способ термической обработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали

Формула изобретения

Способ термической обработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали, включающий нормализацию соединительных элементов, закалку и отпуск с последующим охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что нормализацию и закалку соединительных элементов проводят одновременно с нагревом в аустенитную область в интервале температур Ас₃+(80-100)°С, при этом после нагрева соединительные элементы подвергают выдержке при этой температуре в течение 1 ч, а охлаждение ведут в воде с применением барботажа воды сжатым воздухом, отпуск соединительных элементов проводят в интервале температур 300±10°С с последующей выдержкой их при этой температуре в течение 1 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии термической обработки труб из низколегированной конструкционной стали, преимущественно 09Г2С, обеспечивающей повышение прочностных характеристик и ударной вязкости при отрицательных температурах, и может быть использовано при изготовлении сварных соединительных элементов и узлов магистральных и промысловых трубопроводов большого диаметра (до 1420 мм) объектов нефтяной и газовой промышленности, транспортирующих неагрессивные нефть, нефтепродукты и газ.

Известен способ термической обработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали, включающий отпуск с нагревом зоны соединительных элементов в интервале температур 635-665°С, выдержку в течение 1 часа и последующее их охлаждение на воздухе (РД 2730.940.102-92 «Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды. Сварные соединения. Общие требования», стр.43-44, таб.5 и стр.47-49, табл.7).

Данный способ обеспечивает повышение ударной вязкости соединительных элементов трубопроводов при отрицательных температурах, но не обеспечивает достижение уровня механических свойств, соответствующих классу прочности К60. Это связано с тем, что при проведении отпуска в интервале температур 635-665°С не происходит переструктуризации и образования мартенситно-бейнитной структуры, в результате чего прочностные характеристики элементов при этом режиме обеспечиваются классом прочности К48, а следовательно, снижаются эксплуатационные характеристики соединительных элементов в целом. Указанный уровень прочности сварного соединения представлен в таблице 2.

Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки сварных труб, применяемый также и для термообработки сварных соединительных элементов трубопроводов, включающий нормализацию сварного шва в интервале температур 950-1050°С, охлаждение на воздухе, закалку в межкритическом интервале 760-820°С, охлаждение в водяном спрейере, отпуск в интервале температур 500-600°С с последующим охлаждением на воздухе (A.c. SU №461955, МПК C21D 9/08, 1/78, от 20.02.73 г., опубл. 28.02.75 г.).

Одним из преимуществ данного способа является обеспечение требуемого класса прочности К60, однако не обеспечивает достижения высоких пластических характеристик (ударной вязкости при температуре минус 60°С). Получение низкого уровня пластичности связано с тем, что при нагреве под закалку в межкритический интервал температур не обеспечивается достаточного количества образующегося аустенита и измельчения зерна, что снижает эксплуатационные характеристики сварного соединения. Кроме того, при термообработке труб данным способом значительно увеличиваются энергетические затраты за счет того, что производятся два нагрева на высокие температуры (нормализацию и закалку) и затем на последующий высокотемпературный отпуск, что значительно увеличивает длительность режима термической обработки.

Задачей данного изобретения является разработка способа термической обработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали, обеспечивающего повышение эксплуатационных характеристик за счет получение механических свойств, соответствующих классу прочности К60, повышения ударной вязкости при отрицательных температурах до минус 60°С при одновременном снижении энергетических затрат за счет совмещения режимов нормализации и закалки.

Поставленная задача решается тем, что в способе термической обработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали, включающем нормализацию, закалку, отпуск с последующим охлаждением на воздухе, согласно изобретению, нормализацию соединительных элементов проводят одновременно с закалкой в аустенитную область в интервале температур Ас₃+80-100°С (940-960°С), при этом после нагрева соединительные элементы подвергают выдержке при этой температуре в течение 1 часа, а охлаждение ведут в воде с применением барботажа воды сжатым воздухом, отпуск соединительных элементов проводят в интервале температур 300±10°С с последующим выдерживанием их при этой температуре в течение 1 часа.

