Сталь: характеристики и применение для изготовления нефтегазового оборудования

Выбор стали

Для изготовления нефтезаводской аппаратуры преимущественно применяют конструкционные материалы, стойкие в агрессивных средах. При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких.

При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются предел текучести – s_т и предел прочности s_в. Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля нормальной упругости Е и коэффициентом Пуансона – m. Указанные характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низких (от – 254 до – 40^оС), средних ( от – 40 до + 200^оС) и высоких (выше + 200^оС) температурах.

При динамическом приложении нагрузки кроме указанных выше характеристик необходимо учитывать также и величину ударной вязкости. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже – 40^оС) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и их сплавов (меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, никеля и его сплавов), а также хромоникелевых сталей при низких температурах уменьшается незначительно, и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что позволяет применять их при рабочих температурах до – 254^оС.

Для оборудования, подверженного ударным и пульсирующим нагрузкам и предназначенного для работы при низких температурах, следует применять металлы и их сплавы с ударной вязкостью не ниже 0,2 МДж/м² при рабочих температурах. Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болты, шпильки), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость не менее 0,4 МДж/м².

Применение сталей в зависимости от температуры

При высоких температурах

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и их сплавов. Кроме того, поведение металлов под нагрузкой при высокой температуре отличается от поведения при нормальной температуре внутри производственных помещений. Предел прочности – s_в и предел текучести – s_т зависят от времени пребывания под нагрузкой и скорости нагружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в упругопластическое и под нагрузкой непрерывно деформируется (явление ползучести, релаксации, нарушения стабильности структуры). Интенсивность и характер этих явлений зависит от химического состава и структуры сталей. Температуры, при которых начинается ползучесть, у разных металлов различны. Для углеродистых сталей обыкновенного качества ползучесть наступает уже при температурах выше 375^оС, для низколегированных сталей – при температурах выше 525^оС, для жаропрочных – при более высоких температурах.

Понижение механических свойств при высоких температурах обусловлено происходящими в металле структурными и фазовыми превращениями. В большинстве случаев для аппаратуры, предназначенной для работы при высоких температурах, применяют специальные марки сталей, характеризуемых достаточной механической прочностью и стабильностью структуры при высоких температурах. О теплоустойчивости стали судят по сопротивлению ползучести.

В условиях высоких температур некоторые стали склонны к нарушению стабильности структуры, главным образом к графитизации, межкристаллической коррозии и тепловой хрупкости.

Явление графитизации, наблюдаемое при температуре выше 475^оС, связано с разрушением карбида углерода и образованием в зоне сварных швов цепочек свободного графита. Особенно склонны к графитизации углеродомолибденовые стали и серый чугун. Для предотвращения графитизации в сталь добавляют некоторое количество хрома.

Наряду с жаропрочностью эти металлы должны обладать также жаростойкостью, т. е. способностью противостоять коррозионному воздействию среды в условиях длительной работы при высоких температурах.

Некоторые стали в результате длительной работы при температурах выше 450^оС, значительно теряют ударную вязкость при сохранении других механических свойств. Это явление, называемое тепловой хрупкостью, часто наблюдается у низколегированных сталей. Поэтому в них для стабилизации свойств добавляют молибден, вольфрам, ванадий. При непрерывном процессе окалинообразования рабочее сечение металла уменьшается, что приводит к повышению рабочего напряжения и ухудшению условий безопасной эксплуатации оборудования.

Некоторые детали аппаратуры (пружины, болты, шпильки и др.) вследствие повышения пластичности металла при высоких температурах работают в условиях постепенного снижения напряжений, вызванных первоначально приложенной нагрузкой (затягом), при сохранении геометрических размеров (явление релаксации напряжений). Такие детали следует рассчитывать на предварительную нагрузку (затяг), обеспечивающую на заданный период времени остаточную нагрузку, необходимую для нормальной работы конструкции.

При низких температурах

Некоторые процессы нефтепереработки и нефтехимии осуществляются при отрицательных температурах.(ниже 0^оС) При выборе стали для оборудования, применяемого при проведении этих процессов, необходимо знать, как изменяются ее механические свойства при низких температурах. Предел прочности, предел текучести, модуль упругости и относительное удлинение стали с понижением температуры, изменяются незначительно, но наблюдается сильное падение ударной вязкости для всех сталей.

Ударная вязкость стали, характеризует склонность ее к хрупкому разрушению, состояние которого для некоторых углеродистых сталей наступает уже при 0^оС. Путем испытания на удар при различных температурах находят порог хладоломкости, т.е. ту температуру, при которой сталь из вязкого разрушения переходит к хрупкому.

