Аннотация

Трубы из низкоуглеродистой стали, также известные как трубы из низкоуглеродистой стали, являются основным металлом в современной промышленности. Ее применение настолько разнообразно - от каркасов небоскребов до водопроводных линий, подающих воду в наши дома, - что это не вызывает у нас ни малейшей благодарности. Однако то, что он так распространен, не является следствием везения. Это вопрос тонкого инженерного равновесия.

Распространенность низкоуглеродистой стали связана не с тем, что это самый прочный, твердый или устойчивый к коррозии материал. Ее ценность обусловлена не большой прочностью или красотой, а сочетанием приемлемой прочности, невероятной пластичности и, самое главное, непревзойденной технологичностью. Эта технологичность характеризуется одним простым фактом: он обладает отличной свариваемостью.

Это статья о том, что должен знать каждый инженер. Мы проведем количественный анализ химического состава и механических свойств стали, взяв за точку отсчета обычный ASTM A53 Grade B. Затем мы углубимся в металлургию ее сварки и обсудим, что делает ее такой прощающей, и даже количественно оценим этот атрибут с помощью концепции углеродного эквивалента (CEq).

Свойства труб из низкоуглеродистой стали и руководство по сварке

 

Количественные свойства труб из низкоуглеродистой стали

Химический состав определяет свойства любой стали. В случае с “низкоуглеродистой” сталью под ней понимают сталь с содержанием углерода менее 0,30%. Именно этот компонент, или его отсутствие, является основным фактором, определяющим ее свойства.

Мы возьмем ASTM A53 Это одна из основных спецификаций для труб из низкоуглеродистой стали, которая подходит для общего использования в системах с низким давлением и жидкостью.

1. Химические свойства

Химический состав - это “рецепт”, определяющий конечные механические свойства и свариваемость.

Таблица 1: Химический состав, ASTM A53 Grade B (Max %)

Элемент Максимальное содержание (%) Инженерные последствия и значение
C (углерод) 0.30% Определяющий элемент. Этот низкий процент и классифицирует ее как “низкоуглеродистую”. Это обеспечивает низкую твердость и высокую пластичность (вязкость), делая трубу податливой и пластичной.
Mn (марганец) 1.20% Первичное укрепляющее средство. Марганец повышает прочность и твердость, но в меньшей степени, чем углерод. Он также выгодно сочетается с серой, образуя сульфид марганца, который предотвращает “горячую короткость” (хрупкость) при горячей прокатке, тем самым улучшая технологичность.
P (фосфор) 0.05% Примесь. Содержание фосфора должно быть строго ограничено. В высоких концентрациях он может откладываться на границах зерен стали, вызывая сильное охрупчивание, особенно при низких температурах.
S (сера) 0.045% Примесь. Сера крайне негативно влияет на свариваемость. Она может вызвать горячее растрескивание в сварном шве и зоне термического влияния. Ее низкий уровень крайне важен для получения надежных и прочных сварных швов.

2. Механические свойства

Химический состав, подвергаясь процессу производства (прокатка и сварка), приводит к окончательным механическим свойствам. Именно эти ощутимые показатели инженеры используют при проектировании и расчетах.

Таблица 2: Механические свойства, ASTM A53 Grade B

Недвижимость Минимальное значение Инженерные последствия и значение
Прочность на разрыв 60 000 фунтов на квадратный дюйм (415 МПа) Это Предельная прочность на разрыв (UTS), или максимальное напряжение, которое может выдержать материал перед разрывом. Он представляет собой абсолютную точку разрушения трубы.
Предел текучести 35 000 фунтов на квадратный дюйм (240 МПа) Наиболее важное свойство для проектирования конструкций. Предел текучести - это точка, в которой материал начинает деформироваться пластически (Постоянно). Инженеры разрабатывают системы для безопасного поддержания рабочего напряжения ниже это число, гарантируя, что труба не будет постоянно изгибаться или растягиваться.
Удлинение ~30% (в калибре 2″) Основной показатель пластичности. Удлинение 30% означает, что образец может растянуться в 1,3 раза до первоначальной длины, прежде чем сломается. Это высокое значение является критически важной характеристикой безопасности. Оно означает высокую прочность, то есть труба будет заметно деформироваться и протекать задолго до того, как разрушится - “вязкое разрушение” (безопасное), а не “хрупкое разрушение” (катастрофическое).

Металлургическое погружение в свариваемость

Самое важное функциональное качество труб из низкоуглеродистой стали заключается в том, что они очень легко свариваются. Это делает ее простой, быстрой и надежной в изготовлении - как в цеху, так и в полевых условиях. Это свойство не является случайностью.

