Вышемирский Евгений Мстиславович

 

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

 

 

Специальность 05.03.06 – «Технологии и машины сварочного производства»

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва - 2009

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина

 

 

Научный руководитель                                       доктор технических наук,

                                                                               профессор Л.А. Ефименко

 

Официальные оппоненты:                                  доктор технических наук,

                                                                               профессор Т.А. Чернышова

 

                                                                               кандидат технических наук,

                                                                               В.И. Хоменко

 

Ведущая организация ОАО «Стройтрансгаз»

 

Защита состоится 18 июня 2009 года в 15.00 в ауд. 607 на заседании диссертационного совета Д.212.200.10 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

 

 

 

Автореферат разослан «____»  мая  2009 года

 

 

 

 

и.о. Ученого секретаря

диссертационного совета

д.т.н., профессор                                                                                  Зорин Е.Е.

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность темы. С целью повышения эффективности разработки газовых месторождений предусматривают переход на транспортировку природного газа под давлением 9,8 – 11,8 МПа, тогда как большая часть действующих магистральных газопроводов рассчитана на рабочее давление до 7,4 МПа. Если использовать для строительства новых высокоэффективных газопроводов традиционные стали категории прочности Х65-Х70, пришлось бы значительно увеличивать толщину стенки трубы. Поэтому в настоящее время весьма актуальной становится задача применения труб большого диаметра из сталей категории прочности Х80, а в перспективе до Х100, изучению которых посвящены работы Ю.И. Матросова, И.В. Ганошенко, О.А. Багмет, Ф. Хайстерками, К. Хука, М. Хамадо, Н. Такахаши и др.

В России опыт применения таких сталей при строительстве магистральных газопроводов северного исполнения отсутствует. В то же время следует отметить, что в мировой практике есть единичные примеры строительства трубопроводов из высокопрочных сталей, но рассчитанных на более низкие давления и для других климатических условий.

Успешное применение высокопрочных трубных сталей для строительства газопроводов в значительной степени определяется наличием рациональных технологических процессов их сварки, обеспечивающих требуемый уровень прочностных, пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений, базирующихся на современных металловедческих и технологических подходах  по оценке свариваемости. Это свидетельствует об актуальности настоящей работы.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является выявление особенностей свариваемости высокопрочных трубных сталей категории прочности К65 (Х80), К70 (Х100) на основе изучения процессов структурообразования и разработка технологии их сварки в условиях Крайнего Севера.

 

В работе были решены следующие задачи:

·          Исследование особенности кинетики распада аустенита высокопрочных сталей по сравнению с традиционно применяемыми трубными сталями в условиях сварочного нагрева и охлаждения;

·          Изучение склонности высокопрочных трубных сталей к образованию холодных трещин и изменению механических свойств при сварке и разработка подхода к обоснованию критического значения углеродного эквивалента для сталей данного класса;

·          Определение диапазона рациональных скоростей охлаждения с позиции обеспечения требуемых структуры и свойств сварных соединений из высокопрочных трубных сталей;

·          Разработка технологических режимов ручной дуговой и автоматической  дуговой сварки в защитных газах кольцевых стыков газопроводов из высокопрочных сталей, обеспечивающих диапазон рациональных скоростей охлаждения;

·          Изучение влияния отрицательных температур окружающей среды на параметры термического цикла сварки, формирование структуры и свойств сварных соединений.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования структуры и свойств сварных соединений: дилатометрический метод для построения анизотермических диаграмм распада аустенита, метод оптической металлографии для оценки структурно-фазового состава сварных соединений, методика имитации термических циклов сварки, стандартные методы измерения твердости и определения механических свойств сварных соединений, метод рентгенографического анализа для изучения морфологии мартенсита, экспериментальные методики записи термических циклов сварки, методы математического моделирования сварочных процессов.

Научная новизна. На основании изучения морфологии мартенсита  ОШУ ЗТВ высокопрочных и традиционных трубных сталей методом рентгенографического анализа показано, что мартенсит малоуглеродистых высокопрочных сталей характеризуется более низким содержанием углерода, меньшей величиной микродеформации кристаллической решетки и относительно низкой плотностью дислокаций. Это свидетельствует о его меньшей склонности к образованию холодных трещин при сварке.

