Надежность и долговечность трубопроводного транспорта требует дальнейшего совершенствования технологий производства

 

Виктор ПАНТЕЛЕЕНКО, заместитель председателя Государственного комитета
промышленной политики Украины,

Николай ОВЧИННИКОВ, директор ДОННИИЧермет,

Станислав СЕМЕНОВ, заведующий лабораторией ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины

 

Стальные трубы большого диаметра, предназначенные для сооружения магистральных
газо- и нефтепроводов, по праву можно отнести к уникальной высокотехнологичной и наукоемкой продукции. Несмотря на кажущуюся простоту исполнения, создание производства высококачественных труб данного назначения под силу только промышленно развитым странам. И это неудивительно. Приходится решать весьма сложные и не только технические задачи, причем достаточно противоречивые.

Потребность в трубах и, разумеется, в стали для их производства даже для строительства одного магистрального трубопровода может исчисляться сотнями тысяч тонн. Поэтому
необходима "дешевая" и наименее металлоемкая продукция высокопроизводительного
массового производства. С другой стороны, требуется обеспечить гарантированную надежную (в условиях длительной эксплуатации при высоком уровне напряжений) работоспособность каждой трубы на всем протяжении магистрали.

В отличие от других металлоконструкций, в магистральном газопроводе трубный металл
должен противостоять протяженному, так называемому, лавинному разрушению, развивающемуся при высвобождении запасенной упругой энергии системы: напряженная труба — сжатый продукт. Металл даже в пределах одного и того же трубопровода может испытывать заметно различающиеся внешние воздействия и нагрузки, иногда трудно контролируемые, что вносит некоторую неопределенность в работу трубопровода.

Магистральные трубопроводы отличаются от других конструкций повышенной вероятностью случайных повреждений. Велика опасность коррозионных разрушений.

Трубный металл — важнейшее звено трубопроводной системы. Очевидно, что металл
должен быть экономичным и доступным для широкомасштабного производства, прочным,
пластичным, высоковязким и холодостойким, технологичным в разных условиях производства работ, а значит и хорошо свариваемым, бездефектным, стабильного качества.

Украина располагает собственным производством высококачественной трубной стали
и труб диаметром до 1420 мм. Однако на рынке металлов тесно…

Современная трубная сталь являет собой яркий пример практического воплощения многих
научных концепций в области материаловедения и созданных на их основе металлургических технологий. С точки зрения комплексности решаемых задач особо выделим два момента, имеющих фундаментальное значение – чистоту стали и ее мелкозернистость, поскольку именно эти качества являются основополагающими атрибутами современного трубного металла.

Рафинирование, т.е. очищение от вредных примесей, таких как сера, фосфор и др., а также
измельчение зерна обеспечивают значительное повышение важнейших служебных свойств металла.

Хорошо известные эффекты рафинирования, такие, как повышение пластичности и вязкости
разрушения, в частности энергии, расходуемой на зарождение и распространение вязкой трещины, улучшение указанных свойств при различных состояниях металла (литое, катаное, термически либо термомеханически обработанное), повышение ресурса работоспособности в зонах технологических воздействий и образования дефектов, уменьшение опасности деформационного старения, уменьшение степени развития структурной неоднородности металла и др.

Особо выделяется податливость к упрочнению, а также улучшение свариваемости, в связи с чем применение чистой стали рассматривается как неотъемлемая составляющая современной сварочной технологии при производстве ответственных сварных конструкций.

Отмеченные достоинства в должной мере характерны и для сталей с мелкозернистой
структурой. Наряду с этим, измельчение зерна повышает прочностные характеристики и
холодостойкость стали. Сочетание чистоты и мелкозернистости структуры, как, впрочем, и ряда других достоинств стали, особенно эффективно, что предполагает комплексный подход к металлургической технологии производства трубного металла [1] .

В результате многочисленных исследований и практики промышленного производства трубных сталей выработаны приемлемые требования к базовому химическому составу, типам микролегирования, допустимому содержанию вредных примесей и способам их нейтрализации. Разработаны комплексные технологии металлургического производства
трубных сталей с использованием способов внедоменной и внепечной обработки расплава,
непрерывной разливки, контролируемой прокатки и пр., что позволило производить газо- и
нефтепроводные трубы, отвечающие весьма жестким требованиям потребителей.

