CC BY
26УДК 691.714.122
Л.А. Ефименко, д.т.н., профессор, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), е-mail: [email protected]; А.О. Меркулова, ассистент, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), е-mail: а[email protected]; О.С. Пуйко, ведущий инженер лаборатории металлографии ИЦ, ОАО «Трубодеталь» (Челябинск, Россия), е-mail: [email protected]; А.А. Щекалова, инженер-технолог 2-й категории ОТОП, ОАО «Трубодеталь» (Челябинск, Россия), е-mail: [email protected]
Исследование влияния режимов термической обработки соединительных деталей трубопроводов из высокопрочных сталей на изменение прочностных характеристик
В связи с переходом на транспортировку природного газа под давлением 9,8-11,8 МПа перспективным стало применение труб и соединительных деталей из высокопрочных сталей категории прочности К60. Это обуславливает высокие требования к их техническому состоянию и эксплуатационным характеристикам. Процесс изготовления соединительных деталей трубопроводов связан с неоднократным нагревом металла, что отрицательно сказывается на его прочностных характеристиках. Вместе с тем металл готового изделия должен соответствовать категории прочности стали К60. Обеспечение этого требования возможно только в результате финишной термической обработки. В данной статье проведена оценка возможности обеспечения требуемых прочностных свойств соединительных деталей трубопроводов на базе изучения особенностей кинетики превращения аустенита высокопрочной стали 10Г2ФБЮ при термической обработке.
Исследования проводились на специализированном оборудовании в лабораториях кафедры «Сварка и мониторинг нефтегазовых сооружений» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.
Основными этапами исследования явились: изучение кинетики роста зерна при повышении температуры термической обработки до 1100 °С; построение анизотермических диаграмм распада аустенита сварных соединений при термообработке; оценка возможности реализации рекомендуемых режимов термической обработки. По результатам исследований было установлено влияние параметров термической обработки по режиму «закалка с высоким отпуском» на структуру, твердость и ударную вязкость основного металла и сварных соединений штампосварных отводов. Экспериментальным методом были определены условия воспроизведения требуемых скоростей охлаждения, обеспечивающих значения прочностных характеристик на уровне нормативных значений.
Ключевые слова: кинетика распада аустенита, соединительные детали трубопроводов, термическая обработка.
L.A. Efimenko, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Dr. Sci., Professor, e-mail: [email protected]; A.O. Merkulova, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Assistant, e mail: а[email protected]; O.S. Puyko, Trubodetal OJSC (Chelyabinsk, Russia), leading engineer of the lab metallography of the Engineering centre, e-mail: [email protected]; A.A. Schekalova, Trubodetal OJSC (Chelyabinsk, Russia), process engineer 2nd categories, e-mail: [email protected]
Study of the effect of heat treatment pipeline fittings made of high strength steels on the change of strength characteristics
Due to transition to the natural gas transportation pressurized to 9.8-11.8 MPa, application of pipes and fittings made from high-strength steel with strength category K60 became promising. This provides for high requirements for their technical condition and performance characteristics. The process of manufacturing pipeline fittings is associated with repeated metal heating that negatively affects its strength characteristics. At the same time, metal in finished products has to comply with category K60 of strength steel. This requirement can be met only in the result of final heat treatment. This article is dedicated to assessment of the possibility to provide required strength properties of pipeline fittings based on the study of specific kinetic features of the transformation of 10G2FBY austenite high-strength steel during heat treatment.
The study was carried out using specialized hardware installed in the laboratories of the Department «Welding and Monitoring of Oil and Gas Facilities» at Gubkin Russian State University of Oil and Gas.
WELDING
The study comprised the following phases: The study of the grain growth kinetics with increasing of the heat treatment up to 1,100 °C; Plotting of anisothermal diagrams of austenite decomposition in weld joints during thermal treatment; Assessing the feasibility of the recommended heat treatment modes.
According to the study result the influence of heat treatment parameters was established within the mode «quenching with high-temperature tempering» on the structure, hardness and toughness of the base metal and welded joints in stamped elbows. By experimental method, conditions were defined for reproduction of required cooling rates that ensure strength characteristics at the rated level.