Одновременный нагрев зоны сварного шва соединительных элементов под нормализацию с нагревом под закалку в аустенитную область в интервале температур Ас ₃+80-100°С (940-960°С) и выдержка при этой температуре в течение 1 часа дают полную перекристаллизацию металла сварного соединения и измельчение зерна, обеспечивающих высокий уровень прочностных свойств, предъявляемых к классу прочности К60. Кроме того, значительно сокращается время термической обработки, в результате чего снижаются энергозатраты.

Охлаждение в воду с применением барботажа воды обеспечивает получение однородной структуры сварных соединительных элементов по всему объему, состоящей из мелкозернистого зерна мартенсита и бейнита, что обеспечивает повышенную пластичность при достаточно высокой прочности (К60) сварного соединения. Кроме того, барботаж воды сжатым воздухом помогает исключить образование так называемой «паровой рубашки», снижающей скорость охлаждения. Снижение скорости охлаждения приводит к сильному разупрочнению мартенсита, что не позволяет в дальнейшем обеспечить высокий уровень прочности.

При нагреве соединительных элементов в интервале температур ниже Ас₃ +80-100°С (940-960°С) происходит снижение прочностных свойств стали ниже требуемого уровня за счет получения малого количества упрочняющей фазы (мартенсита), в результате чего снижаются прочностные характеристики сварного соединения, не соответствующие классу прочности К60.

При нагреве в интервале температур выше Ас₃+80-100°С (940-960°С) происходит возрастание упрочняющей фазы (мартенсита), что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости, что также приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик соединительных элементов.

Применение низкотемпературного отпуска уменьшает хрупкость соединительных элементов и повышает их пластичность. Нагрев в интервале температур 300±10°С и выдержка в течение 1 часа при этой температуре позволяют обеспечить мелкозернистую ферритно-бейнитную структуру, разупрочнив мартенситно-бейнитную, в результате чего ферритно-бейнитная структура обеспечивает удовлетворительное соотношение уровня прочности (К60) к уровню пластичности, что позволяет получить требуемые эксплуатационные характеристики сварного соединения, соответствующие классу прочности К60.

Применение низкотемпературного отпуска ниже температуры 300±10°С не позволяет получить разупрочнение мартенситно-бейнитной структуры, что приводит к получению низкого уровня пластических характеристик.

Применение низкотемпературного отпуска выше температуры 300±10°С приводит к значительному разупрочнению мартенситно-бейнитной структуры и повышению пластичности, но при этом падает уровень прочностных свойств (класс прочности ниже К60).

Способ термообработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали включает в себя:

- нагрев в аустенитную область в интервале температур Ас₃+80-100°С (940-960)°С;

- выдержку при температуре Ас ₃+80-100°С (940-960)°С в течение 1 часа и охлаждение в воду ˜2-3 мин с применением барботажа воды сжатым воздухом;

- низкотемпературный отпуск в интервале температур 300±10°С;

- выдержка при температуре 300±10°С в течение 1 часа и охлаждение на воздухе.

Отличие предлагаемого способа термообработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали от прототипа состоит в том, что нагрев нормализации совмещен с нагревом под закалку и снижена температура отпуска.

Предлагаемый способ термообработки соединительных элементов трубопроводов был опробован в промышленных условиях на отводах крутоизогнутых штампосварных 630×25 мм, 1020×36 мм (ОКШ), тройниках штампосварных 1020×2 мм (ТШС), переходах штампосварных 1220×20- 1020×20 мм (ПШС), изготовленных из листов по ГОСТ 5520-79, сталь 09Г2С-17.