На основе изучения процессов структурообразования, протекающих в ОШУ ЗТВ сварных соединений, показано, что оптимальной микроструктурой металла, с позиции обеспечения требуемого комплекса механических характеристик, является высокодисперсный бейнит. Установлено, что формирование такой структуры в ЗТВ при сварке высокопрочных трубных сталей происходит в интервале скоростей охлаждения (w8-5), составляющих для стали категории прочности Х80 - 10-50 0С/с, для стали категории прочности Х100 - 10-25 0С/с.

Предложен подход к определению величины критического значения углеродного эквивалента. Показано, что критическое значение углеродного эквивалента в малоуглеродистых микролегированных высокопрочных сталях зависит от возможности обеспечения, при принятых способах сварки, диапазона рациональных скоростей охлаждения, гарантирующих требуемый комплекс механических характеристик и отсутствие холодных трещин. Если в процессе сварки эти требования по скорости охлаждения могут быть выполнены, то величина критического значения Сэкв может быть увеличена свыше принятого в настоящее время для традиционных трубных сталей.

Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по сварке кольцевых стыков  трубопроводов из сталей категории прочности Х80, Х100 диаметром 1420 мм с толщиной стенки до 33 мм, предназначенных для работы под давлением 8,3 – 11,8 МПа в условиях Крайнего Севера.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы положены в основу Р Газпром «Рекомендации по сварке трубопроводов из стали класса прочности Х80, Х100», которые  используются при строительстве магистральных газопроводов системы Ямал - Европа на участке «Бованенково-Ухта».

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (октябрь 2007 г.), Международной конференции «Современные тенденции разработки и производства сталей и труб для магистральных газонефтепроводов» (февраль 2008 г.), отраслевом совещании «Состояние и направления развития сварочного производства ОАО «Газпром» (ноябрь 2008 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, все в журналах из перечня ведущих рецензируемых изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 87 наименований. Работа изложена на  133 странице, содержит 35 таблиц, 46 рисунков.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации.

В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрены особенности химического состава, структуры и механических свойств высокопрочных трубных сталей по сравнению с традиционно применяемыми кремне-марганцовистыми сталями. Проанализированы существующие принципы выбора параметров оценки свариваемости высокопрочных трубных сталей, а также выполнен расчет их склонности к образованию горячих и холодных трещин. Определены цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена исследованию свариваемости высокопрочных трубных сталей методами изучения кинетики фазовых превращений аустенита околошовной зоны посред­ством построения термокинетических и структурных диаграмм и оценки механических свойств на образцах, модели­рующих микроструктуру металла околошовного участка ЗТВ для способов сварки, используемых при строительстве газопроводов. На рисунке 1 сопоставлены структурные диаграммы ОШУ ЗТВ стали Х80 исследуемой плавки и традиционной трубной стали 17ГС категории прочности К52, полученные в сопоставимых условиях сварочного нагрева и охлаждения.

Рисунок 1 – Сопоставление структурных диаграмм сталей 05Г2БТФ (Х80) и 17ГС.

 

Установлено, что особенностью кинетики превращения аустенита ОШУ ЗТВ стали категории прочности Х80 является его распад преимущественно в бейнитной области. В отличие от традиционно применяемых кремне-марганцевых сталей более низкой категории прочности, у стали Х80 во всем диапазоне исследованных скоростей охлаждения от 0,5 до 300 0С/с отсутствует перлитная составляющая. Ферритные превращения у высокопрочных сталей наблюдаются только при скоростях охлаждения не более 100С/с. Мартенсит появляется в структуре стали категории прочности Х80 при скорости охлаждения от 60 0С/с. В структуре ОШУ ЗТВ стали 17ГС мартенсит формируется значительно раньше и при скорости охлаждения 40 0С/с его количество соответствует критическому (50 %).