Keywords: kinetics of austenite decomposition, pipe fittings, heat treatment.
Соединительные детали трубопроводов являются важным элементом газотранспортной системы,в значительной степени определяющим экологическую безопасность ее эксплуатации. Для изготовления соединительных деталей используют малоуглеродистые микролегированные стали категории прочности К60, а в перспективе - К65 и выше.
Процесс изготовления соединительных деталей трубопроводов предусматривает нагрев металла и его охлаждение со скоростями гораздо ниже тех, которые регламентируются для производства проката. Это вызывает изменение структуры и свойств металла (рис. 1), в частности прочностных характеристик. Наблюдается разупрочнение металла на 25%.
Вместе с тем металл готового изделия должен соответствовать категории прочности К60. Обеспечение этого требования возможно в результате финишной термической обработки,
а) б) в)
Рис. 1. Структура основного металла на различных стадиях технологического передела: а) основной металл после проката; б) основной металл плавки 1 после штамповки 900 °С; в) основной металл плавки 2 после штамповки 900 °С , х500
Fig. 1. Structure of the base metal at different phases of technological conversion: a) base metal after rolling; b) base metal of the 1st heat after stamping 900 °С; c) base metal of the 2nd heat after stamping 900 °С, X500
Ссылка для цитирования (for references):
Ефименко Л.А., Меркулова А.О., Пуйко О.С., Щекалова А.А. Исследование влияния режимов термической обработки соединительных деталей трубопроводов из высокопрочных сталей на изменение прочностных характеристик // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 8. С. 76-82. Efimenko L.A., Merkulova A.O., Puyko O.S., Schekalova A.A. Study of the effect of heat treatment pipeline fittings made of high strength steels on the change of strength characteristics (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 8. P. 76-82.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 8 august 2015
77
Рис. 2. Зависимость роста зерна аустенита от температуры нагрева Fig. 2. The dependence of the austenite grain growth on heating temperature
Температура, °C
Рис. 3. Изменение микротвердости (йН| ) основного металла стали 10Г2ФБЮ в процессе нагрева Fig. 3. The change of micro-hardness (AH|J ) of the base metal 10G2FBY steel, during the heating process
в) г)
Рис. 4. Фотографии микроструктуртуры стали после нагрева при термической обработке до температур 900 °С, 940 °С, 980 °С и 1000 °С
Fig. 4. Images of steel microstructure after heating during the heat treatment up to 900 °C, 940 °C, 980 °C and 1000 °C
которая применяется на заводе-изготовителе по режиму закалки с высоким отпуском. Однако проблема повышения стабильности свойств, полного устранения разупрочнения металла и обеспечения нормативных значений ударной вязкости остается. В связи с этим в данной работе проведена оценка возможности обеспечения требуемых прочностных свойств соединительных деталей трубопроводов на базе изучения особенностей кинетики превращения аустенита высокопрочной стали 10Г2ФБЮ при термической обработке.
В качестве резервных мер, которые должны были бы позволить решить указанную проблему, можно рассматривать два аспекта - повышение температуры аустенизации при закалке и использование стали с максимальным углеродным эквивалентом. На первом этапе было проведено исследование кинетики роста зерна аустенита при термической обработке методом фиксации структуры в воду (рис. 2-4), которое показало, что максимальную температуру нагрева можно было бы увеличить до 1100 °С, но при температуре выше 965 °С наблюдается эффект изменения формы изделия. Эта температура была принята за максимально возможную при термической обработке.
Второй этап предусматривал исследование кинетики распада аустенита высокопрочных сталей с различным значением эквивалента углерода с целью оптимизации скоростей охлаждения, обеспечивающих структурно-фазовый состав, требуемый с позиции восстановления прочностных характеристик. Диаграммы построены с использованием закалочного дилатометра марки L78 RITA. Микроструктура изучена с применением оптического микроскопа марки Meiji IM-7200 и сканирующего электронного микроскопа марки Phenom ProX. Измерение твердости металла исследуемых образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 2999 на автоматическом твердомере Durascan-50 методом Виккерса.