С некоторой долей условности современный трубный металл отечественного производства можно разграничить на две группы:

первая — сталь типа 13ГСУ, 13Г1СУ,13Г1СБУ категорий прочности К52-К58;

вторая — сталь типа 09-10Г2ФБ более высокого уровня прочности (К56- К60).

Сталь обеих групп изготавливается с обеспечением низкого содержания серы — не более
0,008% (концентрация фосфора до 0,025%). В процессе производства стали низкосернистый расплав обрабатывается кальцием. Листы требуемых размеров получают путем контролируемой прокатки слябов, разлитых на МНЛЗ. Все готовые листы проходят УЗ-контроль на сплошность металла.

Трубы из указанных сталей характеризуются повышенным уровнем вязкости и холодостойкости металла. Гарантированные значения ударной вязкости, соответствующие
требованиям СниП (санитарные нормы и правила) 2.05.06-85, для ряда типоразмеров труб обеспечиваются при температурах минус 150С (образцы типа Шарпи) и минус 600С (образцы типа Менаже). При температуре минус 150С в основном металле гарантируется также нужная потребителю труб вязкость излома, оцениваемая на образцах типа ДWТТ.

Следует заметить, что в отдельных случаях проектировщики и потребители проявляют
интерес к трубам и из других типов стали, например, 13ГС, 17Г1СУ или 12Г2С, при изготовлении которых не всегда применяются способы глубокого рафинирования металла. По сопротивлению вязкому и хрупкому разрушению указанные материалы уступают трубным сталям типа 13ГСУ-13Г1СУ и 09-10Г2ФБ.

В связи с освоением процесса контролируемой прокатки в последние годы сравнительно мало уделяли внимание использованию рафинированных трубных сталей “рядового” уровня прочности, при изготовлении которых применяют термическую нормализацию либо нормализующую прокатку. Между тем, для многих регионов с умеренными климатическими условиями (в том числе Украина) трубы из нормализованной стали могут оказаться достаточно перспективными.

Освоенные промышленностью в течение последней четверти века новые технические
решения позволили ощутимо повысить качественные характеристики трубного металла. Если в начале 70-х годов средний уровень ударной вязкости металла труб (КСU -40) составлял 50-60 Дж/см2, а максимальные ее значения преимущественно ограничивались ~ 100Дж/см2, то в данное время уровень ударной вязкости ~100 Дж/см2, причем определяемой при температуре минус 600С, зачастую характеризует ее минимальные значения. В ряде
случаев ударная вязкость основного металла при принятых температурах испытаний даже по средним значениям превышает уровень 200 Дж/см2, а по максимальным — 300 Дж/см2 (табл. 1).

Достаточно высокий комплекс механических свойств достигнут на трубном металле кремнемарганцевой базовой системы легирования. В качестве примеров в таблице 2
приведены результаты испытаний металла контрольных труб из сталей типа 13Г1СУ и 17Г1СУ. При близком базовом легировании вязкостные характеристики у современного трубного металла значительно выше, по сравнению с ранее изготавливавшейся сталью 17Г1С.

Нужно заметить, что пороговые уровни вязкости трубного металла, оговоренные в
современной нормативной документации, в том числе СНиП 2.05.06-85, ниже достигаемого в реальных трубах. В этой связи в [ 1] подчеркивается особое значение повышенных вязкостных свойств рафинированных мелкозернистых сталей для обеспечения надежной работы трубопроводов. Запасы или “излишки” вязкостных (также пластических) свойств, т.е. их превышение над пороговыми значениями, рассматриваются в качестве показателя, характеризующего одну из главных составляющих ресурса работоспособности, свидетельствующую в конечном итоге о длительной прочности материала трубопровода. Более пластичный и вязкий металл лучше сопротивляется образованию и развитию (подрастанию) трещины в зоне дефекта, такой металл медленнее “стареет” [1] .

Современные технологии предоставляют широкие возможности для достижения исключительно высоких вязкостных свойств трубного металла. Это позволило украинским
предприятиям производить трубы диаметром до 1420 мм для газопроводов с рабочим давлением 7,4 МПа. Использование ускоренного охлаждения в процессе контролируемой прокатки трубного металла на комбинате “Азовсталь” позволило “стабилизировать” прочностные свойства листовой стали категории К60 (10Г2ФБ) при толщине проката до 22 мм. Таким образом, в Украине имеется возможность изготавливать трубы диаметром 1420 мм для газопроводов с рабочим давлением 8,3 МПа. В опытном порядке изготавливались трубы диаметром 1420 мм для газопроводов с рабочим давлением 9,8 МПа.

