Низколегированные феррито-перлитные стали

При изготовлении труб для магистральных газонефтепроводов применяются несколько марок низколегированных сталей, поставляемых в горячекатаном или в нормализованном состоянии. Для труб диаметром 530 – 820мм используется горячекатаная сталь 17ГС, а также стали 09Г2, 10Г2С в различных модификациях, для труб диаметром 1020 – 1220мм – простые нормализованные стали 17Г1С-У и в опытном порядке стали 15Г2АФЮ, упрочнённые нитридами алюминия, и 13Г2АФ, упрочнённые нитридами ванадия и др.

Сталь 17ГС (17Г1С-У) – основная марка стали для труб диаметром 530 – 1220мм на давление 5,5 – 6,4МПа. Сталь 17ГС и её модификации применяются уже более 40 лет. Согласно одним из первых технических условий ЧМТУ 3-58 – 67 и последним ТУ 14-3-1138 – 82, металл труб диаметром 1020 – 1220мм при толщинах стенок 9 – 14мм обеспечивает свойства δ_в 500МПа

Основа химического состава стали (С=0,15-0,2%; Mn=1,15-1,55%; Si=0,4-0,6%; S=0,02%; P=0,025%) за многие годы применения практически не изменилась. Это простая феррито-перлитная сталь, оптимально легированная по всем основным элементам: углероду, марганцу и кремнию, что позволяет при минимальных затратах получать достаточно высокий комплекс свойств, не прибегая к легированию никакими другими дефицитными и дорогими элементами.

Многочисленные попытки улучшения свойств стали 17ГС не дали однозначных результатов, поэтому в связи с переходом на массовое производство труб из стали 17ГС, а затем 17Г1С-У, которое позволило значительно повысить работоспособность труб, сократить число отказов на газонефтепроводах, связанных с качеством и свойствами металла труб, постепенно прекратились. Однако полностью устранить разрушения трубопроводов из стали 17Г1С не удалось. Поскольку сталь 17Г1С весьма экономична и для ряда типоразмеров труб ещё долго будет применяться.

Сталь 13Г2АФ и 17Г2АФ. Феррито-перлитная сталь, упрочнённая нитридами ванадия, а в некоторых марках и алюминием. Сталь 13Г2АФ используют для труб 1220мм с рабочим давлением 5,5МПа; сталь 15Г2АФЮ и 17Г2АФ – для труб диаметром 1420мм на рабочее давление 7,5МПа. Химический состав стали 13Г2АФ согласно ТУ 14-3-1138 – 82: (C=0,11-0,17%; Mn=1,1-1,7%; Si=0,2-0,4%; V=0,06-0,1%; N=0,01-0,02%; S=0,02%; P=0,025%; Al=0,015-0,05%); δ_в=540-640МПа. Преимущества стали 13Г2АФ в сравнении со сталью 17Г1С-У небольшие. Была опробована в промышленном масштабе также нормализованная дисперсионноупрочная сталь 17Г2АФ в трубах диаметром 1420мм, временное сопротивление разрыву составило δ_в=600МПа, вязкость и пластичность были недостаточны, качество поверхности труб часто было неудовлетворительным, поэтому от её применения пришлось отказаться. Были попытки упрочнения нитридами алюминия, однако, такие нормализованные стали, применения для изготовления труб не нашли.

Стали контролируемой прокатки.

Отечественная металлургическая промышленность ориентировалась на изготовление сталей на основе двух более дешёвых и не дефицитных химических композиций:

1. марганца, ванадия, алюминия;