На рисунке 5 представлены диаграммы распада аустенита при термической обработке стали 10Г2ФБЮ двух химиче-
Разработка и производство защитных антикоррозионных покрытий для нефте- и газопроводов, оборудования КС и ГРС
117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 23 Тел. (495) 786-25-35
www.delan.su
e-mail: [email protected]
СВАРКА
Рис. 5. Анизотермические диаграммы основного металла стали 10Г2ФБЮ ( - плавка 1;-----
плавка 2) после термической обработки с максимальной температурой нагрева Tmax = 965 0C
Fig. 5. Anisothermal diagrams of the base metal 10G2FBY steel ( - heat 1;-----heat 2) after heat
treatment with the maximum heating temperature Т = 965 0C
° r max
ских составов с эквивалентом углерода 0,40 (плавка 1) и 0,45 (плавка 2). Как видно, ферритное превращение происходит в диапазоне скоростей охлаждения 0,5-7 °С/с и 0,5-5 °С/с для плавки
1 (С = 0,40) и плавки 2 (С = 0,45) со* экв ' * экв '
ответственно. Формирование перлита в структуре с повышенным углеродным эквивалентом (Сэкв = 0,45) сокращается примерно в 15 раз по сравнению с плавкой 1 (Сэкв = 0,40) и фиксируется в диапазоне скоростей охлаждения 0,5-2
°С/с. Бейнитное превращение наблюдается во всем исследуемом диапазоне скоростей охлаждения для плавки 2, тогда как для плавки 1 оно начинается на скорости 1,5 °С/с. Полностью бей-нитная структура формируется при Ш8-5 = 30 °С/с для плавки с С = 0,40 и с
' " экв ' 8-5
= 5 °С/с - для плавки с Сэкв = 0,45. На рисунке 6 представлены структурные диаграммы основного металла стали 10Г2ФБЮ после термической обработки, которые показывают, что
Рис. 6. Структурные диаграммы основного металла стали 10Г2ФБЮ после термической обработки
с максимальной температурой нагрева Tmax = 965 0C ( - плавка 1;-----плавка 2)
Fig. 6. Structural diagrams of the base metal 10G2FBY steel after heat treatment with maximum heating temperature Tmax = 965 0C ( - heat 1;-----heat 2)
повышение углеродного эквивалента способствует сужению ферритной и перлитной областей превращений. Также следует обратить внимание на то, что для металла с более высоким значением углеродного эквивалента характерно расширение бейнитной области.
Указанные изменения в кинетике распада аустенита отражаются на прочностных характеристиках основного металла. На рисунке 7 приведены зависимости изменения твердости основного металла от скорости охлаждении при термической обработке. В таблице указаны значения скоростей охлаждения, реализация которых при закалке исследуемых сталей позволит обеспечить значения твердости металла на уровне соответствующих показателей стали категории прочности К60 и предусмотренных нормативными документами [6].
Однако, как было сказано выше, термическая обработка на заводе проводится по режиму закалки с высоким отпуском. Следовательно, далее необходимо было рассмотреть возможность реализации рациональных параметров финишной термической обработки, выбранных на основе изучения кинетики распада аустенита и обеспечивающих требуемые прочностные характеристики соединительных деталей трубопроводов с толщиной стенки порядка 12 мм. Для воспроизведения режимов термической обработки штампосварных отводов были подготовлены две партии образцов для изучения влияния на основной металл и ОШУ ЗТВ, которые подвергались закалке в воде с различной температурой (объем охлаждающей жидкости для образцов рассчитан исходя из соотношения их размеров с параметрами реального изделия). Далее образцы подвергались отпуску по двум режимам: нагрев до максимальных температур 500-550 °С (первый режим) и 600-650 °С (второй режим), выдержка 2 мин./мм, охлаждение на воздухе. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.
