Помощь студентам в учебе
ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ ТРУБНОЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТИ
|
Актуальность темы. Стремительное повышение цен на энергоносители в последние годы привело к резкому росту спроса на насосно-компрессорные и нефтегазопроводные трубы повышенной коррозионной стойкости, способные работать в условиях низких климатических температур. Большой объем производства таких труб заставляет при выборе материалов ориентироваться на композиции, содержащие минимальное количество дешевых и недефицитных легирующих элементов. Кроме того, трубные стали должны обладать высокими технологическими свойствами.
Опыт эксплуатации показывает, что разрушение трубопроводов, как правило, связано не с недостаточной прочностью металла, а с его низкой вязкостью или коррозионной стойкостью.
Несмотря на многочисленные работы, касающиеся методов повышения прочностных и пластических свойств, коррозионной стойкости и хладостойкости сталей для нефтегазотрубопроводов, остается недостаточно разработанным вопрос взаимосвязи вышеперечисленных свойств. Проведение комплексного исследования позволит осуществить научно-обоснованный выбор режимов термической обработки низколегированных сталей для формирования структурного состояния, обеспечивающего повышенный комплекс свойств.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках: федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62245 (госконтракт №02.740.11.160), госзадания № 3.1330.2011 по теме «Управление процессами фазовых и структурных превращений в материалах на основе железа для обеспечения требуемого комплекса свойств.»
Целью работыявляется научно-обоснованный выбор путей повышения комплекса свойств низколегированной хромванидиевой трубной стали, предназначенной для строительства трубопроводов, работающих в водных коррозионных средах, содержащих ионы хлора, при пониженных климатических температурах.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Оценить возможность повышения комплекса механических свойств стали 13ХФА при применении закалки из межкритического интервала, позволяющей улучшить пластичность при сохранении повышенного уровня прочностных свойств.
2. Определить вклад различных элементов микроструктуры, в том числе неметаллических включений, в процессы локальной коррозии низколегированной стали для выбора путей улучшения коррозионной стойкости стали 13ХФА.
3. Изучить взаимосвязь структуры, формирующейся при обработке по широкому кругу режимов, с коррозионной стойкостью низколегированной трубной стали.
Научная новизна.
Установлены закономерности образования и распада аустенита в стали 13ХФА в широком диапазоне температур нагрева, в том числе в межкритическом интервале, и скоростей последующего охлаждения. Показано, что для сталей типа 13ХФА не применимы классические подходы к формированию оптимальных свойств ДФМС: температура нагрева под закалку, обеспечивающая образование 40-60% аустенита, охлаждение со скоростью, позволяющей получить структуру феррит+10-40% мартенсита (мартенсита и бейнита) без образования перлита, окончательный низкий отпуск. Выявлено, что аустенит, образовавшийся при температуре, отвечающей его равновесному содержанию около 40 об. %, хотя и существенно обогащен по углероду относительно среднего состава стали, обладает пониженной устойчивостью по I ступени в связи с реализацией механизма эпитаксиального роста феррита.
Установлено, что повышенный комплекс механических свойств в сталях типа 13ХФА формируется за счет образования развитой субзеренной структуры феррита с размером субзерен 0,5... 1 мкм и дисперсной ферритокарбидной смеси. Последующий высокий отпуск позволяет управлять соотношением прочностных и пластических свойств.
Изучено влияние структурно-фазового состава и наличия неметаллических включений на коррозионную стойкость хромованадиевых и хромомолибденованадиевых средне и низколегированных трубных сталей. Экспериментально показано, что стали, содержащие в своей структуре мартенсито-бейнитную смесь, обладают наихудшими показателями коррозионной стойкости. Наилучшие показатели коррозионной стойкости показывают структуры сорбита отпуска, полученные на всех исследуемых сталях. При этом химический состав карбидов не влияет на стойкость к коррозии. Определяющим становится форма и распределение карбидов в матрице.
Установлено, что на поверхности материала вокруг неметаллических включений наблюдаются области, скорость коррозионного растворения которых отличается от скорости растворения матрицы. Такие области при загрязненности неметаллическими включениями, соответствующей высококачественной стали, на первых этапах коррозии могут составлять при различном наборе структурных составляющих от 40 до 80 % всей корродирующей поверхности. Показано, что основная часть неметаллических включений в исследованной стали представляет собой двухфазные включения, состоящие из оксидной и сульфидной частей. Установлено, что первой в коррозионной среде растворяется сульфидная часть включения, тем самым инициируя образование питтинга.