1. Почему: Избегание мартенсита в зоне контакта

Свариваемость - это легкость сварки материала для получения прочного сварного соединения без трещин. Основная сложность при сварке стали заключается в скорости нагрева и охлаждения, особенно в области рядом со сварным швом, так называемой зоне термического влияния (HAZ).

Врагом свариваемости является микроструктура, называемая Мартенсит.

· Что такое мартенсит? Это очень твердая, прочная и чрезвычайно хрупкая структура, похожая на иглу, которая образуется в стали.

· Как она формируется? Он образуется, когда сталь с достаточное содержание углерода охлаждается очень быстро от высокой (аустенитной) температуры. Именно такое быстрое охлаждение происходит в зоне контакта после прохождения сварочной горелки.

В этом и заключается секрет успеха низкоуглеродистой стали:
Поскольку содержание углерода очень низкое (например, менее 0,30%), ”твердость” также очень низкая. Образование полностью мартенситной структуры в зоне HAZ металлургически невозможно, даже при быстром охлаждении обычного сварного шва.

Вместо того чтобы стать хрупкой, HAZ трубы из низкоуглеродистой стали остывает и кристаллизуется в мягкую, вязкую и простую структуру феррита и перлита - эти микроструктуры очень похожи на родительский металл. Таким образом, сварное соединение сохраняет свою прочность и не подвержено холодному растрескиванию, характерному для средне- и высокоуглеродистых сталей.

2. Количественная оценка свариваемости: Углеродный эквивалент (CEq)

Хотя углерод является основным упрочняющим агентом, он не единственный. Другие элементы, в частности марганец (Mn), также вносят свой вклад в закаливаемость стали и должны быть учтены.

Для количественной оценки этого суммарного эффекта инженеры используют широко распространенный инструмент под названием Углеродный эквивалент (CEq). Это формула, которая переводит потенциал закалки всех легирующих элементов в единый, “эквивалентный” процент углерода. Наиболее распространенная формула, установленная Международным институтом сварки (IIW), такова:

CEq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Ni+%Cu)/15

Эта формула является ключом к прогнозированию поведения сварки. Она обеспечивает два критических порога, которые могут быть использованы инженерами:

· CEq < 0,40% (отличная свариваемость):  К этой группе относятся практически все трубы из низкоуглеродистой стали (например, ASTM A53). Эти трубы не требуют предварительного нагрева и могут быть сварены всеми стандартными, экономичными методами сварки (SMAW, GMAW/MIG, TIG) с использованием стандартных расходных материалов.

· CEq > 0,40% (плохая свариваемость):  Это характерно для легированных и среднеуглеродистых сталей. Существует высокая опасность развития мартенсита и водородного холодного растрескивания. Для сварки таких материалов, например, требуются специальные дорогостоящие процедуры:

Предварительный нагрев: Перед сваркой соединение необходимо нагреть, чтобы замедлить скорость охлаждения и предотвратить образование мартенсита.

Электроды с низким содержанием водорода: Для предотвращения попадания водорода в сварной шов, который может вызвать растрескивание, требуются специальные сварочные стержни.

Низкий CEq труб из низкоуглеродистой стали является самым большим преимуществом производства. Он избавляет вас от необходимости выполнять эти дорогостоящие и трудоемкие специальные операции, что приводит к значительному снижению общей стоимости производства.

Применение (где встречаются свойства и свариваемость)

Уникальный баланс свойств и свариваемости делает трубы из низкоуглеродистой стали идеальным выбором для широкого спектра применений.

1. Транспортировка жидкостей (например, ASTM A53, API 5L Gr. B): Сочетание гарантированного предела текучести (чтобы сдержать давление) и хорошей свариваемости делает ее идеальной для длинных одношовных трубопроводов. Он легко поддается механической обработке, а его высокая пластичность обеспечивает безопасный режим разрушения “утечка перед разрывом”. Это делает его стандартным выбором для распределения пара, природного газа, воздуха и воды низкого давления.

2. Структурные приложения (например, ASTM A500): Свариваемость здесь имеет решающее значение. Высокое соотношение прочности и веса, а также простота резки, формовки и сварки делают его основным металлом для изготовления каркасов зданий, ферм мостов, структурных опор, поручней и оснований машин.

Заключение: Спроектированный баланс

Распространенность труб из низкоуглеродистой стали не случайна. Это не самый прочный или твердый материал. Напротив, именно в нем наилучшим образом сконструирован баланс полезных свойств (достаточная прочность и хорошая пластичность) с высочайшим уровнем технологичности (свариваемость мирового класса и низкая стоимость).

Низкое содержание углерода и связанный с этим низкий CEq являются ключевыми техническими факторами, обеспечивающими успех этой стали. Она позволяет быстро, недорого и надежно производить продукцию без металлургических рисков, связанных с более высокоуглеродистыми сталями, что делает ее настоящей основой современного машиностроения.