатации. По химическому составу и уровню прочностных и пластических характеристик стальные трубы условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся трубы, изготовленные из низколегированных сталей, содержащих в качестве основных легирующих элементов марганец и кремний, образующие с железом твердые растворы замещения. Трубы, изготовленные из низколегированных сталей, после нормализации имеют прочность 500-520 МПа в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью при температуре минус 40 оС. К таким сталям относятся 17ГС, 09Г2С, 10Г2СД, 12Г2С. Дальнейшее повышение прочности трубных сталей за счет твердорастворного упрочнения оказалось невозможным из-за резкого ухудшения их вязкости и свариваемости [1].
Более высокие характеристики прочности и вязкости без снижения свариваемости получают стали в результате карбидного или карбонитридного упрочнения при введении добавок ванадия, ниобия и азота. Ванадий и ниобий положительно влияют на измельчение зеренной структуры, если находятся в стали в виде высокодисперсных карбидов. Авторами [2] были разработаны стали второй группы с временным сопротивлением 540-600 МПа. Сталь 17Г2СФ мелкозернистая, технологичная, но подвержена разрушению из-за стресс-коррозии. Взамен ее в дальнейшем была разработана сталь
16Г2АФ с карбидо- и нитридообразующими элементами, содержащими ванадий и алюминий. В дальнейшем были разработаны стали 14Г2АФ, 16Г2АФ и 18Г2АФ, которые после нормализации имеют пределы текучести 400, 450 и 500 МПа. Для повышения прокаливаемости разработаны стали 09Г2ФБ, 10Г2ФБ с добавками бора и стали 12Г2СМФ, 14ГСМФР с добавками молибдена (0,2-0,5%). Эти стали относятся по классификации зарубежных фирм к категории прочности Х65-Х70. Фактическое содержание углерода в них составляет 0,070,10%, марганца - 1,1-2,0, кремния - 0,15-0,35%.
С развитием нефтяной и газовой промышленности появилась потребность в высокопрочных обсадных, насосно-компрессорных и бурильных трубах с пределом прочности 640-690 МПа (категории прочности Х75-Х80). Для этих целей в настоящее время в промышленности применяют стали 30Г2, 35Г2С, 37Г2С, 40Г и др. [1]. Достижение данного уровня свойств возможно лишь за счет применения упрочняющей термической обработки. Термическая обработка является важнейшей составляющей в современной технологии производства труб. Ее применяют для достижения определенных эксплуатационных свойств, подготовки структуры для определенных деталей в машиностроении (подшипники), восстановления пластичности, выравнивания структуры и свойств сварных и литых труб, а также труб переменной геометрии по длине. Для получения труб группы прочности К и выше (ГОСТ 633-80) и сохранения пластических характеристик их подвергают термической обработке, включающей закалку и высокий отпуск. Применение термоупрочненных труб позво-
ляет повысить их механические свойства или снизить массу металла до 30%. Термическое упрочнение горячекатаных труб включает нагрев в аустенит-ную область, изотермическую выдержку, закалку в воде и последующий высокий отпуск. Температуру нагрева под закалку и отпуск выбирают в зависимости от химического состава сталей и исходя из необходимого уровня механических свойств регламентированного действующими международными и отечественными стандартами.
Для правильного выбора оптимальных режимов термической обработки горячекатаных труб, изготовленных из данного рода сталей, необходимо изучить кинетику фазовых и структурных превращений, а также характер изменения механических свойств в зависимости от температуры нагрева и условий охлаждения. В дальнейшем, исходя из результатов исследований, следует выдать рекомендации по режимам термической обработки и вариантам ее реализации в промышленных условиях.
Исследование влияния режимов нагрева и охлаждения на структуру и механические свойства стали 32Г2
В качестве объекта исследования были выбраны горячекатаные трубы, изготовленные из стали 32Г2, имеющей следующий химический состав: С-0,31%; Si-0,277; Мп-1,295; Сг-0,076; Си-0,2272; Мо-0,022; У-0,0042; А1-0,0302; N1-0,1134; Р-0,0141; S-0,0117 вес.%. Образцы для исследований размером 10х10х100 мм вырезали из горячекатаных труб в продольном направлении и подвергали термиче-
Г^С: г г^штгггг / то
-4 (63), 2011/ 1119
ской обработке в камерной печи СНОЛ 30/1100 по следующим режимам: нагрев до температур 750950 оС; закалка в воде и отпуск при температурах 450-700 оС в течение 2 ч; нормализация при температурах 750-950 оС; нормализация и отпуск при температурах 600-700 оС. Из термически обработанных образцов изготавливали образцы для механических испытаний на разрыв. Разрыв образцов проводили на машине ZD 10/90. Скорость нагру-жения составляла 10 мм/мин. После разрыва определяли предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение. Микроструктуру сталей изучали с использованием микроскопа Уег-samet-2 при увеличениях до 2000. Испытание на ударную вязкость при комнатной и пониженной температуре проводили на маятниковом копре PSWO-30.