С учетом разницы содержания углерода в рассматриваемых сталях, а также диапазонов скоростей охлаждения, соответствующих образованию мартенситной фазы, была изучена ее морфология. С этой целью был проведен рентгенографический анализ (с использованием дифрактометра ДРОН-3) образцов сталей 05Г2БТФ(Х80) и 17ГС, предварительно закаленных на мартенсит.  Установлено, что концентрация углерода в мартенситной фазе традиционной трубной стали 17ГС почти в 4 раза превышает аналогичный показатель мартенсита  стали Х80. Дефектность мартенсита, а, следовательно, и микродеформации мартенситной решетки стали Х80 в 1,3 раза меньше, чем дефектность мартенсита стали 17ГС, что подтверждается разностью физического уширения линии β222 и более низкой плотностью  дислокаций в мартенсите стали Х80 по сравнению с мартенситом стали 17ГС. Это свидетельствует о его меньшей склонности к образованию холодных трещин при сварке и возможности расширения диапазона критических значений углеродного эквивалента применительно к высокопрочным малоуглеродистым сталям. Показанные  особенности распада аустенита стали Х80 характерны и для сталей более высокой категории прочности Х100.

Установленные многими нормативными документами критические значения Cэкв не более 0,45% в большей степени применимы к традиционным трубным сталям с содержанием углерода 0,1 % и более. Применительно к малоуглеродистым микролегированным высокопрочным сталям, ранее установленные критические значения Сэкв не позволяют достоверно оценить их реакцию на термический цикл сварки (например, с позиции образования холодных трещин). В диссертации предложен подход к определению критических значений углеродного эквивалента высокопрочных сталей.

Для определения критического значения углеродного эквивалента при оценке свариваемости высокопрочных сталей необходимо провести анализ его взаимосвязи с показателями, характеризующими требования к свойствам сварных соединений и оценить условия их обеспечения при используемых процессах сварки. В качестве таких показателей могут быть: максимально допустимый процент мартенсита в структуре ОШУ ЗТВ, предельно допустимое значение твердости ОШУ ЗТВ и др.

Только сопоставление углеродного эквивалента, определенного по какой-либо из рекомендуемых литературой зависимостей, с параметрами термического цикла (например, скоростями охлаждения w8-5), обеспеченными режимами принятых процессов сварки, при которых достигается предельное значение выбранных показателей, позволяет оценить реакцию выбранной группы сталей на термический цикл сварки.

Так для предварительного анализа в качестве показателя склонности сталей к образованию холодных трещин были выбраны скорости охлаждения в интервале температур диффузионного превращения аустенита, обеспечивающие  получение  при дуговой сварке в структуре ОШУ ЗТВ сварного соединения не более 50% мартенсита (w50%М) и допустимые нормативными документами твердости не более 350 HV.

По литературным данным были определены критические величины скоростей охлаждения для сталей близкого химического состава, относящихся к категории прочности К60 – К65, при которых в металле ЗТВ сварных соединений достигаются указанные значения твердости и количество мартенсита (рисунок 2).

а

б

Рисунок 2 - Изменение критической скорости охлаждения, обеспечивающей в ЗТВ сварного соединения в зависимости Сэкв: а - формирование не более50% мартенсита, б – твердость не более 350 HV

 

Как видно из представленных графиков, обеспечение в ОШУ ЗТВ структуры с содержанием мартенсита не более 50% может быть достигнуто, например, на сталях со значением Сэкв 0,4% на режимах, обеспечивающих скорость охлаждения не более 60-70 0С/с. Увеличение Сэкв до 0,5% сокращает диапазон критических скоростей охлаждения до 30 0С/с. Если в процессе  принятого способа сварки это значение скорости охлаждения может быть обеспечено, то допустимое значение углеродного эквивалента стали может быть увеличено. По аналогии можно определить величину критического значения Сэкв, исходя из возможности обеспечения скорости охлаждения металла ЗТВ гарантирующей получение заданной твердости.

Таким образом, разработан подход к определению величины критического значения эквивалентного углерода. Показано, что критическое значение углеродного эквивалента зависит от возможности обеспечения при принятых способах сварки диапазона рациональных скоростей охлаждения, гарантирующих требуемый комплекс механических характеристик и отсутствие холодных трещин. Если в процессе сварки эти требования по скорости охлаждения могут быть выполнены, то величина критического значения Сэкв может быть увеличена свыше принятого в настоящее время для традиционных трубных сталей.