Пример термической обработки тройника штампосварного 1020×20 мм из стали 09Г2С по предлагаемому способу:

- загрузка в печь при температуре не более 300°С (печь камерная с выдвижным подом);

- нагрев до температуры Т=940-960°С;

- выдержка при этой температуре - 1,0 час;

- охлаждение в воду ˜2-3 мин. С применением барботажа воды сжатым воздухом в закалочную ванну 4,0×3,0×2,0 м³ .

- загрузка в печь при температуре не более 150°С;

- нагрев до температуры Т=300±10°С;

- выдержка при этой температуре - 1,0 час;

- охлаждение на воздухе.

Химический состав и результаты испытаний представлены в таблицах № 1 и 2.

Таблица №1 Химический состав листа 20 мм, из которого изготовлен штампосварной тройник ТШС 1020×20 мм:
С	Si	Mn	Р	S	Cr	Ni	Cu	As	N
0,10	0,61	1,47	0,011	0,007	0,04	0,02	0,03	0,001	0,010

Таблица №2 Механические свойства после различных видов термообработки
Режим	Механические свойства
	Gв, МПа	, %	Gв/Gт	KCU (-60C) Дж/см2
Отпуск согласно РД 2730.940.102-92 635-665°С (ст. 09Г2С) Основной металл	480-500	27	0,60	225, 260
Сварной шов	480-490	-	-	190, 230
Прототип (ст. 17Г2СФ) Основной металл Сварной шов	630-660	22	0,64	67, 50
	620-640	-		57, 64
По изобретению (СТ.09Г2С)	730-750	26	0,72	195, 231
Основной металл Сварной шов	700-720	-	-	215, 200
По нормативному документу для К60 по ТУ 102.488-95 Основной металл Сварной шов	588	20	Не более 0,90	30
	588	-	-	30

Расчет затрат на проведение термообработки по прототипу и предлагаемому способу

Расчет приведен для газовой термической печи с выкатным подом п.п.2,2×6,0 м², расход газа - 242 м³/час. Стоимость газа на сентябрь 2005 г. составляет 1566 руб за 1000 м³.

1. По прототипу:

Цикл термообработки:

- нормализация - нагрев + выдержка - 7,0 ч + 1,0 ч = 8 ч

- закалка - нагрев + выдержка - 5,5 ч + 1,0 ч = 6,5 ч

- отпуск - нагрев + выдержка - 4,0 ч + 2,0 ч = 6,0 ч

Общий цикл одной термообработки - 20,5 ч.

Расход газа на один цикл:

20,5×242=4961 м³

Стоимость одного цикла составляет

4961×1,566=7769,0 руб.

2. По предлагаемому способу:

Цикл термообработки:

- закалка - нагрев + выдержка - 6,0 ч + 1,0 ч = 7,0 ч

- отпуск - нагрев + выдержка - 2,0 ч + 1,0 ч = 3,0 ч

Общий цикл одной термообработки - 10,0 часов;

Расход газа на один цикл:

10,0×242= 2420 м³;

Стоимость одного цикла составляет

2420×1,566=3789,0 руб.

3. Таким образом, экономия энергозатрат при проведении термообработки по предлагаемому способу составляет

7789.0-3789,0=3980,0 руб., что составляет ˜ 50%.

Из таблиц видно, что высокие результаты (класс прочности К60 и выше), относящиеся к задаче изобретения, получены на всех изделиях. В сравнении с прототипом предлагаемый способ позволяет получить ударную вязкость при температуре минус 60°С выше в 3 раза при прочностных характеристиках К60. Указанный уровень свойств получен при применении низколегированной стали, в основном 09Г2С, и при режиме термической обработки, обеспечивающем небольшие энергозатраты.

Таким образом, использование предлагаемого способа термообработки соединительных элементов трубопроводов из низколегированной стали обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:

- повышение прочности К60 одновременно с высоким уровнем пластичности и ударной вязкости при температуре -60°С;

- получение класса прочности К60, преимущественно на экономно легированной стали 09Г2С;

- значительное снижение затрат на проведение термообработки.