Контроль качества стальных труб. Химический состав

Сталь является основным конструкционным металлом. Из нее возводят мосты и телебашни, строят трубопроводы и опоры, изготавливают вагоны и корабли, арматуру и крепежные элементы (рис.1). Она обладает прочностью и долговечностью, которые обеспечивают надёжность в течение длительного времени. Из других конструкционных металлов для газовых сетей используются чугун, а также медные и алюминиевые сплавы. Они применяются для корпусов и узлов трубопроводной арматуры. Но металлические трубы — это прежде всего сталь.

Рис. 1 Стальной металлопрокат

Качество стальных труб – важнейший показатель, характеризующий надежность газопроводов. При этом контролируются химический состав и механические свойства металла, из которого изготовлена труба, а также проводятся технологические испытания самих труб после изготовления.

Химический состав

Сталь представляет собой сплав железа и углерода, причем последнего должно быть не более 2,14%. Для газопроводов применяют хорошо свариваемые стали, в которых углерода намного меньше — не более 0,25%. Увеличение содержания углерода приводит к увеличению прочности и уменьшению пластичности и свариваемости. Также для стали газопроводов нормируется содержание серы — не более 0,056% и фосфора — не более 0,046%. Это вредные примеси, удаление которых дополнительно удорожает и усложняет производство. Кстати, именно содержание фосфора и серы определяет качество стали (таблица 1).

Таблица 1

При одинаковом содержании углерода более качественные стали имеют лучшие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах.

Чаще всего для газопроводов используют сталь по ГОСТ 380-2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки». Из нее изготавливают горячекатаной и холоднокатаный прокат, а также слитки, слябы, заготовки труб, поковок и штамповок, ленты, проволоку, метизы и др. Это самая дешевая и массовая конструкционная сталь. Металлопрокат для труб газопроводов также изготавливается по ГОСТ 1050—2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных и специальных сталей. Общие технические условия». Для корпусов трубопроводной арматуры используют низколегированные стали по ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия».

Раскисление

Кислород, содержащийся в стали, является вредной примесью. Он снижает механические свойства металла: вязкость и пластичность. При раскислении растворенный кислород удаляют из расплава, вводя различные добавки, которые в сравнении с железом лучше взаимодействуют с кислородом. Для этого применяют кальций, алюминий, кремний, марганец и комбинации этих веществ в разных пропорциях.

Рис. 2 Ферросилиций

Чистые кремний, марганец или кальций плохо растворяются в стали, так как покрыты плотной оксидной пленкой. Их применяют в виде ферросплавов, у которых нет проблем с растворением в жидкой стали:

• кремний в виде ферросилиция (рис.2);

• кальций в виде силикокальция;

• марганец в виде ферромарганца или силикомарганца.

При раскислении из оксида железа отнимаются атомы кислорода. Содержание газа снижают до минимального показателя, который не допускает протекание окислительных реакций внутри металла.

Раскисление проводится в несколько этапов:

• раскислитель растворяется в стали;

• в расплаве появляются продукты раскисления;

• происходит сама реакция;

• из сплава выделяются и извлекаются продукты завершенной реакции.

Продукты распада удаляются до затвердевания стали. В противном случае техпроцесс будет нарушен, а качество изделия будет низким.

Классификация сталей по степени раскисления

По степени раскисления и характеру затвердевания стали подразделяют на три вида:

• спокойные – сп;

• полуспокойные – пс;

• кипящие – кп.

В спокойной стали после разливки на этапе затвердения сохранятся минимальное количество газов (рис.3)

Рис.3 Разливка стали

Практически весь кислород удаляется за счет добавок. Образуется усадочная раковина, которую в дальнейшем вырезают и отдают в лом для повторной переработки. Для получения спокойных марок стали используют марганцевые и кремниевые соединения, а также алюминий. У спокойной стали равномерный химический состав и одинаковые механические свойства по слитку.

В полуспокойной стали выделение газа во время отвердения сплава прекращается не до конца. В центре и верхней части заготовки будут пузыри, которые удалятся при прокатке слитка. Материал используется при изготовлении штрипса и труб. Полуспокойные стали имеют неоднородный химический состав.

У кипящей стали при затвердевании расплава выделяется много газов. Ее состав отличается по поперечному срезу, а также в верхней и нижней части слитка. Снаружи получается качественный сплав, а в сердцевине много примесей углерода, фосфора, серы и азота. Кипящая сталь востребована благодаря низкой стоимости.

Маркировка сталей

В соответствии с ГОСТ 380-2005 углеродистую сталь обыкновенного качества выпускают марок Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки, буквы «кп», «пс», «сп» - степень раскисления; буква «Г» свидетельствует о повышенном содержании марганца (до 0,8…1,2 %). Условный номер марки соответствует содержанию углерода в стали (таблица 2).

Таблица 2

Качественные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1050-2013 выпускают марок 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60; 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп и 20пс. Двузначные числа показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Газопроводы строят из хорошо свариваемой стали с содержанием углерода не более 0,25%. Поэтому Ст4, Ст5, Ст6 по ГОСТ 380 для газовых труб не используют. Так же как и стали 25 и выше по ГОСТ 1050. Из углеродистых сталей обыкновенного качества самой востребованной является Ст3сп. 

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь