Труба из стали 06ГФБА-А

Выпускаемые к началу 90-х годов прошлого столетия отечественными предприятиями нефтегазопроводные трубы не отвечали современным требованиям как по качеству основного металла (содержанию вредных примесей, загрязненности неметаллическими включениями, механическим и антикоррозионным свойствам) и по характеристикам сварного соединения (металла шва и околошовной зоны), так и по долговечности и эксплуатационной надежности.

Большой удельный вес при изготовлении труб имели стали типа 17ГС, 13ГС и их модификации, разработанные по устаревшим концепциям. Эти стали предназначались под разные классы прочности труб за счет варьирования содержанием углерода и марганца, а также термической обработки-нормализации или улучшения. Мало что давала и модификация этих сталей ниобием и ванадием, так как их базовый состав изначально не был сбалансирован с вводимыми микролегирующими добавками. Стали этого класса не способны в полной мере воспринимать технологию контролируемой прокатки при изготовлении штрипса и рулонного проката. В какой-то степени это было оправдано, так как на отечественных металлургических заводах и комбинатах прокатные станы были мало приспособлены для осуществления контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением Ситуация усугублялась невысокими требованиями к содержанию вредных примесей и зачастую отсутствием требований к количеству и размерам неметаллических включений. Как следствие такой ситуации – огромное число трубных сталей (около 30), где основным регулятором качества является категория прочности, которая, в свою очередь, регулируется содержанием углерода (элементом, крайне нежелательным для трубных сталей, когда речь идет о его количествах, превышающих 0,08 %), и марганца.

Вместе с тем хорошо известно, что регулировать уровень прочности целесообразнее за счет изменения величины зерна, что возможно при эффективном использовании термомеханической обработки микролегированных ниобием сталей. Контролируемая прокатка в этом случае позволяет не только реализовать экономичность технологического процесса за счет исключения отдельных операций термической обработки горячекатанного проката, но и регулировать на одном базовом составе прочностные характеристики в широком диапазоне, обеспечивать более высокий уровень пластичности и вязкости, лучшую свариваемость.

Для эффективного решения проблемы по созданию новых труб для трубопроводных систем, являющихся потенциально опасными объектами, необходимо было исходить из обоснования выбора таких сталей и технологий, которые обеспечивают технологическую возможность повышения надежности труб путем применения избыточности по отношению к минимально необходимому и достаточному для выполнения трубопроводом заданных функций уровню свойств, определяющих его надежность в условиях накопления повреждаемости за весь расчетный эксплуатационный ресурс. В нашем случае обеспечение избыточности касается таких параметров для трубной стали как температура хрупко-вязкого перехода, прочностные характеристики, анизотропия свойств, статическая и циклическая трещиностойкость, деформационное старение, коррозионная стойкость, полосчатость, осевая ликвация, балльность структуры, уровень содержания примесей, газов, неметаллических включений.

Для эффективного решения проблемы необходимо комплексное решение, обеспечивающее:
• высокое металлургическое качество (отсутствие трещиноподобных дефектов, низкое содержание вредных примесей и газов, мелкозернистость структуры, отсутствие ликвационных зон и т.п.);
• технологичность при строительстве трубопроводов (низкий углеродный эквивалент, жесткие требования к геометрии стыкуемых торцов труб, достаточно высокая деформационная способность);
• высокий уровень эксплуатационных свойств (хладостойкость, трещиностойкость, коррозионная стойкость).