Согласно ТУ Газпром «Технические требования к сварным швам кольцевых сварных соединений» для кольцевых соединений труб, изготовленных из стали Х80, значения ударной вязкости на образцах типа Шарпи должны быть не ниже 50 Дж/см2 при температуре испытаний - 400С, а твердость металла ЗТВ сварного соединения, изготовленного из сталей Х80 и Х100, не должна превышать значений 275-325 HV и 350 HV соответственно.

На рисунке 3 представлены структурные диаграммы ОШУ ЗТВ сталей Х80 и Х100, на которые нанесены кривые изменения ударной вязкости и твердости этого участка сварного соединения.

а

б

Рисунок 3 – Структурные диаграммы ОШУ ЗТВ сталей Х80 (а), Х100 (б)

 

Анализ представленных данных показывает, что  если в качестве критерия оптимизации структуры ОШУ ЗТВ сварного соединения стали Х80 принимать значения ударной вязкости, то оптимальные скорости охлаждения при сварке должны изменяться в диапазоне от 10 0С/с до 60 0С/с. В тоже время с позиции обеспечения требуемого уровня твердости в ОШУ ЗТВ при сварке стали Х80 указанные значения скоростей охлаждения должны изменяться от 100С/с до 50 0С/с.  Допускаемое для стали Х100, значение твердости ОШУ ЗТВ равное 300 HV достигается при скорости охлаждения не более 25 0С/с. Следует отметить, что для обеих исследованных сталей указанные диапазоны скоростей охлаждения соответствуют формированию преимущественно бейнитной структуры.

Таким образом, на основе изучения процессов структурообразования, протекающих в ОШУ ЗТВ сварных соединений, показано, что оптимальной микроструктурой металла, с позиции обеспечения комплекса механических характеристик, является высокодисперсный бейнит. Для обеспечения этой структуры выбраны рациональные интервалы скоростей охлаждения. Данный вывод положен в основу выбора режимов технологии сварки кольцевых стыков труб большого диаметра из сталей Х80 и Х100.

Третья глава представленной работы посвящена изучению возможности обеспечения рациональных скоростей охлаждения при ручной дуговой и автоматической дуговой сварке в защитных газах неповоротных кольцевых стыков трубопроводов.

Расчет параметров технологии сварки применительно к указанным способам выполнен  с применением инженерно-программного комплекса «Свариваемость» (разработка МГТУ им. Баумана), в котором использовалась классическая теория распространения теплоты при сварке Н.Н. Рыкалина.

Рассматривалась схема быстродвижущегося точечного источника внутри бесконечного плоского слоя толщиной, равной толщине стенки трубы, имеющего предварительно нагретую до температуры подогрева зону.

По режимам сварочных процессов, предусмотренным нормативным документами ОАО «Газпром», определялся диапазон погонных энергий сварки,  для которого были рассчитаны термические циклы ОШУ ЗТВ корневого, заполняющих и облицовочных проходов с учетом разных температур предварительного подогрева. По ним определялись скорости охлаждения металла ОШУ ЗТВ и сопоставлялись с рациональными диапазонами w8-5,  обеспечивающими требуемую структуру и механические свойства сварных соединений, согласно исследованиям главы 2. Рекомендуемые режимы РДС и АДСЗГ представлены на рисунках 4, 5, 6 и 7.

 

Рисунок 4 – Рекомендуемые параметры ручной дуговой сварки неповоротных стыков трубопроводов, изготовленных из сталей категории прочности Х80

 

Рисунок 5 – Рекомендуемые параметры ручной дуговой сварки неповоротных стыков трубопроводов, изготовленных из сталей категории прочности  Х100

Рисунок 6 – Рекомендуемые параметры автоматической дуговой сварки в защитных газах неповоротных стыков трубопроводов, изготовленных из сталей категории прочности Х80

Рисунок 7 – Рекомендуемые параметры автоматической дуговой сварки в защитных газах неповоротных стыков трубопроводов, изготовленных из сталей категории прочности Х100

Как видно из рисунков обеспечение рациональных скоростей охлаждения при принятых способах сварки (РДС и АДСЗГ) кольцевых стыков газопроводов большого диаметра требует применения предварительного и сопутствующего подогрева. Минимально допустимые температуры подогрева и межслойные температуры при РДС и АДСЗГ кольцевых стыков трубопроводов из стали Х80, Х100, при рекомендуемых в нормативных документах режимах сварки, составили 100+50 0С.