В исходном состоянии микроструктура стали 32Г2 после горячей прокатки представляет собой феррито-перлитную смесь с размерами перлитных зерен 15-20 мкм и выделениями феррита по границам (рис. 1, а). Механические свойства стали 32Г2 после горячей прокатки находились на уровне: св = 672 МПа; с0,2 = 428 МПа; 5 = 21%; у = 65%. После нагрева стали 32Г2 до температуры 750 оС и закалки в воде были получены следующие механические свойства: св = 1566 МПа; с02 = 1540 МПа; 5 = 1%; у = 5,4% (рис. 2). Дальнейшее повышение температуры нагрева от 800 до 850 оС приводит к росту временного сопротивления на разрыв, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения закаленной стали от
Рис. 1. Микроструктура стали 32Г2: а - после горячей прокатки; б - 850 °С, охлаждение водой; в - 850 °С, охлаждение на воздухе
в
7Ю 830 8Ю
Температура нагрева,°С
Рис. 2. Механические свойства стали 32Г2: нагрев в печи 1 ч, охлаждение в воде (сплошная линия); охлаждение на воздухе(штриховая линия)
св = 1580 МПа; с0,2 = 1560 МПа; 8 = 2,5%; у = 12% до св = 1883 МПа; с0,2 = 1658 МПа; 8 = 4,7%; у = 38,3%. После закалки с температуры 850-875 оС фиксируется мартенсит твердостью 52 HRC (см. рис. 1, б). Следует отметить, что после закалки в интервале температур 825-875 оС наблюдается повышение относительного сужения от 23 до 36,5%. Данное обстоятельство может быть связано с протеканием процессов рекристаллизации аусте-нита, измельчением зерен и гомогенизацией твердого раствора.
Если после нагрева до температур 750-850 оС горячекатаные образцы охлаждали на воздухе, то механические свойства стали 32Г2 во всем температурном интервале практически не изменялись и находились на уровне: св = 650-660 МПа; С02 = 375-400 МПа; 8 = 18-22%; у = 67-70%. При этом структура стали, нагретой до температуры 850 оС, представляла собой феррито-перлитные зерна размером 8-10 мкм, более мелкие, чем после горячей прокатки (см. рис. 1, в). Данное обстоятельство обусловлено протеканием процессов растворения феррита и последующим распадом аустенита на феррито-цементитную смесь, структура и свойства которых в основном зависят от скоростей охлаждения исследуемых образцов.
Исследование влияния режимов отпуска на структуру и механические свойства закаленной и нормализованной стали 32Г2
Образцы стали 32Г2 для исследований нагревали до температуры 850 оС, закаливали в воде,
«0 500 550 600 6Я) ТВ
Температура нагрева, °С
Рис. 3. Механические свойства стали 32Г2 после закалки и отпуска. Режимы термообработки: нагрев 850 °С, 1 ч, охлаждение водой, отпуск 2 ч, охлаждение на воздухе
а затем подвергали отпуску при температурах 450700 оС в течение 2 ч. Результаты испытаний на растяжение приведены на рис. 3. Установлено, что после закалки с температуры 850 оС и отпуска при температуре 450 оС, 2 ч механические свойства стали 32Г2 следующие: св = 1055 МПа; с0,2 = 977 МПа; 8 = 9,8%; у = 65%. С повышением температуры отпуска от 450 до 550 оС прочностные характеристики плавно снижаются до с в = 855 МПа; С02 = 754 МПа; 8 = 10,6%; у = 61,4%. Пластические характеристики в данном интервале температур отпуска не изменяются и составляют 8 = 9,8-10%; у = 61-65%. После отпуска при температурах 600700 оС предел прочности и предел текучести снижаются с св = 787 МПа, с0,2 = 680 МПа до св = 637 МПа, с0,2 = 517 МПа, пластические свойства повышаются от 8 = 14,3%, у = 71% до 8 = 2021,3%, у = 74%. Микроструктура стали 32Г2 после закалки с температуры 850 оС и отпуска при 650 оС представляет собой ферритную матрицу, внутри которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы цементита (рис. 4, а, б).