Аппараты, работающие при низких температурах, изготовляют из качественной мартеновской стали, с небольшим содержанием серы и фосфора (область применения до – 40^оС), из низколегированной стали с добавкой марганца (до – 70^оС), из высоколегированных хромоникелевых сталей (до –254^оС).

Широкое применение в условиях низких температур нашли цветные металлы и их сплавы, не подверженные хладноломкости.

В нефтегазовом и нефтехимическом аппаратостроении основным способом выполнения металлических неразъемных соединений является сварка. Хорошая свариваемость металлов является одним из основных и необходимых условий, определяющих пригодность материалов для безопасной эксплуатации конструкции аппарата.

Таким образом, при конструировании нефтегазовой заводской аппаратуры, отвечающей безопасной эксплуатации, к конструкционным материалам должны предъявляться следующие основные требования:

1. достаточная общая химическая и коррозионная стойкость материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения;

2. достаточная механическая прочность при заданных давлениях и температуре технологического процесса, а также с учетом воздействия на аппараты различного рода дополнительных нагрузок: ветровой, прогиба от собственного веса и т. д.;

3. наилучшая способность материала свариваться с обеспечением высоких механических свойств и коррозионной стойкости сварных соединений их в агрессивной среде.

При изготовлении нефтегазовой аппаратуры наибольшее применение получили, стали – углеродистые и легированные, сравнительно реже чугуны, цветные металлы и их сплавы. Используются также неметаллические материалы: винипласт, резина, химически стойкий текстолит, бетонные покрытия, пластмассы.

Стали

Углеродистые стали – это сплав железа и углерода. Содержание углерода оказывает большое влияние на качество стали: с увеличением его повышается предел прочности G_в предел текучести G_т, а также увеличивается хрупкость и снижается пластичность, ухудшается свариваемость.

При содержании углерода менее 0,25 % – сталь низкоуглеродистая; (0,25 – 0,6) % – среднеуглеродистая; (0,6 – 2,0) % – высокоуглеродистая. Нефтезаводскую аппаратуру обычно изготовляют из углеродистой стали с содержание углерода не более 0,25 %, обладающей хорошей свариваемостью.

Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы (Be, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Zn, Mo, Sn, Au, Hg, W, Pb и др.) и их сплавы – цветными.

Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготовляется не менее 90% всех конструкционных и инструментальных сталей.

Основными способами получения стали, являются: мартеновский, конверторный и электроплавильный. При любом из этих способов имеем дело с жидким расплавленным металлом, который обладает большой способностью поглощать газы: водород, азот, кислород и т.д. Газы, особенно кислород, соединяясь с металлом или абсорбируясь, остается в металле при затвердевании, если не принять меры для их удаления. Механические свойства при этом значительно снижаются.

Классификация по способу обработки в ванне

По способу обработки жидкого металла в металлической ванне различают сталь кипящую, полуспокойную и спокойную.

Кипящая сталь (ГОСТ 380 – 71) в процессе выплавки не обрабатывается добавками, способными соединяться с газами и вредными примесями и образовывать вспенивающие на поверхности шлаки. Поэтому при затвердевании металла в нем остаются газовые пузыри и вредные примеси. Эти стали находят ограниченное применение при температурах от – 15^оС до +200^оС и до давления Р = 1,6 МПа.

Полуспокойные стали во время плавки раскисляются кремнием и марганцем и при затвердевании выделяют небольшое количество газов.

В этом случае сплошность металла лучше и качество выше. Однако, действующими правилами в РФ, применение полуспокойной стали, не предусматривается. Очевидно, что ее можно применять во всех случаях взамен кипящей.

Спокойные стали, обрабатываются во время плавки кремнием и марганцем, а затем при разливке алюминием, который, соединяясь с кислородом, образует тугоплавкие соединения окиси алюминия, удаляемые в виде шлака. В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380 – 71) подразделяется на три группы: сталь группы А поставляется по механическим свойствам и изготовляется следующих марок: Ст.0, Ст.1 – Ст.6; сталь группы Б поставляется по химическому составу изготовляется следующих марок: БСт0. БСт.1 – БCт.6; сталь группы В поставляется по механическим свойствам и химическому составу и изготовляется следующих марок: ВСт.1 – ВСт.5.

Обозначение марок

Обозначение марок стали включает:

а) буквы Ст – сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств, например Ст.0, Ст.1.