Конкретно реализованы следующие основные направления:
1. Разработка металлургической технологии по снижению уровня содержания серы и фосфора до 0,005% каждого и ниже, азота – меньше 0,007%, меди – меньше 0,05%, мышьяка, сурьмы, олова – меньше 0,005% каждого. При этом оптимальное содержание углерода соответствует 0,04-0,06%. Для обеспечения поставленных задач была разработана технология десульфурации передельного чугуна, выплавки стали и выпуска плавки, внепечной обработки в разливочном и в промежуточном ковшах, контроль режима непрерывной разливки.
Оптимизация всего цикла производства (аглофабрика – доменная печь – конвертер) обеспечила стабильный состав стали по основным элементам и низкий уровень вредных примесей и включений. Технология выплавки новой стали существенно снизила ликвацию и неоднородность структуры литого металла.
2. Технология контролируемой прокатки позволила обеспечить в новой стали 06ГФБА-А такое сочетание прочностных и вязких характеристик, которое недостижимо в большинстве традиционно используемых трубных сталей. Высокая технологичность стали 06ГФБА-А позволила за счет регулирования технологических параметров контролируемой прокатки получить трубы различных классов прочности. Получены результаты, характерные для шести классов прочности (по API 5L): Х52, Х56, Х60, Х65, Х70, Х80 (или от К52 до К65 по отечественной классификации). При этом отношение предела текучести к временному сопротивлению разрушения не превышает 0,90, ударная вязкость превышает нормативные значения в 5-6 раз. Доля вязкой составляющей на образцах ИПГ (испытания падающим грузом) при минус 60°С составляет 80-100% (по нормативным требованиям – 50-60% при минус 20°С). Более высокая прочность не сопровождается ухудшением пластичности и вязкости: для любой полученной категории прочности, включая Х80 (К65), характерны высокие уровни пластичности и вязкости.

На всех этапах разработки новой стали 06ГФБА-А и технологии изготовления из неё труб проводился обширный комплекс испытаний для определения как механических, так и служебных характеристик. При проведении комплекса полигонных испытаний трубы выдержали без разрушения и потери герметичности, без образования усталостных трещин 3000 циклов при циклических испытаниях по режимам Pmax/Pmin = 6,37/2,45 МПа и 10,29/5,39 МПа. Последующие испытания до разрушения отциклированных труб показали ту же конструктивную прочность, что и трубы, не подвергшиеся циклированию. Все разрушения были полностью вязкими, что свидетельствует о том, что разрушения прошли после полного исчерпания запаса прочности металла. Пластичность металла превышала норму, определенную многолетней практикой для деформационной способности металла нефтепроводных труб.
Испытания труб из стали 06ГФБА-А с продольными надрезами показали высокий уровень трещиностойкости металла. Критическая длина трещины, равная 140 мм, получена при давлении 13,23 МПа, что соответствует коэффициенту интенсивности напряжений Кс = 9,36 кН/мм3/2. Это почти в два раза превышает оценочный уровень эксплуатационной надежности, установленный для нефтегазопроводных труб (Кс > 4,90 кН/мм3/2).

Аналогичные положительные результаты получены и при полигонных испытаниях спиральношовных труб. Эти трубы изготавливались из рулонного проката стали 06ГФБА-А производства Магнитогорского металлургического комбината (ММК) на Волжском трубном заводе (ВТЗ). Причем эти трубы не подвергались традиционной для ВТЗ объёмной термической обработке. Впервые в практике двух предприятий (ММК и ВТЗ) спиральношовные трубы большого диаметра (720 мм и 1020 мм) изготовлены без объёмной термической обработки из рулонов, поставленных после контролируемой прокатки и сертифицированных на заданный класс прочности.

Электросварные прямошовные трубы из стали 06ГФБА-А испытывались также на стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением и на стойкость против водородного растрескивания (типа расслоения). Испытанию подвергались образцы как из основного металла труб, так и со сварным швом. По заключению ООО «Газпром ВНИИГАЗ», проводившего эти исследования, испытанные электросварные трубы из стали 06ГФБА-А (основной металл и продольный сварной шов) характеризуются высокой стойкостью против сероводородного растрескивания типа расслоения под действием сероводородсодержащей среды. Так, стойкость против сероводородного растрескивания под напряжением при испытаниях составила: на образцах из основного металла более 0,8 до 1,0 предела текучести, равного 412 Н/мм2, на образцах со сварным швом – 0,7 и более.

Стойкость против водородного растрескивания на образцах основного металла и на образцах со сварным швом, характеризуемая показателем длины трещин и показателем толщины трещин, установлена одинаково высокая, то есть трещины не были обнаружены ни на одном образце основного металла и ни на одном образце со сварным швом.