Механические свойства стали 32Г2 после нормализации с температуры 850 оС и отпуска приведены в табл. 1. С повышением температуры отпуска от 600 до 700 оС временное сопротивление на разрыв и предел текучести снижаются с 646 и 424 МПа до 573 и 350 МПа соответственно, а относительное удлинение возрастает от 21,6 до 26,4%, относительное сужение не изменяется и находится на уровне 71%.
п ггтггг^ г: мтпп vtпгг / щ
-4 (63), 2011 I I
Рис. 4. Микроструктура стали 32Г2 после отпуска: а, б - 850 °С, 1 ч, вода + 650 °С, 2 ч; в, г - 850 °С, 1 ч, воздух + 650 °С, 2 ч
Т а б л и ц а 1. Механические свойства стали 32Г2 после нормализации и отпуска
Температура нормализации Охлаждающая среда Температура отпуска Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение/ сужение
850 воздух 600 424 646 21,6 / 71
850 воздух 650 382 612 21,1 / 72
850 воздух 700 350 573 26,4 / 71
нагреву до температуры 900 оС, а затем охлаждали в интервале температур 850-300 оС на воздухе (Vox = 10 оС/с) или со скоростями 5 и 1 оС/с. Скорости охлаждения 1 и 5 оС/с обеспечивали в резуль-
то-
После нормализации при 850 оС и отпуска при 650 оС в стали формируется феррито-перлитная структура (рис. 4, в, г). Причем внутри ферритных зерен в процессе отпуска происходит выделение мелкодисперсных частиц цементита, а в перлитных объемах их частичная коагуляция.
Влияние режимов охлаждения в процессе нормализации на механические свойства и структуру стали 32Г2
Известно, что на формирование зеренной и вну-тризеренной структуры стали 32Г2 в процессе нормализации, а также на ее механические свойства в большей степени оказывают влияние условия охлаждения. Вследствие этого целесообразно было изучить влияние скоростей охлаждения на структуру и свойства стали 32Г2 после нагрева до температуры нормализации. Для этого образцы размером 10^10^100 мм вырезали из горячекатаных труб в продольном направлении, подвергали
й С
500-
Э-" 40-
^ 20-tо
\а
/ 5
................................:........................... .............
Q2
Q4 ЙУ.
1,0 I
С/с
Рис. 5. Механические свойства стали 32Г2 в зависимости от скорости охлаждения. Нормализация 900 °С, Ун = 25 °С/с
112/
г: гшшгггта
4 (63), 2011
Рис. 6. Микроструктура труб, изготовленных из стали 32Г2 после различных скоростей охлаждения. Нагрев 900 °С,
V = 25 °С/с: а - охлаждение 5 °С/с; б - охлаждение 1 °С/с
тате дозированного пропускания тока через образец. После термической обработки проводили механические испытания образцов, результаты которых приведены на рис. 5. Из рисунка видно, что с уменьшением скорости охлаждения с 10 до 1 оС/с временное сопротивление на разрыв снижалось с 755 до 698 МПа, предел текучести - с 517 до 460 МПа, а относительное удлинение повышалось от 20 до 24%. Анализ микроструктуры показал (рис. 6), что с уменьшением скорости охлаждения с 5 и 1 оС/с наблюдается увеличение среднего размера ферритной составляющей от 5 до 7 мкм.
Рекомендации по режимам термообработки и механическим свойствам обсадных и насосно-компрессорных труб, изготовленных из стали 32Г2
По результатам проведенных исследований были сделаны рекомендации по режимам термической обработки стали 32Г2 для различных групп прочности труб в соответствии с действующей нормативной документацией. Рекомендуемые режимы термической обработки и механические свойства, которые они обеспечивают для их достижения (по ГОСТ 633-80), приведены в табл. 2.
Т а б л и ц а 2. Режимы термической обработки, механические свойства стали 32Г2 и классы прочности по ГОСТ 633-80
Температура нагрева Охлаждающая среда Температура отпуска Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение/ сужение Класс прочности по ГОСТ 633-80
860 вода 450 977 1055 9,8 / 65 Р
860 вода 500 814 933 9,9 / 65 М
860 вода 550 754 853 10,6 / 61,4 М
860 вода 600 680 787 14,3 / 71 Л
860 вода 650 596 711 20,0 / 74 К, Е
860 вода 680 545 658 16 / 73,6 Д исп А, Б
825 воздух - 663 408 21,8 / 73 Д исп А, Б
Т а б л и ц а 3. Механические свойства стали 32Г2 и рекомендуемая термическая обработка в соответствии со стандартом API 5СТ
Класс Группа прочности Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Термическая обработка (ориентировочная)
мин. макс.