б) буквы Б и В перед буквами Ст – группа стали; группа А не указывается, например, Ст.3, БСт.3, ВСт.3;

в) буквы, добавляемые после номера марки – степень раскисления: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная, например, Ст.3кп, Ст.3пс, ВСт.3сп;

Углеродистые стали обыкновенного качества применяются для изготовления нефтегазовой аппаратуры, работающей при температурах – 40 до + 425^оС и до давления Р = 5,0 МПа. В стали обыкновенного качества допускается содержание вредной примеси серы до 0,055%. Фосфор также является вредной примесью; резко снижает пластичность, вызывает хладноломкость стали.

Свойства углеродистых сталей

Механические свойства и области применения углеродистых сталей обыкновенного качества

Марка	sт, МПа	sв, МПа	d, %	Область применения
Ст.0	–	320	18-22	Площадки лестничных клеток, малоответственные емкости
Ст.1, Ст.1кп	–	320 – 400	28-32	Уплотнительные прокладки для фланцевых соединений, фасонные переходы
Ст.2, Ст.2кп	190-220	340-420	26-31	Отбортованные днища емкостей, детали, изготовляемые холодной вытяжкой
Ст.3кп	210-240	380-470	23-27	Корпуса аппаратов, работающих под давлением ниже 1,6 Мпа при температуре от-10 до +350 оС
Ст.3	220-240	380-470	21-25	Корпуса, днища, фланцы аппара-тов, работающих под давлением ниже 5 МПа при температуре от –30 до + 450 оС
Ст.4	240-260	420-520	19-25	Фланцы, трубные решетки тепло-обменников при давлении ниже 4 Мпа и температуре от –30 до + 450 оС
Ст.5	260-280	500-620	15-21	Стяжные кольца, трубные решетки, устанавливаемые без сварки, сильно нагруженные болты валы насосов
Ст.6	300-310	600-740	9-11	Детали, несущие высокие удельные нагрузки
Условные обозначения: sт – предел текучести, sв – предел прочности, или временное сопротивление разрыву; d – относительное удлинение.

Сталь углеродистая качественная (ГОСТ 1050 – 74) поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Марки стали: 08кп; 08пс; 08; 10; 15; 20; 30; 40; 45; 50; 55; 60; 60Г. В обозначении марок двузначные числа соответствуют среднему содержанию (массовые доли) углерода в сотых долях процента; буква Г означает повышенное содержание марганца. Данные стали используются для нефтеаппаратуры, работающей при температуре от – 40 до + 475^оС и Р <10 МПа.

К углеродистым сталям для котлостроения 15К, 20К, содержащим пониженное количество серы и фосфора, предъявляют более жесткие требования в отношении обеспечения соответствующих механических свойств; эти стали, применяют при температурах от – 40 до + 474^оС при любых давлениях.

Механические свойства и состав качественных углеродистых сталей, применяемых в котлостроении Таблица 2

Марка	sт, МПа	sв, МПа	d, %	Содержание, %
				Мn	Si	Cr	C
08	200	330	33	0,35 –0,65	0,17 –0,37	0,10	—-
10	210	340	31	0,35 –0,65	0,17 –0,35	0,15	—-
15	230	380	27	0,35 –0,65	0,17 –0,35	0,25	—-
20	250	420	25	0,50 –0,80	0,17 –0,35	0,25	—-
30	300	500	21	0,50 –0,80	0,17 –0,35	0,25	—-
09Г2С	320	480	18	1,3-1,7	0,40-0,70	—-	0,12
16ГС	300	480	18	0,9-1,2	0,40-0,70	—-	0,14-0,18
15К	220	360 –440	25-28	0,65	0,15-0,30	—-	0,12-0,20
16К	260	410 –500	22	0,45-0,75	0,17-0,37	—-	0,12-0,20
18К	280	440 –530	20	0,55-0,85	0,17-0,37	—-	0,14-0,22
20К	250	410 –520	23-26	0,35-0,65	0,15-0,30	—-	02,16-0,24

Легированные стали

Легированные стали, содержат, кроме обычных примесей, легирующие элементы, специально введенные в определенных количествах для обеспечения необходимых механических и коррозионных свойств. В зависимости от общего содержания легирующих элементов стали, делятся на низколегированные (до 5% легирующих элементов), среднелегированные (5 – 10) % и высоколегированные (свыше 10 %, превышая в отдельных случаях – 70%).

Каждый легирующий элемент обозначается своей буквой: никель – Н, хром – Х, кобальт – К, кремний – С. молибден – М, титан – Т, ванадий – Ф, марганец – Г, медь – Д, алюминий – Ю, вольфрам – W и т.д.

