1.3.2 Стали с твёрдорастворным упрочнением.

Несмотря на относительную простоту легирования трубных феррито-перлитных сталей, они характеризуются довольно сложными взаимозависимостями различных структурных факторов. К примеру, легирование марганцем оказывает воздействие на содержание феррита и перлита, температуру превращения, размер зерна при нагреве и охлаждении, требуемую скорость охлаждения и, следовательно, на комплекс свойств.

Сталь 19Г была предназначена для изготовления труб методом холодного экспандтрования, а сталь 14 ХГС – для труб, подвергаемых горячей правке.

Количество необходимого алюминия в стали зависит от содержания в ней кислорода и азота.

Опыт изготовления и эксплуатации труб из стали 19Г показал, что эта сталь не отвечает требованием, предъявленным к металлу для газопроводных труб и связи с ее относительно низкой прочностью, чувствительностью к концентраторам напряжений и низким сопротивлением разрушению. В связи с этим были предприняты работы по совершенствованию марочного состава и технологии производства стали для газонефтепроводных труб диаметром 530-1120 мм.

Для горяченаправленных труб была разработана сталь 14ХГС, обеспечивающая в готовых трубах поле горячей правки, которая равноценна нормализации, следующий уровень свойств (средние значения σ_т = 373 H/мм², δ = 534 H/мм², σ₅ = 29,7 %, KCU _{_40} = 59 Дж/см². Испытания показали, что холодное деформирование нормализованной стали 14ХГС (до 5 %) оказывает сравнительно небольшое влияние на ударную вязкость, которая сохранялась на уровне не выше 50 Дж/см².

Таблица 3. Влияние холодного деформирования на свойства стали 19Г.

Степень деформации, %	σв	σт	σ5	KCU -40
2	+5	+18	-14	-28
5	+7,5	+45	-32	-35
10	+15	+64	-55	-42
Примечание. Знак «+» - увеличение, знак «-» - снижение характеристики

Значительное повышение свойств низколегированных сталей, особенно пластичности и ударной вязкости, достигаемое за счет нормализации, привело к заметному повышению доли листовой стали, поставляемой в нормализованном состоянии.

Особенно важным фактором, способствующим повышением комплекса свойств трубных сталей 19Г является введение операции нормализации листового проката, благоприятно влияющей на структуру в направлении измельчения зерна и предупреждения образования продуктов.

Для менее ответственных труб диаметром 530 – 820 мм разработана сталь 17ГС с несколько меньшим содержания марганца, используемая в горячекатаном состоянии. Исследования показали, что понижение температуры конца прокатки положительно влияет на ударную вязкость горячекатаных листов из стали 17ГС. Максимальные значения этой характеристики при -40 °С и наибольшее количество волокнистой составляющей в изломе образцов отмечено после прокатки с окончанием деформации при температуре 850 °С. С понижением температуры конца прокатки предел текучести и величина относительного удлинения повышаются.

Практика массового изготовления газопроводных труб из стали 17ГС подтвердило, что эта сталь технологична и относится к классу хорошо свариваемых. Для прогнозирования среднеплавочной величины временного сопротивления (Н/мм²) можно пользоваться следующим уравнением:

σ_в = (6,75 % C + 9,25 % Mn + 4,48 % Si + 30,71) • 9,8

При величине С + 0,25 % Mn ≥ 0,44 % на стали типа 17ГС в нормализованном состоянии обеспечивается временное сопротивление не менее 510 Н/мм² и предел текучести 360 Н/мм². С этой целью наиболее рационально увеличить содержание марганца до 1,15 – 1,55 %. Сталь скорректированного состава получила наименование 14Г1С.

Средневзвешенные значения механических свойств листов из стали 17Г1С находятся на следующем уровне: σ_т = 395 Н/мм², σ_в = 553 Н/мм², δ₅ = 28,8 % и KCU_-40 = 78 Дж/см². Средневзвешенное значение отдельных элементов составляло: 0,17 % С, 1,23 % Mn, 0,48 % Si, 0,025 % S и 0,018 % Р.

Уравнение множественной регрессии, показывающие влияние химического состава на ударную вязкость (Дж/см²) листовой стали 17Г1С имеет следующий вид:

KCU_-40 = (14,37 – 11,21 С – 0,69 Mn – 2,51 Si – 78,52 S – 12,2 Р) •10,

KCU_-60 = ( 10,87 – 9,13 С + 0,65 Mn – 2,82 Si – 59,09 S – 13,08 Р) •10.

Таблица 4 . Среднее значение ударной вязкости стали 17Г1С.