Сравнение статистических данных о химическом составе и свойствах металла штрипсов
стали отечественного и зарубежного производства (табл. 1) показывает, что в стали Х70Г более высокая прочность достигается при меньшей массовой доле углерода. Сталь Х70Г превосходит отечественную сталь по содержанию серы, фосфора и азота. В отдельных плавках стали Х70Г концентрация серы не превышает 0,001%. Разумеется, что повышенному
содержанию азота в отечественной стали соответствует более высокая концентрация микролегирующих добавок — титана, ванадия, ниобия, что, в частности, приводит к ухудшению вязкостных свойств и стойкости против холодного растрескивания металла сварных швов.

Обращают на себя внимание более высокие уровни ударной вязкости листовой стали Х70Г, что является закономерным следствием технологического обеспечения высокой степени
чистоты металла, а также, по-видимому, более эффективного использования возможностей
процесса контролируемой прокатки.

Из таблицы 1 видно также, что результаты улучшения качественных характеристик трубного
металла отечественного производства далеко не исчерпаны и при соответствующем
усовершенствовании технологий свойства стали могут быть повышены и приближены к уровню свойств трубного металла лучших мировых образцов.

Математическая обработка результатов испытаний штрипсов 89 партий стали марки 10Г2ФБ
толщиной 18,7 мм, изготовленных на МК им. Ильича, показала, что для данной выборки наибольшее влияние на механические свойства оказывают сера и ниобий.

Приведенные в таблице 3 уравнения в основном адекватно описывают зависимость
механических свойств от содержания в металле серы и ниобия. При этом с повышением содержания серы уменьшаются все механические свойства.

Из рис.1 видно, что с увеличением серы от минимального (0,004%) до максимального (0,008%) выход годного по всему комплексу механических свойств снижается от 95 до 48%.

Увеличение от 0,04 до 0,06% содержания в металле ниобия повышает выход годного по всему комплексу механических свойств примерно на 30%.

Таким образом, при возможности активного регулирования химического состава, особенно
существенного уменьшения серы, имеется возможность получать штрипсы с выходом годного на уровне (95-100%) по всему комплексу нормируемых механических свойств.

Снижение содержания вредных примесей (серы, фосфора) имеет большое значение также для уменьшения степени развития структурной и химической неоднородности металла в осевой зоне штрипсов, прокатываемых из непрерывнолитых заготовок, а значит и для предупреждения образования расслоений и связанных с ними опасных дефектов сварных соединений. Эти вопросы более подробно рассматриваются в работе [ 1] . Указывается, в частности, что существенное улучшение качества листовой стали может быть обеспечено при снижении массовой доли серы до не более 0,003%, фосфора до не более 0,016% и при
соотношении Са/S более 1.

По зарубежным данным [ 2] , только за счет очень низкого содержания серы (не более 0,002%) и соотношения Са/S не менее 2 можно обеспечить глобуляризацию сульфидов и, таким образом, получать высококачественный штрипс для труб, удовлетворяющих самым высоким требованиям нефтегазовой отрасли. Снижение содержания фосфора, как показывают исследования, сокращает ширину и уменьшает развитие бейнитной структуры
металла зоны осевой сегрегационной неоднородности.

Значительное снижение опасности образования расслоений в осевой зоне штрипсов
трубной стали достигается при использовании противофлокенной обработки, которая
предусматривает замедленное охлаждение листов в интервале температур 450-1000 С.

В [ 1] акцентируется также внимание на опасность образования скоплений оксидных
включений в подкорковой зоне по малому радиусу кристаллизирующихся непрерывно литых заготовок.

Применительно к выявлению прикромочных дефектов рекомендуется специальная система
комплексного контроля штрипсов и сварных соединений труб. Однако не менее важно
технологически обеспечить промышленное производство высококачественного штрипса, что в сочетании с дополнительным контролем и отбраковкой продукции с опасными дефектами в металлургическом и трубном производствах позволяет создать повышенные гарантии
надежности выпускаемых труб.

Технология производства трубной стали должна обеспечивать, прежде всего, получение
особо чистого металла, в том числе – низкое содержание и благоприятную морфологию
образующихся неметаллических включений.
Обоснованность выбранного направления подтверждается повсеместной современной
практикой производства трубного металла, тем более, что высокая степень чистоты стали решает целый комплекс различных проблем трубного металла, таких как сопротивление разрушению, длительная прочность, надежность сварных соединений и др., не говоря уже о технологических преимуществах [ 1] .