Практическая значимость.
Установлены количественные закономерности образования аустенита стали 13ХФА в межкритическом интервале температур, которые позволили определить температуры нагрева в двухфазную область для получения заданного соотношения структурных составляющих двухфазных ферритно-мартенситных структур. Полученные данные по кинетическим закономерностям распада переохлажденного аустенита стали 13ХФА при охлаждении как от температур нагрева в однофазную область (Ас3 + 50 °С), так и от температур нагрева в межкритический интервал (Ас1 = 740 °С, Ас3 = 864 °С) позволяют научно-обоснованно подходить к выбору режимов термической обработки для определения конечной структуры готового продукта и его механико-коррозионных свойств.
Определено условие формирование двухфазных ферритно-мартенситных структур в стали 13ХФА при закалке из МКИ. Показано, что применение закалки из межкритического интервала позволяет варьировать количество избыточного феррита в конечной структуре, влияя на изменение соотношения прочностных и вязкостных свойств. Двукратная закалка с температуры, соответствующей нижней области межкритического интервала, позволяет повысить ударную вязкость на 11 % при снижении предела текучести на 18 % за счет формирования развитой субзеренной структуры феррита.
Определен вклад структурно-фазового состава и причины влияния неметаллических включений на изменение коррозионной стойкости экономнолегированных трубных сталей, что позволит подходить к выбору конечной структуры готового продукта с позиции улучшения его коррозионной устойчивости.
Разработан и апробирован метод определения включений, влияющих на коррозионную устойчивость материала, с помощью растровой электронной микроскопии взамен методике травления.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Влияние закалки из межкритического интервала на формирование структуры и свойств стали 13ХФА.
2. Взаимосвязь структуры, формирующейся при обработке по широкому кругу режимов, с коррозионной стойкостью низколегированной трубной стали.
3. Влияние различных элементов микроструктуры в процессы локальной коррозии низколегированной стали.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на X Международной научно-технической Уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009 г.), XVIII Международной научно-технической конференции «Трубы-2010» (Челябинск, 2010 г.), XI Международной научно-технической Уральской школе-семинаре молодых ученых-металловедов (Екатеринбург, 2010 г.), XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011 г.), XIX Международной научно-технической конференции «Трубы-2011» (Челябинск, 2011 г.), Tenth young researchers’ conference “Materials Science and Engineering” (Сербия, Белград, 2011 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 20 печатных работ, из них 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 139 страницах, включает 113 рисунков, 11 таблиц, список литературы содержит 89 наименований.
Опыт эксплуатации показывает, что разрушение трубопроводов, как правило, связано не с недостаточной прочностью металла, а с его низкой вязкостью или коррозионной стойкостью.
Несмотря на многочисленные работы, касающиеся методов повышения прочностных и пластических свойств, коррозионной стойкости и хладостойкости сталей для нефтегазотрубопроводов, остается недостаточно разработанным вопрос взаимосвязи вышеперечисленных свойств. Проведение комплексного исследования позволит осуществить научно-обоснованный выбор режимов термической обработки низколегированных сталей для формирования структурного состояния, обеспечивающего повышенный комплекс свойств.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках: федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62245 (госконтракт №02.740.11.160), госзадания № 3.1330.2011 по теме «Управление процессами фазовых и структурных превращений в материалах на основе железа для обеспечения требуемого комплекса свойств.»
Целью работыявляется научно-обоснованный выбор путей повышения комплекса свойств низколегированной хромванидиевой трубной стали, предназначенной для строительства трубопроводов, работающих в водных коррозионных средах, содержащих ионы хлора, при пониженных климатических температурах.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Оценить возможность повышения комплекса механических свойств стали 13ХФА при применении закалки из межкритического интервала, позволяющей улучшить пластичность при сохранении повышенного уровня прочностных свойств.
2. Определить вклад различных элементов микроструктуры, в том числе неметаллических включений, в процессы локальной коррозии низколегированной стали для выбора путей улучшения коррозионной стойкости стали 13ХФА.