Элемент	Пределы содержания элементов, %	Фактическое значение KCU-40/ KCU-60, Дж/см^2	Рассчитанное значение по уровню множественной регрессии KCU-40/ KCU-60, Дж/см^2
С	< 0,15	82,6/80,8	83,1/72,5
	0,16 – 0,18	82,0/69,6	81,2/70,0
	0,19 – 0,21	77,2/68,0	76,4/67,5
Mn	< 1,25	81,8/69,4	80,6/69,0
	1,26 – 1,39	78,9/69,1	79,1/70,7
	≥ 1,40	78,4/67,9	77,9/72,0
Si	< 0,45	82,0/71,0	81,8/71,0
	≥ 0,45	80,3/68,4	78,0/67,2
S	0,015 – 0,019	90,0/73,9	86,8/75,3
	0,020 – 0,024	84,1/72,2	82,9/72,4
	0,025 – 0,029	73,7/67,9	78,9/69,4
	0,030 – 0,034	76,2/66,1	75,0/66,4
	0,035 – 0,040	71,2/65,9	71,1/63,5
Р	< 0,017	84,1/71,1	82,0/71,3
	0,018 – 0,027	80,4/69,1	79,3/69,7
	0,028 – 0,040	77,3/67,9	76,8/67,9

Таблица 5. Содержание неметаллических включений в стали 17Г1С

S, %(по массе)	Площадь, занятая неметаллическими включениями, %			S, % (по массе)		Площадь, занятая неметаллическими включениями, %
	сульфиды	оксиды	сульфиды			оксиды
0,002	0,0073	0,036	0,015		0,0790		0,038
0,007	0,0351	0,034	0,030		0,1579		0,041

Как видно из приведенных уравнений, наиболее существенное влияние на ударную вязкость стали 17Г1С оказывает содержание серы.

Фактическая и рассчитанная по уравнению множественной регрессии средняя ударная вязкость листовой стали 17Г1С при температурах -401 и -60 °С в зависимости от содержания элементов находятся в хорошем состоянии (таб. 4).

С увеличением содержания серы в стали 17Г1С количество неметаллических включений увеличивалось, причем при содержании серы ≥ 0,030 % включения располагались скоплениями и строчками (таб. 5)

Исследования показало, что нормализованная сталь 17Г1С хорошо сопротивляется образованию трещин и надрывов при жесткой пластической деформации, обладает низким температурным порогом хладноломкости, а также достаточно однородными механическими свойствами при пластическом растяжении вдоль и поперек оси прокатки листа (таб. 6). В то же время наблюдается значительная анизотропия ударной вязкости на продольных и поперечных образцах (таб. 7).

С увеличением содержания серы резко возрастает количество сульфидных включений, а максимальный размер их практически не изменяется.

Порог хладноломкости Т₅₀ у листовой стали 17Г1С лежит в интервале (-20) ÷(-40) °С, а нижняя граница критического интервала хрупкости – (-80) ÷(-90) °С.

Не смотря на введение технологии прокатки по продольно-поперечной схеме сохраняется значительная анизотропия ударной вязкости. Ударная вязкость на образцах, вырезанных в продольном направлении к оси прокатки, примерно на 30% выше, чем на поперечных образцах.

После холодной деформации и старении ударная вязкость стали 17Г1С снижается, однако она остается все же на достаточно высоком уровне. Потери ударной вязкости в результате деформационного старения 25 – 41 %.

Таблица 6. Механические свойства стали 17Г1С при растяжении.

Плавка	Направление вырезки образцов	σт, Н/мм^2	σв, Н/мм^2	δ5, %	Ψ, %
1	Поперек	460	636	27,5	48,1
	Вдоль	436	599	27,8	58,1
2	Поперек	482	632	25,0	48,1
	Вдоль	461	630	24,7	53,9

Таблица 7. Ударная вязкость стали 17Г1С в зависимости от тепературы испытания.

Плавка	KCU (Дж/см^2) и В (%) в изломе при температуре испытания, °С													KCU после механического старения при +20 °С, Дж/см^2
	+20 -40 -60 -80
	KCU В			KCU В			KCU В			KCU В
1	82	100	63		50	44		15	38		5	56
	129		85			65			56
2	84	100	60		50	47		8	38		5	51
	137		80			74			65
Примечание. В числителе – для поперечных образцов, в знаменателе – для продольных

Ограниченная чувствительность стали к деформационному старению имеет большое практическое значение, поскольку в процесс изготовления труб металла подвергается пластической деформации, способность вызвать с течением времени старение. Обычно нормализованная стали 17Г1С характеризуется феррито-перлитной структурой; величина зерна оценивается баллов на 8 - 9.

Сопоставление средних значений механических свойств стали 19Г, 14ХГС и 17ГС в толщинах 8 – 11 мм приведено в таб. 8, из которой видно, что при понижении содержания углерода (сталь 14ХГМ, 17ГС) ударная вязкость заметно выше, чем у стали 19Г.