1 H40 276 552 414 Норм.860 °С
J55 379 552 517 Норм. 860 °С
K55 379 552 655 Норм. 860 °С
N80 552 758 689 Зак.860 °С, отп. 650 °С
2 T95 655 758 724 Зак.840 °С, отп.570-600 °С
3 P110 758 965 862 Зак. 860 оС, отп. 550 оС
4 Q125 862 1034 931 Зак. 860, отп. 450 оС
Рекомендуемые режимы термической обработки, обеспечивающие достижение соответствующих групп прочности по стандарту API 5СТ, приведены в табл. 3.
Опытно-промышленное опробование процессов термической обработки труб в условиях РУП «БМЗ»
На РУП «БМЗ» для нагрева под закалку или нормализацию используется проходная газовая печь с шагающими балками. Печь оснащена входным и выходным рольгангами. Транспортная ширина печи - 15040 мм, расстояние между балками -216 мм, максимальное количество труб, загружаемых в печь - 47 шт. Цикл перемещения балок задается в зависимости от наружного диаметра, толщины стенок трубы, марки стали и составляет не менее 26 с. Печь позволяет нагревать трубы длиной 6-15 м, диаметром от 32 до 168,3 мм с толщиной стенки 2,5-19 мм. Трубы подаются в печь поштучно через печной рольганг в автоматическом или ручном режиме. Разделение труб одной плавки от другой осуществляется через четыре холостых шага балок. Контроль загрузки и выгрузки
труб осуществляется по телемонитору. Закалочная печь обогревается природным газом, теплота сгорания которого составляет 8200 ккал/ч. Температуру нагрева труб в печи можно регулировать в пределах 700-1050оС. Контроль температуры осуществляется платино-платинородиевыми термопарами. Соотношение расхода газа и воздуха устанавливается в диапазоне от 1:9 до 1:10. Избыточное давление в печи должно поддерживаться на уровне 5-10 Па.
Для закалки труб на РУП «БМЗ» разработано специальное закалочное устройство, в котором в качестве охлаждающей среды используют воду. Нагретая труба из печи по рольгангу подается в закалочное устройство. В процессе закалки внешнюю сторону труб охлаждают водой через спрей-ер, расположенный по всей длине трубы. С целью достижения равномерного охлаждения и уменьшения коробления нагретую трубу в процессе охлаждения вращают вокруг продольной оси. Результаты исследований показывают, что при закалке водой в спрейерных устройствах равномерность структуры и свойств, а также минимальное изменение геометрических размеров труб достигается при 15-25 оборотах трубы [3]. Внутреннюю поверхность трубы также охлаждают водой, подаваемой через форсунки. Диаметр форсунок зависит от наружного диаметра трубы. Форсунки для внутреннего охлаждения расположены на одной оси, соответствующей центральной оси трубы. Скорость охлаждения труб нефтяного сортамента обычно составляет 40100 оС/с. Процесс закалки и нормализации труб запрограммирован и управляется с помощью компьютера. Подача воды через спрейер и форсунки, скорость вращения труб регулируются в зависимости от диаметра и толщины стенки трубы.
Отпуск закаленных или нормализованных труб на РУП «БМЗ» производят в проходной газовой печи с шагающим подом. Отпускная печь имеет аналогичные технические характеристики, как и закалочная, а температура нагрева труб на выходе из печи может регулироваться в пределах 350800 оС.