В четвертой главе рассмотрены особенности сварки кольцевых стыков  магистральных трубопроводов в условиях Крайнего Севера, что связано с необходимостью проведения сварочных работ при отрицательных температурах окружающей среды. Исследования проводились на кольцевых стыках фрагментов труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 27,6 мм из стали класса  прочности  Х80 со значением углеродного эквивалента 0,52%, выполненных ручной дуговой сваркой электродами с основным видом покрытия и автоматической дуговой сваркой порошковой проволокой сварочными головками «Протеус» с подваркой корня шва ручной дуговой сваркой на подъем. Сварка проводилась в климатической камере при температуре окружающего воздуха -25 … - 35 0С.

Анализ записанных в ОШУ ЗТВ корневого прохода термических циклов показывает, что при близких фактических значениях температуры металла перед сваркой, в условиях аналогичных процессов, скорости охлаждения w8-5 металла участков с близкой максимальной температурой нагрева, приблизительно одинаковы, независимо от температуры окружающей среды. Это свидетельствует о том, что фактическая температура металла достаточно массивных изделий оказывает большее влияние на скорость охлаждения, чем температура окружающей среды.  Влияние температуры окружающей среды начинает проявляться в большей степени при сварке заполняющих и особенно облицовочных проходов. В частности в процессе сварки в условиях отрицательных температур скорость охлаждения металла ЗТВ облицовочных слоев приблизительно в 3-4 раза больше, чем в ЗТВ заполняющих. При этом ее абсолютные значения превышают допустимый диапазон, и следует ожидать формирования мартенситной фазы.

Особенность формирования структуры, а, следовательно, и свойств сварных соединений при многослойной сварке заключается в том, что металл предыдущих проходов претерпевает многократное тепловое воздействие от наложения последующих валиков - подвергается термоциклированию. При выполнении сварки в условиях отрицательных температур эффект термоциклирования снижается (рисунок 8).

 

а

б

 

Рисунок 8 – Термические циклы корневого прохода при многопроходной сварке в условиях: а – отрицательных, б – положительных температур окружающей среды.

 

Например, для участка ЗТВ с максимальной температурой нагрева порядка 1300 0С при сварке в условиях отрицательных температур окружающей среды максимальная температура следующего цикла не превышает 630 0С, в то время как при положительных температурах и, прочих равных условиях, металл этого участка претерпевает дополнительное воздействие двух циклов с максимальными температурами выше температуры нормализации и неполной перекристаллизации.

На рисунке 9 представлены фотографии микроструктур сварных соединений, выполненных по рассматриваемым вариантам сварки.

Как видно из представленных данных структура корневого, заполняющего и облицовочного швов преимущественно бейнитная с выделением полигонального феррита в количестве до 30%. Твердость металла изменяется от 230 до 260 HV.

         Структура металла линии сплавления, а также участков ЗТВ, расположенных на расстоянии 0,5 мм от нее для корневого и заполняющих проходов, высокодисперсная, бейнитная. Твердость металла изменяется составляет  210 - 260 HV.

По линии сплавления и в ОШУ ЗТВ облицовочных проходов (на расстоянии 0,5 мм от линии сплавления включительно) формируется структура с содержанием мартенситной фазы в количестве 50-65 %.

