Структура и свойства криогенной никелевой стали для хранилищ, используемых для транспортировки и хранения сжиженного природного газа в условиях Арктики

Язык труда и переводы:
УДК:
669
Дата публикации:
28 мая 2022, 11:54
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Куприянова Ольга Александровна
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Полецков Павел Петрович
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Аннотация:
Разработаны химический состав и опытно-промышленная технология производства легированной никелем конструкционных стали повышенной хладостойкости для перспективных резервуаров и хранилищ сжиженного природного газа с рабочей температурой –196 °С. Исследована микроструктура и свойства криогенной стали после одинарной и двойной закалки. Показано, что величина ударной вязкости при криогенных температурах растет с увеличением доли аустенита в микроструктуре после двойной закалки.
Ключевые слова:
криогенная конструкционная сталь, химический состав, термическая обработка, микроструктура, механические свойства, Арктика
Основной текст труда

Одной из стратегических задач развития современной промышленности в России является развитие производства и увеличение доли экспорта сжиженного природного газа в арктических регионах Российской Федерации. Все это предопределяет создание и развитие технологий обработки новых материалов со сложным комплексом свойств, работающие при предельно низких критических температурах. Однако оптимальные свойства и структура могут быть получены только при правильно подобранной термической обработке [1–4], что определило цель настоящей работы.

В качестве материала для исследования была выбрана конструкционная криогенная сталь марки 0Н9А (9 %Ni) [5–7], широко применяемая при создании резервуаров, используемые для хранения сжиженного природного газа. Выплавку слитков, горячую прокатку и термообработку проводили с использованием лабораторного оборудования комплекса ООО «ИЦ Термодеформ–МГТУ».

Термическую обработку проводили по различным режимам:

  1. Однократная закалка с 830 °С из однофазной аустенитной области с охлаждением в воде, последующего высокого отпуска при температурах 500 °С, 550 °С, 600 °С.
  2. Двойная закалка – первая из однофазной аустенитной области при температуре нагрева 830° С, вторая из межкритического интервала (Ас1–Ас3) при температуре нагрева 670 °С с целью измельчения микроструктуры и стабилизации остаточного аустенита, далее высокий отпуск при температурах 500 °С, 550 °С, 600 °С.

Комплекс металлографических исследований проводился в ЦКП НИИ «Наносталей». Дифференциально-сканирующая калориметрия проводились на приборе синхронного термического анализа STA (Iupiter 449 F3) фирмы «NETZSCH». Количество остаточного аустенита определяли на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-7000.

Определены критические точки исследуемой криогенной стали, которые оказались снижены по сравнению с традиционными углеродистыми сталями и составляют: Ас1 ≈ 624 °С и Ас3 ≈ 720 °С. Установлено, что после двойной закалки происходит обогащение аустенита легирующими элементами, что вызывает дополнительное понижение точки Ас1 на 20 °С.

Выявлено, что после одинарной закалки и последующего отпуска в исследуемом диапазоне температур формируется структура, состоящая из мартенсита отпуска, аустенита остаточного, \alpha -фазы и карбидных частиц, выделяющихся преимущественно по границам зерен, что приводит к охрупчиванию стали. После двойной закалки и последующего отпуска в указанном диапазоне температур формируется дисперсная пластинчатая дуплексная структура, состоящая из \alpha -фазы, реек «нового» мартенсита, участков со структурой отпущенного мартенсита и остаточного стабильного аустенита с объемной долей около 4 %, что позволяет обеспечить сопротивление разрушению при криогенных температурах по вязкому механизму.

Использование полученных результатов новых научных данных позволит создавать и совершенствовать технологические режимы термической обработки сплавов указанного состава.

Литература
  1. Йех Я. Термическая обработка стали. Справочник. Москва, Металлургия, 1979, 264 с.
  2. Матросов М.Ю., Зикеев В.Н., Мартынов П.Г. и др. Разработка перспективных образцов криогенных сталей для газовозов и стационарных танков-хранилищ сжиженного природного газа, предназначенных для использования в условиях Арктики. Арктика: экология и экономика, 2016, № 4 (24), c. 80–89.
  3. Денисов С.В, Брайчев Е.В., Стеканов П.А. и др. Разработка режимов термической обработки толстолистового проката из криогенной низкоуглеродистой никелевой стали. Заготовительные производства в машиностроении, 2019, т. 17, № 6, с. 271–278.
  4. Zhang J.M., Li H., Yang F. et al. Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties and Microstructure of a 9% Ni Steel for Large LNG Storage Tanks. Journal of Materials. Engineering and Performance, 2013, vol. 22 (12), pp. 3867–3871.
  5. Poletskov P.P., Nikitenko O.A., Chukin D.M. et al. On Microstructure Formation Features of 9 % Nickel Cold-Resistant Steel and its Properties Brought about by Different Heating Treatment Procedures. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2018, vol. 53, no. 5, pp. 967–976.
  6. Poletskov P.P., Gushchina M., Polyakova M. Development of alloyed pipe steel composition for oil and gas production in the Arctic region. Resources, 2019, vol. 8, no. 2, pp. 67. https://doi.org/10.3390/resources8020067
  7. Zhang J.M. Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties and Microstructure of a 9 % Ni Steel for Large LNG Storage Tanks. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, vol. 22 (12), pp. 3867–3871.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.