3. Изучить взаимосвязь структуры, формирующейся при обработке по широкому кругу режимов, с коррозионной стойкостью низколегированной трубной стали.
Научная новизна.
Установлены закономерности образования и распада аустенита в стали 13ХФА в широком диапазоне температур нагрева, в том числе в межкритическом интервале, и скоростей последующего охлаждения. Показано, что для сталей типа 13ХФА не применимы классические подходы к формированию оптимальных свойств ДФМС: температура нагрева под закалку, обеспечивающая образование 40-60% аустенита, охлаждение со скоростью, позволяющей получить структуру феррит+10-40% мартенсита (мартенсита и бейнита) без образования перлита, окончательный низкий отпуск. Выявлено, что аустенит, образовавшийся при температуре, отвечающей его равновесному содержанию около 40 об. %, хотя и существенно обогащен по углероду относительно среднего состава стали, обладает пониженной устойчивостью по I ступени в связи с реализацией механизма эпитаксиального роста феррита.
Установлено, что повышенный комплекс механических свойств в сталях типа 13ХФА формируется за счет образования развитой субзеренной структуры феррита с размером субзерен 0,5... 1 мкм и дисперсной ферритокарбидной смеси. Последующий высокий отпуск позволяет управлять соотношением прочностных и пластических свойств.
Изучено влияние структурно-фазового состава и наличия неметаллических включений на коррозионную стойкость хромованадиевых и хромомолибденованадиевых средне и низколегированных трубных сталей. Экспериментально показано, что стали, содержащие в своей структуре мартенсито-бейнитную смесь, обладают наихудшими показателями коррозионной стойкости. Наилучшие показатели коррозионной стойкости показывают структуры сорбита отпуска, полученные на всех исследуемых сталях. При этом химический состав карбидов не влияет на стойкость к коррозии. Определяющим становится форма и распределение карбидов в матрице.
Установлено, что на поверхности материала вокруг неметаллических включений наблюдаются области, скорость коррозионного растворения которых отличается от скорости растворения матрицы. Такие области при загрязненности неметаллическими включениями, соответствующей высококачественной стали, на первых этапах коррозии могут составлять при различном наборе структурных составляющих от 40 до 80 % всей корродирующей поверхности. Показано, что основная часть неметаллических включений в исследованной стали представляет собой двухфазные включения, состоящие из оксидной и сульфидной частей. Установлено, что первой в коррозионной среде растворяется сульфидная часть включения, тем самым инициируя образование питтинга.
Практическая значимость.
Установлены количественные закономерности образования аустенита стали 13ХФА в межкритическом интервале температур, которые позволили определить температуры нагрева в двухфазную область для получения заданного соотношения структурных составляющих двухфазных ферритно-мартенситных структур. Полученные данные по кинетическим закономерностям распада переохлажденного аустенита стали 13ХФА при охлаждении как от температур нагрева в однофазную область (Ас3 + 50 °С), так и от температур нагрева в межкритический интервал (Ас1 = 740 °С, Ас3 = 864 °С) позволяют научно-обоснованно подходить к выбору режимов термической обработки для определения конечной структуры готового продукта и его механико-коррозионных свойств.
Определено условие формирование двухфазных ферритно-мартенситных структур в стали 13ХФА при закалке из МКИ. Показано, что применение закалки из межкритического интервала позволяет варьировать количество избыточного феррита в конечной структуре, влияя на изменение соотношения прочностных и вязкостных свойств. Двукратная закалка с температуры, соответствующей нижней области межкритического интервала, позволяет повысить ударную вязкость на 11 % при снижении предела текучести на 18 % за счет формирования развитой субзеренной структуры феррита.
Определен вклад структурно-фазового состава и причины влияния неметаллических включений на изменение коррозионной стойкости экономнолегированных трубных сталей, что позволит подходить к выбору конечной структуры готового продукта с позиции улучшения его коррозионной устойчивости.
Разработан и апробирован метод определения включений, влияющих на коррозионную устойчивость материала, с помощью растровой электронной микроскопии взамен методике травления.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Влияние закалки из межкритического интервала на формирование структуры и свойств стали 13ХФА.