Результаты широкого промышленного производства стали 17Г1С показали, что изготовление ее не вызывает технологических затруднений, а свойства листовой стали и готовых из этой стали получаются достаточно стабильными. В связи с этим сталь 17Г1С является основной для изготовления труб диаметром 1020 и 1220 мм. Она обладает хорошей технологичностью в трубной переделе в результате которого в листах происходят следующие изменения механических свойств: снижение предела текучести примерно на 20 Н/мм², относительного удлинения на 2 % (абсолютных) и ударной вязкости на образцах 1 типа примерно на 10 – 15 Дж/см².

Учитывая необходимость дальнейшего повышения вязких свойств стали 17Г1С, было введено ограничение содержания в ней серы и фосфора: не более 0,020 % и 0,025 % соответственно. Такое изменение содержания примесей позволило заметно повысить ударную вязкость (стали 17Г1С-У).

Сталь 17Г1С-У в течение длительного времени является основным конструкционным материалом для изготовления труб диаметром 1020 – 1220 мм, Для труб диаметром 530 – 820 мм применяется сталь 17Г1С. Длительное ее применение связанно с тем что при минимальном легировании недефицитными элементами (Mn, Si) относительно не сложной технологии производства эта сталь позволяет получать достаточно высокий комплекс свойств в листах толщиной от 8 до 15 мм, а также в сварных трубах, эксплуатируемых в размерных климатических условиях.

Таблица 8. Среднее значение механических свойств трубных сталей.

Сталь	Толщина	Состояние поставки	σт, Н/мм^2	σв, Н/мм^2	δ5, %	KCU-40, Дж/см^2
19Г	8 - 9	Горячекатаная	359	515,5	26,4	51,5
14ХГС	11,2	Нормализованная	362	529,5	29,5	63,0
17Г1С	8 – 9	Горячекатаная	400	570	29,0	64,0^*1
17Г1С	11	Нормализованная	392,5	557	30,7	55,2^*2
^*1 Образец 5 • 10
^*2 Образец 10 • 10

Дальнейшее улучшение сопротивления разрушению стали 17Г1С-У можно достичь, применяя прогрессивную технологию внепечной обработки, сопровождаемой существенным снижением содержания серы (до ≤ 0,010 %) модифицированием сульфидных включений добавками кальция или РЗМ.

По данным работы переход на производство газопроводных труб из стали 17ГС и затем 17Г1С-У позволит значительно повысить работоспособность труб, сократить число отказов на газонефтепроводах, связанных с качеством свойствами основного металла.

Разновидностью стали 17ГС является сталь 12Г2С, разработанная для изготовления горяченаправленных газопроводных труб диаметром 530, 720 и 1020 мм (взамен стали 14ХГС, отвечая в основном требованиям заказчика, не всегда обеспечивает стабильность механических и технологических характеристик. Одно из основных свойств – свариваемость стали 14ХГС не отвечает современным требованиям, так как ее углеродный эквивалент достигает 0,54 вместо требуемого ≤ 0,46. В стали 12Г2С повышено содержание марганца и кремния по сравнению со сталью 14ХГС. Прочностные свойства стали 12Г2С зависит от величины углеродного эквивалента, которая должна быть в пределах 0,35 ± 0,43. Величина ферритного зерна стали 12Г2С соответствует баллу 9 – 11.

Нормализованная стали 12Г2С характеризуется повышенным сопротивлением разрушению при оценки по ударной вязкости и волокнистости в изломе. Комплекс вязких свойств при минусовых температурах указывает на принципиальную возможность применения стали 12Г2Сдля труб северного использования. Переходная температура разрушения Т₅₀ у стали 12Г2С лежит при температурах (-30) ÷ (-40) °С, в то время как у стали 14ХГС – при (-10) ÷ (+10) °С. Испытания образцов DWTT при -15 °С, отобранных от труб, показывает, что при -15 °С доля ввязкой составляющей в изломе находится на уровне 80 – 100 %.

Рассмотренные стали с твердорастворимым упрочнением можно отнести к первому поколению отечественных сталей для газонефтепроводных труб большого диаметра. В зарубежный стандартах и соответствует стали Х52 по APJ 5LX, содержащие углерода 0,20 %, марганца до 1,35 % с добавками ванадия (0,04 – 0,08 %) или ниобия (до 0,04%).

Накопленный опыт производства и применения сталей рассмотренного типа для газопроводных труб показал, что дальнейшее повышение их прочности свойств с одновременным улучшением сопротивления разрушению только за счет увеличения содержания углерода и элементов, образующих твердые растворы и замещения, не представляется возможным из-за резкого ухудшения вязкости, хладостойкости и свариваемости. Более высокие значения характеристик прочности и вязкости без снижения свариваемости оказалось возможным получить за сет карбидного или карбинотридного упрочнения вводом микролегирующих добавок ванадия, ниобия азота. В результате этих работ были разработаны низколегированные стали для труб большого диаметра второго поколения с временным сопротивлением, равным 540 – 600 Н/мм².