Анализ данных, приведенных в таблице 1, показал, что твердость структуры основного металла и ОШУ ЗТВ, сформированной при скоростях охлажде-
80
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
WELDING
Таблица 1. Оценка влияния режимов термической обработки на изменение твердости Table 1. Assessment of the impact of heat treatment modes on the hardness change
Закалка Quenching Твердость основного металла HV10 Base metal hardness HV10 Твердость ОШУ ЗТВ HV10 The hardness of the area adjacent to the heat effect zone HV10 Отпуск (выдержка 30 мин.), 0С Tempering (exposure 30 minutes), 0С HV,0
Закалка 965 °С (выдержка 12 мин.), охлаждение в воду 25 °С Quenching 965 °С (exposure 12 minutes), cooling in water 25 °С 330-343 290-333 330 500-550 235-239 237
337 600-650 206-210 210
Закалка 965 °С (выдержка 12 минут), охлаждение в воду 40 °С Quenching 965 °С (exposure 12 minutes), cooling in water 40 °С 270-291 280 270-301 280 500-550 239-257 248
600-650 231-243 238
Закалка 965 °С (выдержка 12 минут), охлаждение в воду 60 °С Quenching 965 °С (exposure 12 minutes), cooling in water 60 °С 222-230 211-230 500-550 214-222 218
230 220 600-650 206-216 211
Закалка 965 °С (выдержка 12 минут), охлаждение в воду 80 °С Quenching 965 °С (exposure 12 minutes), cooling in water 80 °С 216-218 218 207-219 213 500-550 213-216 214
600-650 -
/
} !
ï 1/
2ÜOH Vi D / i
> 7
240НЛЧ « t
210HV 0 Lx-1 -- /
[Liai IKl ï ---
[Lui зкл t — -- ------- ---
0.1 1 10 100 Скорость охлаждении г tíf^t/i Cooling rale
№ плавки Heat number Максимальная температура нагрева, T , °С r ' max' Maximum heating temperature, T , °С r ' max' Твердость, HV10 Hardness, HV10 Скорость охлаждения, W8 5, °С/с Cooling rate, W8-5, °С/с
260 100
1 965 240 70
210 40
260 60
2 965 240 40
210 7
Рис. 7. Изменение твердости основного металла различного химического состава Fig. 7. Hardness change of the base metal with different chemical composition
ния в процессе закалки порядка 150 °С/с, соответствующая 330-340HV10, в процессе отпуска при температуре 500-550 °С снижается примерно на 28% и на 36% при температуре отпуска 600-650 °С до 240ЬШ0 и 210^10 соответственно.
Исходные значения твердости после закалки со скоростями охлаждения 125 °С/с (в воду 40-44 °С) снижаются в результате отпуска не более чем на 10% и 14% соответственно для отпуска при температурах 500-550 °С и 600-650 °С. При дальнейшем снижении исходной твердости металла после закалки влияние отпуска на ее изменение практически не сказывается. Следует отметить, что полученные в результате термической обработки по режиму закалки с отпуском значения твердости основного металла и ОШУ ЗТВ во всех случаях находятся в диапазоне, соответствующем нормативной документации [6].
Представляется целесообразным рассмотреть влияние указанных режимов термической обработки на значения ударной вязкости применительно к наиболее опасному участку сварных соединений - околошовному участку зоны термического влияния (ОШУ ЗТВ). Исследования проводились на реальных сварных соединениях, выполнен-
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 8 august 2015
81
СВАРКА
Таблица 2. Оценка влияния режимов термической обработки на изменение ударной вязкости Table 2. Assessment of the impact of heat treatment modes on impact strength
Сварное соединение Weld joint Температура испытания, Тисп, °С Testing temperature, Т , °С Ударная вязкость, Дж/см2 Impact strength, J/cm2 KCV . - KCV min max KCV ср Доля волокна в изломе, % Fiber ratio in fracture, %
ОШУ ЗТВ после термической обработки по режиму закалки с отпуском 500-550 °С The adjacent area of the heat effect zone after the heat treatment comprising quenching and tempering 500-550 °С -40 359-393 360 «100
-60 330-348 339 «100
ОШУ ЗТВ после термической обработки по режиму закалки с отпуском 600-650 °С The adjacent area of the heat effect zone after the heat treatment comprising quenching and tempering 600-650 °С -40 168-205 187 «100
-60 180-190 185 «100
ных заказчиком автоматической дуговой сваркой под флюсом. Склонность к хрупкому разрушению участков металла оценивалась по результатам испытания на ударный изгиб (К^) серии образцов типа Шарпи. Диапазон температур испытания составлял -40 °С, -60 °С. В таблице 2 приведены результаты оценки ударной вязкости зоны термического влияния штампосварного отвода после различной термической обработки, из которых видно, что ударная вязкость металла зоны термического влияния выше нормативных требований во всем температурном диапазоне испытаний.