 

 

корневого прохода (РДС):

заполняющих проходов (АДСЗГ):

облицовочного прохода (АДСЗГ):

центр шва

2,1-8%20х500_1726%20копи

4-4 х500_1623 копи

2-1 х500_1340 копи

линия сплавления

4-9 х500_1617 копи

4-5 х500_1609 копи

2-2 х500_1342 копи

0,5 мм от линии сплавления

4-10 х500_1619 копи

4-6 х500_1611 копи

2-3 х500_1344 копи

Рисунок 9 Микроструктура различных участков кольцевого сварного соединения

 

Следует отметить, что, несмотря на формирование мартенситной фазы, твердость металла в ОШУ ЗТВ не превышает 290-300 HV, что объясняется, как было показано ранее, формированием малоуглеродистого мартенсита. При этом как в металле сварных швов, так и в ЗТВ холодные трещины отсутствуют. Результаты механических испытаний сварных соединений показывают, что в рассматриваемых вариантах сварки обеспечиваются значения σв = 680-690 МПа, угол загиба 180 градусов, KCV-40 металла корневого шва 70-90 Дж/см2, облицовочного – 50-55 Дж/см2, по линии сплавления корневого шва 210-240 Дж/см2, облицовочного – 160-175 Дж/см2.

Таким образом, на основании выполненных исследований можно констатировать, что если в процессе сварки кольцевых стыков труб из высокопрочной стали Х80 даже с высоким значением углеродного эквивалента 0,52% обеспечивается допустимый интервал скоростей охлаждения, то следует ожидать формирования сварного соединения с заданными свойствами и отсутствием холодных трещин.

Результаты выполненных исследований были реализованы при разработке рекомендаций по РДС и АДСЗГ кольцевых стыков трубопроводов из сталей класса прочности Х80, Х100, представленных в пятой главе диссертации.

 

Основные выводы и результаты работы.

1. Показано, что основным отличием трубных сталей категории прочности Х80, Х100 от традиционных кремене-марганцовистых трубных сталей является пониженное содержание углерода и микролегирование сильными карбидообразующими элементами Nb, V, Ti, обеспечивающими в сочетании с термомеханической обработкой  формирование ферритно-бейнитной и бейнитно-мартенситной структур, соответственно, высокие прочностные характеристики и сопротивление хрупкому разрушению.

2. На основании изучения кинетики превращения аустенита в ОШУ ЗТВ сварных соединений высокопрочных трубных сталей Х80, Х100 показано, что его распад протекает преимущественно в бейнитной области, в отличие от традиционно применяемых трубных сталей с ферритно-перлитной структурой, в которых при распаде аустенита формируется обширная ферритная и перлитная области.

В высокопрочных сталях область выделения бейнитной фазы соответствует диапазону скоростей охлаждения от 2,5 0С/с до 120 0С/с для стали категории прочности Х80, а появление мартенсита характеризуется скоростями охлаждения свыше 80 0С/с. Для сталей категории прочности Х100 формирование мартенситной фазы начинается при скорости свыше 10 0С/с и достигает максимума при скорости 90 0С/с. В отличие от высокопрочных сталей в традиционных ферритно-перлитных сталях область бейнитного превращения соответствует узкому диапазону скоростей охлаждения от 8 0С/с до 20 0С/с. Мартенсит в структуре ОШУ ЗТВ таких сталей формируется значительно раньше и при w8-5=40 0С/с его содержание соответствует критическому (50 %).

3. На основании изучения морфологии мартенсита  ОШУ ЗТВ высокопрочных и традиционных трубных сталей  методом рентгенографического анализа показано, что мартенсит малоуглеродистых высокопрочных сталей характеризуется более низким содержанием углерода, меньшей величиной микродеформаци кристаллической решетки и относительно низкой плотностью дислокаций. В частности установлено, что концентрация углерода в мартенситной фазе трубной стали 17ГС почти в 4 раза превышает аналогичный показатель мартенсита  стали Х80, микродеформация мартенсита стали 17ГС в 1,3 раза больше, чем у мартенсита стали Х80, плотность  дислокаций составляет 6,0±0,2*10-11 см-2 и 4,5±0,2*10-11 см-2 соответственно. Это свидетельствует о его меньшей склонности к образованию холодных трещин при сварке.

4. На основе изучения процессов структурообразования, протекающих в ОШУ ЗТВ сварных соединений, показано, что оптимальной микроструктурой металла, с позиции обеспечения комплекса механических характеристик, является высокодисперсный бейнит. Для обеспечения этой структуры выбраны рациональные интервалы скоростей охлаждения, составляющие для стали категории прочности Х80 10-50 0С/с, для стали категории прочности Х100 - 10-25 0С/с, которые  рекомендуется  обеспечивать при их сварке.