2) марганца, ванадия, ниобия, титана. Использование этих элементов потребовало производить прокатку стали в более узком интервале температур, повысить чистоту стали путём обработки её синтетическими шлаками, а также выполнить обработку её в ковше кальцием и редкоземельными металлами для уменьшения неметаллических включений. Всё это позволило получить однородную, достаточно очищенную от серы и неметаллических включений сталь следующих марок 09Г2ФБ, 08Г2ФЮ, 10Г2ФБ. Все эти стали близки по химическому составу и механическим свойствам. Так для 09Г2ФБ δ_в≥560МПа. Имеют большое сопротивление вязкому разрушению (А_п=2,5кДж). Коэффициент использования прочности стали, труб при их испытании до разрушения, был равен 1. Данные стали имеют высокий комплекс механических свойств, полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемых к сталям газопроводов диаметром 1420мм на давление 7,5МПа. После корректировки химического состава и разработки стали 10Г2ФБ, где δ_в≥600МПа (620-660МПа) С=0,12%, Mn=1,75%, Si=0,35%, S=0,010%, P=0,020%, V=0,12%, Nb=0,05%, Ti=0,035%; C_э=0,38-0,40 согласно ТУ, которая полностью удовлетворяет условиям надёжной эксплуатации газопроводов диаметром 1420мм на давление 7,5МПа и температуре эксплуатации до – 20ºC. Сталь 10Г2ФБ стала основной при изготовлении труб диаметром 1420мм в отечественной промышленности. Трубы, произведённые из листа импортной прокатки, имели схожие показатели механических свойств, но отличались несколько по химическому составу и имели C=0,12%, Si=0,55%, Mn=1,6-1,9%, P=0,030%, S=0,025%, V=0,10%, Nb=0,10%, Al=0,015%. Данные трубы получили также широкое применение, особенно при строительстве газопроводов с Ямбургского и Уренгойского месторождений. (Уренгой-Ужгород; Уренгой-Центр; Ямбург-Елец; Ямбург-Тула и др.).

Маркировка сталей отечественного производства основывается на химическом составе, где главную роль играет содержание углерода. Так первая цифра обозначает содержание углерода в (%), а далее буквенное обозначение легирующих элементов, после буквенного обозначения цифрой количество в (%), если количество не превышает 1%, то цифра не ставится. Например, 17ГС С=0,17%; Mn= до 1%; Si= до 1%. Принято следующее буквенное обозначение:

Алюминий – Ю; Азот – А; Бор – Р; Ванадий – Ф; Вольфрам – В; Кремний – С; Хром – Х; Кобальт – К; Марганец – Г; Медь – Д; Молибден – М; Никель – Н; Ниобий – Б; Титан – Т; Цирконий – Ц.

Для сталей импортного проката по стандартам АРI5L в основу маркировки заложено значение нормативного предела текучести, выраженное в фунтах на квадратный дюйм (psi) и делённому на 1000. Для перевода в европейскую систему (СИ) используется переводной коэффициент 7,03. Например, Х60 δ_т=60×7,03=422МПа; Х70 δ_т=70×7,03=492МПа.

Основные рекомендации при выборе сталей труб.

Требования к свойствам стали и сварных соединений труб для газонефтепроводов изложены в СНиП 2.05.06-85* и в «Инструкции по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности».

При выборе стали для труб, следует исходить из следующих требований:

обеспечение удовлетворительного сопротивления металла труб и сварных соединений газонефтепроводов разрушению при реальных нагружениях конструкции во время эксплуатации и в аварийных ситуациях;

минимальная металлоёмкость сооружения при удовлетворительной свариваемости стали;

влияние перекачиваемого продукта (жидкость или газ) и характер его действия (обычный или кислый коррозийноактивных газ) на работу металла в конструкции;

возможности металлургической промышленности поставлять соответствующую сталь и трубы в необходимых количествах.

Снижение металлоёмкости при сооружении магистральных трубопроводов без ущерба их работоспособности достигается путём применения наиболее прочных сталей, имеющих удовлетворительную хладостойкость и вязкость, а также правильным выбором коэффициента К₁ безопасности по материалу, предусмотренного нормами расчёта СНиП2.05.06-85*

Особое внимание следует уделять хладостойкости металла, чтобы исключить хрупкие протяжённые разрушения. Их длина может достигать нескольких километров, поскольку они распространяются без снижения давления в вершине трещины.

Для предупреждения распространения хрупкого разрушения по газопроводу сталь труб должна обладать при минимальной температуре эксплуатации вязким изломом, что оценивается по количеству вязкой составляющей в изломе полнотолщинных образцов типа DWTT. Нормы вязкой составляющей в изломе приведены в СНиП 2.05.06-85*.

Не менее важной характеристикой, обеспечивающей работоспособность труб, является вязкость металла, используемая для предупреждения образования протяжённых вязких разрушений.

При выборе труб для магистральных трубопроводов особое внимание следует уделять сопротивлению металла труб зарождению трещин. Однако в нефтепроводах образование трещин наблюдается более часто, чем в газопроводах, вследствие возможности возникновения при перекачке жидких продуктов циклических и ударных нагрузок, вызываемых действием неустановившихся режимов процесса перекачки. В газопроводах необходимо исключить протяжённые вязкие разрушения, поэтому к вязкости стали предъявляться более жесткие требования. При использовании труб из стали контролируемой прокатки специально оговаривать требования к величине сопротивления зарождению трещин нет необходимости.