Необходим комплексный подход к технологии производства трубной стали. Требуется повышать достигнутый уровень чистоты металла на различных стадиях металлургического
процесса, предупреждать либо смягчать неблагоприятные последствия, возникающие при
технологическом переделе, такие как развитие макроскопической и сегрегационной
неоднородности при кристаллизации отливок или литых слябов, образование вытянутых в
направлении прокатки пластичных либо хрупких неметаллических включений и др. В современном многостадийном металлургическом процессе производства высокочистой трубной стали, в котором расплав обрабатывают металлами с высокой химической активностью, важное значение имеет обеспечение надежной защиты от окисления и
поддержание высокой степени раскисленности жидкого и кристаллизующегося металла.

Динамика изменения содержания серы в металле на разных стадиях производства в
условиях МК им. Ильича (на примере стали марки 13Г1СУ) показывает следующее. Массовая доля серы в металле на повалке незначительно отличается от исходной в заливаемом в конвертер чугуне, и составляет в среднем 0,0065%. Это свидетельствует о
высоком содержании серы в применяемом ломе и необходимости накопления чистого лома. После раскисления и легирования стали в ковше во время выпуска массовая доля серы в металле возрастает в среднем на 0,001%, по-видимому, за счет применения ферросплавов с высоким содержанием серы. Затем при обработке расплава силикокальцием на агрегате доводки стали (АДС) из металла удаляется в среднем 0,002% серы, причем удаление серы
продолжается и во время разливки за счет всплывания сульфидов и ассимиляции их шлаком. В результате в маркировочных пробах из кристаллизатора содержание серы в металле
составляет в среднем 0,0052%. Доля плавок стали марки 13Г1СУ с массовой долей серы не более 0,005% составила 43%.

Содержание фосфора в стали 13Г1СУ составило в среднем 0,018%, при этом плавок с
фосфором не выше 0,015% было только 20%. Анализ показывает, что на повалке массовая доля фосфора в металле составляет в среднем 0,010%. Прирост фосфора 0,008% происходит за счет ввода ферросплавов (FeMn, SiMn) с высоким содержанием фосфора и за счет рефосфорации при раскислении алюминием.

В настоящее время имеются перспективы обеспечения в отечественном трубном металле
массовой доли серы не более 0,004%, фосфора не более 0,015%. Это особенно актуально в связи с освоением отечественного производства трубной стали категории Х70. Для этого потребуется разработать новые технические условия на толстолистовой прокат. Необходима также более глубокая разработка отдельных процессов сквозной технологии производства трубной стали.

 Так, для обеспечения в стали серы не более 0,004% и фосфора ниже 0,015% необходимо освоить технологию одновременной десульфурации и дефосфорации чугуна порошковыми проволоками, обеспечивающую получение в чугуне (0,001-0,003%) серы и
фосфора не более 0,025%. Организовать более тщательное скачивание шлака из чугуновозных ковшей и, в частности, построить на МК им. Ильича участок скачивания шлака из заливочных ковшей. Это обеспечит, наряду с применением низкосернистого металлолома, получение на повалке серы не более 0,005%, фосфора не более 0,004%.
Организация отсечки конвертерного шлака на выпуске специальными лепестковыми стаканами приведет к уменьшению содержания в покровном шлаке в ковше FeO и Р2 О5 и снижению расхода алюминия на раскисление, в результате чего будет предотвращена рефосфорация металла (до 0,004% фосфора) и содержание фосфора в готовом металле, с учетом вносимого ферросплавами, составит не более 0,012-0,015%.

Технологию модифицирования стали кальцием на АДС необходимо усовершенствовать в
плане снижения расхода порошковой проволоки и организации более длительного перемешивания расплава (12-15 мин.) аргоном либо специальной порошковой проволокой. Это обеспечит в металле после обработки на АДС не более 0,004% серы.

С учетом обработки кальцием на АДС к моменту кристаллизации металла в расплаве не
остается растворенного кальция: он весь находится в связанном состоянии в виде включений, поэтому для предотвращения образования пластинчатых сульфидов марганца
необходимо производить окончательное модифицирование стали кальцием в промежуточном ковше МНЛЗ. Это позволит повысить усвоение кальция, содержание его в металле и обеспечить более оптимальное отношение Са/S. Целесообразно также вводить в промежуточный ковш порошковые проволоки с дегазирующими добавками для снижения массовой доли водорода до 0,0003%.

