بخشی از مقاله
بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد میکروآلیاژي X80 قبل و پس ازشکل دهی اولیه و ثانویه در تولید لوله 56 اینچ
چکیده
امروزه با توسعه احداث خطوط لوله انتقال نفت و گاز، استفاده از فولادهاي میکروآلیاژي با استحکام بالاتر براي کم کردن هزینه ها، همراه با کاهش ضخامت فولاد مد نظر و توجه است. فولاد میکروآلیاژي X80 با دارا بودن حداکثر استحکام مکانیکی مطابق استاندارد API 5L ، در آینده می تواند به عنوان فولاد عمده در تولید لوله هاي انتقال نفت و گاز به کار برده شود. تاکنون از این فولاد در ایران استفاده نشده، لذا ضروري است خواص متالورژیکی آن مورد بررسی قرا گیرد. همراه با افزایش استحکام تسلیم و کششی، حساسیت به شکست افزایش و قابلیت جوش پذیري کاهش خواهد یافت. در این پژوهش رفتار مکانیکی و ریزساختار فولاد میکروآلیاژي X80 قبل و پس از انجام مراحل شکل دهی تولید لوله 56 اینچ مورد بررسی قرار گرفته است. ریزساختار فولاد عمدتا شامل فریت سوزنی و مقداري فریت چند وجهی است. حضور فریت سوزنی باعث افزایش استحکام تسلیم مطابق رابطه هال-پچ شده است. استحکام تسلیم و کششی پس از عملیات تغییر شکل به دلیل کارسختی افزایش یافته است. به دلیل بالا بودن مقدار Pcm و نمونه برداري در زاویه 90 لوله، نسبت استحکام کششی به تسلیم حدوده 0/91 می باشد. مطابق آزمون خمش انجام شده در هیج نمونه اي عیبی مشاهده نگردید. سختی سنجی در مقیاس ویکرز نشانگر افزایش اندك آن پس از تغییر شکل است. انرژي شکست نمونه ها پس از تغییر شکل کاهش یافته ولی در محدوده مناسب قرار دارد. در کلیه نمونه ها ضربه شکست به صورت برشی می باشد.
واژه هاي کلیدي: فولاد میکروآلیاژي X80 ، خواص مکانیکی ، ریزساختار ، خطوط لوله ، فریت سوزنی
-1 مقدمه
همراه با توسعه احداث خطوط لوله انتقال نفت و گاز، استفاده از فولادهاي میکروآلیاژي با استحکام بالاتر جهت کاهش هزینه ها مد نظر و توجه است. با افزایش درجه فولاد هزینه هاي تولید لوله و اجراي خطوط کاهش خواهد یافت. فولاد هاي مورد استفاده در تولید لوله به وسیله فرآیند نورد ترمومکانیکی تولید می شوند. جهت افزایش استحکام مکانیکی در انتهاي عملیات نورد، فرآیند سرد کردن سریع نیز انجام می گردد. با انجام تحولات فازي در فولاد میکروآالیاژي X80 تبدیل آستنیت به فریت سوزنی انجام خواهد شد. در شکل 1 مراحل تولید، نورد و تحولات فازي در فولادهاي میکروآلیاژي مشاهده می گردد9]،.[1فولاد میکروآلیاژي X80 با استحکام مکانیکی بالا می تواند در آینده به عنوان فولاد عمده در تولید لوله هاي انتقال نفت و گاز به کار برده شود. فولاد X80 امروزه به عنوان بالاترین درجه فولاد میکروآلیاژي در استاندارد API 5L به شمار می رود.[2]با اینحال تاکنون از این نوع فولاد میکروآلیاژي جهت احداث خطوط لوله در داخل کشور استفاده نگردیده است. در شکل2 مسیر توسعه فولاد هاي میکروآلیاژي سري x ارائه شده است.یکی از دلایل قابل توجه در تاخیر استفاده از فولاد میکروآلیاژي X80 استحکام مکانیکی بالا همراه با کاهش درصد ازدیاد طول و انرژي شکست آن می باشد. امروزه با تحول درآنالیز شیمیایی و ریزساختار، در خواص مکانیکی بهبود ایجاد شده است.این پژوهش ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد میکروآلیاژي X80 را قبل و پس از فرآیند شکل دهی در تولید لوله 56اینچ مورد مطالعه قرار می دهد. با توجه به رفتار مکانیکی به دست آمده، مطابقت این فولاد با نیازهاي موجود قابل مقایسه خواهد بود. این پژوهش می تواند سرآغاز مسیر استفاده از فولادهاي میکروآلیاژي نوین در صنعت نفت و گاز ایران باشد.
شکل -1 تحولات انجام شده در مراحل تولید فولاد میکروآلیاژي[1] شکل -2 مسیر توسعه فولادهاي میکروآلیاژي سري [1] X
-2 روش تحقیق
در این تحقیق ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد میکروآلیاژي X80 مورد بررسی قرار گرفته است. فولاد مورد استفاده داراي درجه X80 بوده و توسط شرکت POSCO با شماره ذوب 15277 تولید گردیده است. فرآیند تولید ورق فولادي، نورد گرم ترمومکانیکی همراه با سرد کردن سریع است. در ابتدا آنالیز شیمیایی جهت تعیین ترکیب عناصر انجام و در جدول 1 ارائه گردیده است.