Таким образом, на основе исследований особенностей кинетики распада аустенита при термической обработке стали типа 10Г2ФБЮ по режиму закалки показано, что для обеспечения ее прочностных характеристик на уровне соответствующих показателей стали категории прочности К60 целесообразно:
• операцию закалки штампосварных отводов проводить от максимально возможной (с позиции изменения формы изделия) температуры - 965 °С;
• скорости охлаждения изделия при закалке должны быть не ниже, чем указанные в таблице на рисунке 7;
• для изготовления штампосварных отводов эффективно использовать сталь 10Г2ФБЮ с максимально возможным эквивалентом углерода, позволяющим повысить прокаливаемость металла и обеспечить большую однородность свойств по толщине. Также экспериментальным методом были определены условия обеспечения требуемых скоростей охлаждения. Изучено влияние процесса закалки и последующего отпуска на структуру, твердость и ударную вязкость сварных соединений штампосварных отводов.
Литература:
1. Морозов Ю.Д., Матросов М.Ю., Настич С.Ю. Высокопрочные трубные стали нового поколения с феррито-бейнитной структурой // Металлург. 2008. № 8. С. 39-42.
2. Ботвинников А.Ю., Нейфельд О.И., Ефименко Л.А. Влияние термической обработки на структуру и свойства сварных соединений штампосварных деталей из стали 10Г2ФБЮ // Технология машиностроения. 2009. № 4. С. 10-12.
3. Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений: Учебн. пособие. М.: Логос, 2007. 456 с.: ил.
4. Ефименко Л.А., Нейфельд О.И. Исследование особенностей кинетики распада аустенита при сварке стали 10Г2ФБЮ // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. № 5. С. 47-48.
5. СТО Газпром 2-4.1-273-2008 «Технические требования к соединительным деталям для объектов ОАО «Газпром».
6. СТО Газпром 2-4.1-713-2013 «Технические требования к трубам и соединительным деталям».
References:
1. Morozov U.D., Matrosov M.U. , Nastich S.U. Vysokoprochnye trubnye stali novogo pokolenija s ferrito-bejnitnoj strukturoj [High steel pipe with a new generation ferritic-bainitic]. Metallurg = Steelworker, 2008, No. 8. P. 39-42.
2. Botvinnikov A.U., Neufeld O.I., Efimenko L.A. Vlijanie termicheskoj obrabotki na strukturu i svojstva svarnyh soedinenij shtamposvarnyh detalej iz stali 10G2FBJu [Effect of heat treatment on the structure and properties of welded joints of stamped parts made of steel 10G2FBYU]. // Tehnologija mashinostroenija = Manufacturing Engineering, 2009, No. 4. P. 10-12.
3. Efimenko L.A., Prigaev A.K., Elagina O.U. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka svarnyh soedinenij [Metallurgy and heat treatment of welded joints]. Moscow, Logos Publ., 2007. 456 pp., ill.
4. Efimenko L.A., Neufeld O.I. Issledovanie osobennostej kinetiki raspada austenita pri svarke stali 10G2FBJu [Investigation of the features of the kinetics of decomposition of austenite during of welding steel 10G2FBYU]. Himicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie = Chemical and Petroleum Engineering, 2008, No. 5. P. 47-48.
5. STO Gazprom 2-4.1-273-2008 Technical requirements for connecting parts for the facilities of Gazprom (In Russ.).
6. STO Gazprom 2-4.1-713-2013 Specifications for pipes and fittings (In Russ.).
82
№ 8 август 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