5. Разработан подход к определению величины критического значения эквивалентного углерода. Показано, что критическое значение углеродного эквивалента зависит от возможности обеспечения при принятых способах сварки диапазона рациональных скоростей охлаждения, гарантирующих требуемый комплекс механических характеристик и отсутствие холодных трещин. Если в процессе сварки эти требования по скорости охлаждения могут быть выполнены, то величина критического значения Сэкв может быть увеличена свыше принятого в настоящее время для традиционных трубных сталей.

6. Показано, что при принятых способах сварки (РДС и АДСЗГ) кольцевых стыков газопроводов большого диаметра обеспечение рационального диапазона скоростей охлаждения в ОШУ ЗТВ сварного соединения требует применения предварительного и сопутствующего подогрева, минимальная температура которого составляет 100+50 0С.

7. На основании анализа параметров термических циклов корневых проходов, выполненных как в условиях отрицательных, так и положительных температур окружающей среды установлено, что фактическая температура металла, достаточно массивных изделий оказывает большее влияние на скорость охлаждения, чем температура окружающей среды. При этом влияние температуры окружающей среды в большей степени сказывается при выполнении облицовочных проходов. При сварке в условиях отрицательных температур заметно снижается эффект термоциклирования от наложения предыдущих проходов.

8. На основании исследования микроструктуры показано, что в металле шва и ЗТВ сварных соединений, выполненных РДС и АДСЗГ в условиях отрицательных температур, в диапазоне скоростей охлаждения от 20 - 50 0С\с формируется ферритно-бейнитная или ферритно-бейнитно-мартенситная структуры, а с повышение скорости охлаждения до 80 0С/с содержание мартенситной фазы в ОШУ ЗТВ увеличивается до 50-65%. При этом формируется малоуглеродистый мартенсит, имеющий невысокую твердость и достаточную пластичность, что обеспечивает стойкость сварных соединений к образованию холодных трещин, а полученный комплекс механических свойств ЗТВ сварных соединений удовлетворяет требованиям, регламентируемым нормативными документами.

9. Разработаны рекомендации по технологии ручной дуговой и автоматической дуговой сварки в защитных газах кольцевых стыков газопроводов, изготовленных их высокопрочных трубных сталей. Результат разработки положен в основу Р Газпром «Рекомендации по сварке трубопроводов из сталей класса прочности Х80, Х100», используемых при строительстве газопровода «Бованенково – Ухта».

 

Список работ опубликованных по теме диссертации.

 

1.     Свариваемость высокопрочных трубных сталей для газопроводных труб большого диаметра / В.И. Столяров, Л.А. Ефименко, О.Ю. Елагина, Е.М. Вышемирский и др. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2008, №3, с. 39-47.

2.     Расчет параметров режима сварки кольцевых стыков газопроводов из высокопрочной стали Х80 / Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. – 2008, №11, с. 47-48.

3.     Исследование свариваемости высокопрочных трубных сталей категории прочности Х80 / Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М. // Сварочное производство. – 2009, № 2(891), с. 3-7.

4.     Особенности структурообразования в сварных соединениях труб из высокопрочной стали Х80, выполненных автоматической дуговой сваркой в условиях отрицательных температур / Ефименко Л.А., Елагина О.Ю., Вышемирский Е.М., Капустин О.Е. // Наука и техника в газовой промышленности. – 2009, № 1(37), с.80-84.

5.     Технические требования к сварным соединениям при строительстве газопроводов высокого давления из высокопрочных сталей / Вышемирский Е.М., Беспалов В.И., Будревич Д.Г. // Наука и техника в газовой промышленности. – 2009, № 1(37), с.68-74.

6.     Определение остаточных сварочных напряжений в кольцевых швах толстостенных труб категории прочности К65 (Х80) / Стеклов О.И., Антонов А.А., Вышемирский Е.М. и др. // Наука и техника в газовой промышленности. – 2009, № 1(37), с.84-88.