جدول - 1 ترکیب شیمیایی فولاد میکروآلیاژي X80 (درصد وزنی)
براي انجام بررسی هاي ریزساختاري، نمونه هایی از ورق فولادي تهیـه و سـطوح آنهـا تـا سـمباده )1200 بـا ذرات (SiCپرداخت گردید. سپس سطح نمونه ها با استفاده از ذرات Al2O3 صیقل کاري شده است. حکاکی سطح نمونه ها بـا اسـتفاده از محلول نایتال 2 درصد انجام و سپس نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ نوري مورد بررسی قرار گرفته اند.بررسی خواص مکانیکی فولاد میکروآلیاژي X80 قبل و بعد از عملیات فرم دهی مطـابق اسـتاندارد ASTM A370 انجـام شده است.[3] آزمون کشش با استفاده از دستگاه کشش Tenius Olsen 290 ، آزمون سختی با اسـتفاده از دسـتگاه سـختی سنجی Torsee Vickers Dvkh-1 و آزمون ضـربه بـه وسـیله دسـتگاه Zwck/Roell BRA307205 انجـام گردیـد. قبـل از عملیات فرم دهی نمونه هاي کششی با مقطع دایره اي در جهت عمود بر مسیر نورد تهیه شده اند. پس از عملیات شکل دهـی اولیه و ثانویه نمونه هاي کششی در در دو جهت هم راستا و عمود بر مسیر نورد و در زاویه 90 درجه لولـه تهیـه گردیـده انـد.نمونه هاي آزمون خمش نیز مطابق استاندارد فوق در دو جهت تهیه گردید. آزمون سختی سنجی نیز مطابق روش ویکرز انجام شده است. نمونه هاي آزمون ضربه نیز پس از عملیات شکل دهی در جهت عمود بر مسیر نورد تهیه و در دماهاي مختلف انجام گردیده است.
-3 نتایج و بحث
-1-3 بررسی ریزساختار
یکی از موارد اساسی در کنترل رفتار فولادهاي میکروآلیاژي ریزساختار است. در نتیجه حضور ریزساختار مناسب با افزایش استحکام کششی، کاهش قابل توجهی در درصد ازدیاد طول و انرژي شکست ایجاد نخواهد شد. در فولاد میکروآلیاژيX80 با سرد کردن سریع و انجام تحولات فازي استحکام مکانیکی مطلوب فراهم می گردد. در شکل 3 مسیر تحولات فازي مطابق نمودار CCT مشاهده می شود.[4]
شکل -3 مسیر تحولات فازي در فولادهاي میکروآلیاژي [4]
ترکیب شیمیایی مطابق استاندارد API 5L در جدول 2 ارائه شده است. مقایسه جدول 1 و 2 نشان می دهد ترکیب شیمیایی این فولاد با استاندارد فوق همخوانی دارد. همچنین بر اساس آنالیزشیمیایی انجام شده مقادیر Pcm =0/214 تعیین شده که پایین تر از حداکثر مجاز آن 0/25 است.[2]
جدول - 2 ترکیب شیمیایی فولاد میکروآلیاژي X80 مطابق استاندارد API 5L (درصد وزنی) [2]
شکل -4 ریزساختار فولاد میکروآلیاژي X80
بررسی ریزساختار این فولاد بیانگر تفاوت قابل توجه با فولادهاي میکروآلیاژي درجه پایین تر است. ریزساختار این فولاد در شکل 4 ارائه شده است. ریز ساختار فولادهاي میکروآلیاژي درجه، پایین شامل فریت چند وجهی و پرلیت خواهد بود. با توجه به انجام مرحله سرد کردن سریع، و مطابق نمودار CCT ریزساختار متحول شده است. ریز ساختار نهایی مطابق شکل 4عمدتا شامل فریت سوزنی و فریت چند وجهی است. نتایج مطالعات قبلی انجام شده نیز بیانگر حضور فازهاي فوق است8]،.[5حضور تیغه هاي فریت سوزنی ظریف، باعث افزایش استحکام تسلیم مطابق رابطه هال-پچ خواهد شد. نتایج نشان می دهد، هرچه ضخامت این تیغه ها کمتر باشد تاثیرات بیشتري بر استحکام دهی خواهند داشت. همچنین مطالعات انجام شده نشان می دهد هر چه درصد فاز فریت سوزنی افزایش یابد همزمان باعث افزایش استحکام مکانیکی و حفظ انرژي شکست در محدوده مطلوب خواهد گردید7]،.[6
-2-3 بررسی خواص مکانیکی
-1-2-3 آزمون کشش
نمونه هاي کششی همانطور که در شکل 5 دیده می شود با مقطع دایره اي، مطابق استاندارد ASTM A370 تهیه شده است. نمونه هاي کششی تهیه شده از ورق در جهت عمود بر محور نورد می باشند. علاوه بر این نمونه هاي کششی در دوجهت طولی و عرضی پس از انجام عملیات تغییر شکل اولیه در مرحله پرس U & O و تعییر شکل ثانویه در Expander تهیه گردید.نتایج به دست آمده در جدول 3 ارائه شده است.