Разливку необходимо в обязательном порядке производить и использованием неокисленных шлакообразующих смесей (FeO + МnО < 1%) в кристаллизаторе и промежуточном ковше. Разработана и опробована такая смесь на плавленой основе. Это позволит повысить коэффициент полезного использования кальция, вводимого в промежуточный ковш, обеспечить его реакцию с серой, а не с кислородом, в результате чего массовая доля серы снизится еще на 0,001-0,002%. Это позволит также предотвратить образование в расплаве кальцийалюминиевых оксидов, которые обычно накапливаются по малому радиусу
заготовки, а также пластинчатых сульфидов марганца, приводящих к образованию микротрещин в металле, и обеспечит полную глобуляризацию включений в осевой зоне заготовки.

Промышленное освоение всех этапов комплексной технологии обеспечит получение в
стали массовой доли серы не более 0,003-0,004% и фосфора не более 0,012-0,015%, снижение объемов противофлокенной обработки примерно в 2 раза, повышение выхода годного штрипса, в том числе категории Х70, до 90%. Благодаря улучшению качественного уровня и потребительских свойств металла, повышается конкурентоспособность трубной продукции отечественного производства.

Мощный потенциал украинских металлургических предприятий в прежние годы в
значительной мере обеспечивал строительство в бывшем СССР крупных систем магистрального транспорта газа и нефти. Благодаря оснащенности предприятий современными технологиями трубный металл отечественного производства в качественном отношении находится на достаточно высоком уровне. Потребители по-прежнему проявляют интерес к трубам и штрипсу украинского производства.

Тем не менее, по некоторым показателям качества отечественный трубный металл уступает
лучшим мировым образцам и требуются соответствующие меры для преодоления наметившегося отставания.

В 80-х годах закупки трубного штрипса за рубежом были связаны с ограниченными
возможностями собственного производства. В период спада производства импортировать штрипс для труб нет необходимости. Однако в ряде случаев российские потребители предпочитали трубы, изготовленные на ОАО “Харцызский трубный завод” из листовой стали германского или австрийского, а не украинского производства. В рамках межгосударственной научно-технической программы “Высоконадежный трубопроводный
транспорт” проводятся работы с целью совершенствования комплекса требований к трубам
и трубному металлу, имея в виду улучшение их эксплуатационных характеристик.

Главное направление дальнейшего совершенствования технологий в отечественном
производстве штрипсовой трубной стали — получение особо чистого металла. Достаточно
убедительные доказательства в пользу повышения степени чистоты трубной стали выявляются при сравнительном анализе данных о качестве штрипсов отечественного и зарубежного производства. Низкая загрязненность вредными примесями трубной стали имеет важное значение и для преодоления недостатка современной стали контролируемой прокатки – образования расслоений в зоне осевой сегрегационной неоднородности.

Имеющиеся технологические наработки, нацеленные на десульфурацию и дефосфорацию
чугуна и стали, обеспечение более надежной защиты металла от окисления, а также созданные материалы и многостадийная система обработки расплава, в сочетании с совершенствованием контролируемой прокатки, — все это внушает уверенность в том, что в ближайшее время можно добиться более высокого уровня качества и онкурентоспособности изготавливаемой трубной стали. Разумеется, металлургам необходима государственная и региональная поддержка. Решению этой задачи, безусловно, будет способствовать Государственная программа приоритетных направлений развития предприятий горно-металлургического комплекса Донбасса, поддержанная рядом заинтересованных ведомств.
Однако время не ждет. Нужно действовать решительно и быстро.

 

Литературные источники:

1. Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, С.Е. Семенов и др. Чистый трубный металл — достижения, перспективы, проблемы. // Проблемы спецэлектрометаллургии. – 1999. — №2, с. 9-25

2. Туркдоган Е.Т. Металлургические последствия усвоения кальция жидкой и затвердевшей сталью. Материалы международного симпозиума по обработке стали кальцием. — Глазго,
Великобритания, 30 июня 1988 г. — с.19-38.

Химический состав и механические свойства штрипсов производства Германии, Австрии,

МК “Азовсталь” и МК им.Ильича (толщина листов 18,7 мм) [ 1]

 

Примечание: 1) – средние значения; 2) – минимальные значения; 3) – максимальные значения