2. Взаимосвязь структуры, формирующейся при обработке по широкому кругу режимов, с коррозионной стойкостью низколегированной трубной стали.
3. Влияние различных элементов микроструктуры в процессы локальной коррозии низколегированной стали.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на X Международной научно-технической Уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009 г.), XVIII Международной научно-технической конференции «Трубы-2010» (Челябинск, 2010 г.), XI Международной научно-технической Уральской школе-семинаре молодых ученых-металловедов (Екатеринбург, 2010 г.), XII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2011 г.), XIX Международной научно-технической конференции «Трубы-2011» (Челябинск, 2011 г.), Tenth young researchers’ conference “Materials Science and Engineering” (Сербия, Белград, 2011 г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 20 печатных работ, из них 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 139 страницах, включает 113 рисунков, 11 таблиц, список литературы содержит 89 наименований.
Установлены количественные закономерности образования аустенита стали 13ХФА в межкритическом интервале температур, которые позволили определить температуры нагрева в двухфазную область для получения заданного соотношения структурных составляющих двухфазных ферритно¬мартенситных структур, в том числе:
1. Изучен распад переохлажденного аустенита стали 13ХФА из однофазной области и межкритического интервала температур, построены термокинетические диаграммы (температуры нагрева 930, 820 и 790 °С). Установлено, что закалка стали 13ХФА из межкритического интервала температур не приводит к повышению устойчивости переохлажденного аустенита. Наоборот, при закалке из МКИ происходит уменьшение устойчивости переохлажденного аустенита по первой ступени в следствие реализации механизма эпитаксиального роста, четкое обособление I ступени распада, исчезновение II ступени вследствие обогащения аустенита углеродом (по сравнению с аустенитом при охлаждении полностью аустенитизированной стали) и четкое выделение III. Выявлено, что феррит, полученный от температуры нагрева в МКИ (790 °С) имеет развитую субзеренную структуру с размером субзерна порядка 1 мкм. Повышение температуры нагрева в МКИ до 820 °С приводит к исчезновению субзеренного строения феррита, похожего на феррит, полученный при охлаждении из аустенитной области.
2. Определено, что формирование двухфазных ферритно-мартенситных структур в стали 13ХФА при закалке из МКИ возможно при двустороннем спреерном охлаждении труб с толщиной стенки 8 мм. В изделиях с большей толщиной стенки ферритно-мартенситную структуру получить не удается, так как происходит распад по первой ступени с образованием пластинчатого перлита, размер колоний которого не превышает 500 нм, что не позволяет их идентифицировать при исследовании в оптическом микроскопе.
3. Установлено, что применение закалки из межкритического интервала позволяет варьировать количество избыточного феррита в конечной структуре, влияя на изменение соотношения прочностных и вязкостных свойств. Таким образом, двукратная закалка с нижней области межкритического интервала температур позволяет повысить ударную вязкость на 11 % при снижении предела текучести на 18 % за счет формирования развитой субзеренной структуры феррита. Двукратная закалка с верхних значений межкритического интервала температур приводит к снижению предела текучести на 12 % при выигрыше в вязкости в 7,5 %.
4. Обнаружено, что мартенсит вне зависимости от химического состава матрицы в сталях 13ХФА, 15Х1М1Ф и 15Х5М обладает одинаково низкой коррозионной стойкостью. Отпуск мартенсита приводящий к формированию феррито-карбидной смеси с зернистой морфологией карбидов приводит к повышению коррозионной стойкости в 1,15...8 раз. Причем повышение стойкости определяется главным образом морфологией и однородностью распределения выделяющихся карбидных фаз.
5. Установлено, что на поверхности материала с любой из исследуемых структур вокруг неметаллических включений наблюдаются области, скорость коррозионного растворения которых отличается от скорости растворения матрицы. Такие области при загрязненности неметаллическими включениями, соответствующей высококачественной стали, на первых этапах коррозии могут составлять при различном наборе структурных составляющих от 40 до 80 % всей корродирующей поверхности.