С целью промышленного опробования разработанных режимов горячекатаные бесшовные трубы размерами 88,9x6,5; 101,0x6,5; 114,3x8,5; 127,0x8,5; 152,0x8,5; 168,3x8,5 мм подвергали термической обработке (закалка + отпуск) в закалочной и отпускной печи. Температура нагрева в закалочной печи составляла 830-870 оС (температура труб на выходе из печи - 830-840 оС). Цикл шага балок с увеличением диаметра труб от 89,9x6,5 до 168,3x8,5 мм изменяли от 42 до 62 с. Для получения свойств св = 700 МПа, с02 = 560 МПа темпера-
/тггтг^ г: г^штгггг /цо
-4 (63), 2011 I HU
тура в отпускной печи составляла 610-650 оС (температура труб на выходе из печи - 610-625 оС). Механические свойства труб после данной термической обработки соответствовали требованиям группы прочности Е по ГОСТ 633-80. На рис. 7 представлены усредненные значения механических свойств труб в зависимости от их диаметра. Одновременно для временного сопротивления на разрыв и для предела текучести приведены интервалы с минимальными и максимальными значениями. Установлено, что усредненные значения предела прочности и предела текучести для труб диаметрами 89,9x6,5; 152x8,5 и 168,3x8,5 мм составляли: св = 720-740 МПа, с0,2 = 650-660 МПа. Разброс значений по пределу текучести составил 90-100 МПа, по пределу прочности - 70-80 МПа. Установлено, что при нагреве температура в закалочной и отпускной печи колебалась в пределах плюс-минус 20 оС. Данное обстоятельство может быть вызвано следующими причинами: колебанием температур, связанным с открытием и закрытием печи в процессе подачи холодных труб в печь и выгрузкой нагретых труб из печи; недостаточным предварительным прогревом печи; неправильной настройкой горелок. Если при нагреве под закалку такие колебания температур на свойства закаленной стали влияют несущественно, то в процессе отпуска при средней температуре 650 оС и колебаниях плюс-минус 20 оС значения предела прочности и предела текучести могут изменяться соответственно в интервале 675-740 и 562-630 МПа. В связи с этим были сделаны рекомендации, что при существенных колебаниях температуры в отпускной печи в процессе выбора режимов для получения требуемых механических свойств необхо-
а в
V
-
н—1—i—1—i—1—i—1—i—1—i-1—i—1—i-1—
90 100 110 120 130 140 150 160 170
Диаметр трубы, мм
Рис. 7. Механические свойства термически упрочненных труб стали 32Г2 в зависимости от их диаметра. Режимы термической обработки: температура закалки 830-870 оС, температура отпуска 610-650 оС
114/
г^г: г: гшшгггта
4 (63), 2011-
Рис. 8. Микроструктура стали 32Г2 до и после термической обработки в условиях РУП «БМЗ»: а - горячекатаная; б - закалка +отпуск (св = 697 МПа, с0 2 = 553 МПа, 8 = 22%, у = 71%)
димо ориентироваться не на среднюю температуру нагрева в отпускной печи, а на максимальную, которая достигается в печи при колебаниях температур в процессе отпуска.
Для получения механических свойств труб, отвечающих классу прочности К по ГОСТ 633-80, термообработке подвергали горячекатаные трубы размером 108*19 мм по следующим режимам: температура нагрева под закалку составляла 850870 оС, а температура отпуска - 660-680 оС. Цикл шага балок в закалочной печи составлял 102 с, в отпускной - 100 с. После термической обработки изучали микроструктуру стали и оценивали механические свойства: предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, ударную вязкость при комнатной температуре и температуре минус 60 оС, долю вязкого излома.
В исходном горячекатаном состоянии сталь 32Г2 имела феррито-перлитную структуру (рис. 8, а), а после закалки и отпуска по указанным режимам в структуре стали формируется сорбит (рис. 8, б).
Результаты механических испытаний показали, что разброс значений предела текучести термически упрочненных труб составлял 545-611 МПа, предела прочности - 691-723 МПа, относительно-
го удлинения - 17,6-29,6%, ударной вязкости при минус 40 оС - 74-119 Н/см2. Проведенные исследования показывают, что термическая обработка, проведенная по данным режимам, обеспечивает получение механических свойств, соответствующих требованиям групп прочности К, Е.
Выводы. Проведены исследования по влиянию температуры нагрева, режимов охлаждения и температуры отпуска на структуру и механические свойства горячекатаных труб, изготовленных из стали 32Г2. По результатам исследований показано, что трубы, изготовленные из стали 32Г2, после закалки и отпуска обеспечивают необходимый уровень механических свойств в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ 633-80 и АР1 5СТ. С использованием заводских нагревательных печей проведено опытно-промышленное опробование режимов термической обработки горячекатаных труб, изготовленных из стали 32Г2 и термически обработана опытная партия труб. По результатам исследований разработаны технологические карты режимов термической обработки труб, изготовленных в соответствии с действующими отечественными и международными стандартами.
Литература
1. Т у х б а т у л л и н Ф. Г., Г а л л и у л и н З. Т. и др. Низколегированные стали для магистральных газопроводов и их сопротивление разрушению. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2001.
2. А б а б к о в В. Т., М а т р о с о в Ю. И., Н а с и б о в А. Г. Улучшение качества нормализованных листов из стали 17Г2АФ // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». М.,1974. № 8. С. 43-45.
3. Металловедение и термическая обработка стали / Под ред. М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1983.
Т. 3.