6. Установлено, что включения в стали 13ХФА являются двухфазными и состоят из магнезиальной шпинели и сульфида кальция, имеющих строго определенное ориентационное соотношение: {111}Са5|| {110}, (11о)Са511 (111)л1Мо . Включения, определяемые методом РЭМ, как однофазные на поверхности материала, оказываются двухфазными. Показано, что причиной снижения коррозионной устойчивости является растворение сульфидной части включения на первых этапах коррозии, что и инициирует образование питтинга на месте неметаллического включения. Выявлено, что вероятной причиной возникновения ореола вокруг включения является локальное изменение состава коррозионной среды за счет растворения его сульфидной части, что создает вокруг включения зону менее подверженную коррозионному растворению на начальных стадиях коррозии.
1. Изучен распад переохлажденного аустенита стали 13ХФА из однофазной области и межкритического интервала температур, построены термокинетические диаграммы (температуры нагрева 930, 820 и 790 °С). Установлено, что закалка стали 13ХФА из межкритического интервала температур не приводит к повышению устойчивости переохлажденного аустенита. Наоборот, при закалке из МКИ происходит уменьшение устойчивости переохлажденного аустенита по первой ступени в следствие реализации механизма эпитаксиального роста, четкое обособление I ступени распада, исчезновение II ступени вследствие обогащения аустенита углеродом (по сравнению с аустенитом при охлаждении полностью аустенитизированной стали) и четкое выделение III. Выявлено, что феррит, полученный от температуры нагрева в МКИ (790 °С) имеет развитую субзеренную структуру с размером субзерна порядка 1 мкм. Повышение температуры нагрева в МКИ до 820 °С приводит к исчезновению субзеренного строения феррита, похожего на феррит, полученный при охлаждении из аустенитной области.
2. Определено, что формирование двухфазных ферритно-мартенситных структур в стали 13ХФА при закалке из МКИ возможно при двустороннем спреерном охлаждении труб с толщиной стенки 8 мм. В изделиях с большей толщиной стенки ферритно-мартенситную структуру получить не удается, так как происходит распад по первой ступени с образованием пластинчатого перлита, размер колоний которого не превышает 500 нм, что не позволяет их идентифицировать при исследовании в оптическом микроскопе.
3. Установлено, что применение закалки из межкритического интервала позволяет варьировать количество избыточного феррита в конечной структуре, влияя на изменение соотношения прочностных и вязкостных свойств. Таким образом, двукратная закалка с нижней области межкритического интервала температур позволяет повысить ударную вязкость на 11 % при снижении предела текучести на 18 % за счет формирования развитой субзеренной структуры феррита. Двукратная закалка с верхних значений межкритического интервала температур приводит к снижению предела текучести на 12 % при выигрыше в вязкости в 7,5 %.
4. Обнаружено, что мартенсит вне зависимости от химического состава матрицы в сталях 13ХФА, 15Х1М1Ф и 15Х5М обладает одинаково низкой коррозионной стойкостью. Отпуск мартенсита приводящий к формированию феррито-карбидной смеси с зернистой морфологией карбидов приводит к повышению коррозионной стойкости в 1,15...8 раз. Причем повышение стойкости определяется главным образом морфологией и однородностью распределения выделяющихся карбидных фаз.
5. Установлено, что на поверхности материала с любой из исследуемых структур вокруг неметаллических включений наблюдаются области, скорость коррозионного растворения которых отличается от скорости растворения матрицы. Такие области при загрязненности неметаллическими включениями, соответствующей высококачественной стали, на первых этапах коррозии могут составлять при различном наборе структурных составляющих от 40 до 80 % всей корродирующей поверхности.
6. Установлено, что включения в стали 13ХФА являются двухфазными и состоят из магнезиальной шпинели и сульфида кальция, имеющих строго определенное ориентационное соотношение: {111}Са5|| {110}, (11о)Са511 (111)л1Мо . Включения, определяемые методом РЭМ, как однофазные на поверхности материала, оказываются двухфазными. Показано, что причиной снижения коррозионной устойчивости является растворение сульфидной части включения на первых этапах коррозии, что и инициирует образование питтинга на месте неметаллического включения. Выявлено, что вероятной причиной возникновения ореола вокруг включения является локальное изменение состава коррозионной среды за счет растворения его сульфидной части, что создает вокруг включения зону менее подверженную коррозионному растворению на начальных стадиях коррозии.