Химический состав легированной стали, обозначается указанными буквами и цифрами, соответствующими их процентному содержанию. Содержание углерода указывается цифрой стоящей перед буквенным обозначением и соответствующей количеству сотых частей процента. Содержание легирующих элементов указывается цифрой, стоящей после буквенного обозначения и равной среднему содержанию этого элемента в процентах. Если содержание элемента менее 1%, то после его обозначения цифра не ставится. Буква А, стоящая в конце обозначения марки стали указывает, что при выплавке данной стали приняты особые меры по снижению вредных примесей, например серы и фосфора.

Легированные стали, разделяют по их свойствам на следующие группы.

1. Стали повышенной прочности (низколегированные) для аппаратуры, работающей при повышенных давлениях и температуре до 475^оС. Эти стали, легируют в основном марганцем (1 – 2)%.

2. Стали теплоустойчивые, отличаются высоким сопротивление ползучести и пределом длительной прочности. Их легируют молибденом, вольфрамом и ванадием. Наиболее эффективно повышает теплоустойчивость, стали молибден. Хром мало повышает теплоустойчивость, но присутствие его в стали обеспечивает окаоиностойкость. Стали 15Х5М, 30ХМА, 15ХМ, 30ХГСА, 30Х2ГСН2А и другие марки сталей применяются при температурах от – 70 до +560^оС и Р < 10 МПа.

3. Жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие одновременно свойствами теплоустойчивости и окалиностойкости. Эти стали легируют хромом и молибденом, хромом и никелем; хромом, ванадием вольфрамом.

Марка	Механические свойства			Область применения
	sв, МПа	sт, Мпа	d, %
12МХ	450	240	24	Корпуса и детали реакционных аппаратов с не коррозионной средой при повышенных температурах и давлениях
15ХМ	450	240	22
10Г2	460-520	320-380	22	Корпуса ответственных аппаратов
30ХМА	950	750	12	Крепёжные детали, двойники при повышенных температурах
15Х5М	400	220	20	Печные трубы, двойники, арматура, детали реакторов
20Х3МВФ	800	500	14	Печные трубы, калачи, детали в среде водорода при давлении до 70 Мпа и температуре 500°С
08Х13	600	420	20	Аппараты и детали в среде сернистого газа при температуре до 540°С
1Х18Н9Т	550	200	40	Аппараты, по условиям эксплуатации подверженные межкристаллитной коррозии, детали крепежа, арматура
12Х18Н10Т	550	200	40
20Х23Н18	560	—	35	Детали при высоких температурах и умеренных напряжениях

4. Кислотостойкие стали, хорошо сопротивляющиеся воздействию кислых сред. Это высоколегированные стали, содержащие хром, никель, кремний, молибден. Стали 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т и др. используются при температурах от – 253 до + 600^оС при любых давлениях.

Двухслойные металлы

Двухслойные металлы (биметаллы) широко применяются для изготовления нефтеаппаратуры. Они состоят из двух слоев. Основной (толстый) слой воспринимает нагрузку. Тонкий слой, называемый защитным, предохраняет основной слой от коррозионного действия среды и обычно в расчетах на прочность не учитывается.

Основной слой биметалла выполняют из углеродистых сталей ВСт3сп, 20К, 16ГС, 09Г2С, теплоустойчивой хромомолибденовой стали 12ХМ и др. Защитный слой биметалла толщиной 1 – 6 мм выполняют из сталей 08Х13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т и других высоколегированных сталей.

Специальным высоколегированным сталям присваивается буква, которая идет первой в марочном обозначении.

Инструментальные стали

Углеродистым инструментальным сталям в зависимости от содержания углерода присваивают марки У7А. У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. Например, сталь марки У7А: углеродистая (буква У), содержит 0,7% углерода (цифра 7); высококачественная (буква А), т. е. имеет пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора).

Закаленные углеродистые стали, хорошо шлифуются, наиболее дешевые из инструментальных сталей применяются для изготовления инструментов, работающих в условиях низких температур резания (напильники, шаберы, метчики и др.).

К низколегированным инструментальным сталям относятся, стали марок 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВГС и др. Эти стали, содержащие около 1% углерода, хрома, марганца, кремния, вольфрама, характеризуются лучшей закаливаемостью, повышенными прокаливаемостью и теплостойкостью. Указанные стали, используют для изготовления плашек, метчиков, сверл, разверток, штампов.

Быстрорежущие стали –Р, применяют для изготовления режущих инструментов, работающих при высоких скоростях, усилиях и температурах резания. Эти стали, отличаются высокой износостойкостью, теплостойкостью, прочностью и вязкостью.

Быстрорежущие стали подразделяют на две группы; 1) стали, легированные вольфрамом и молибденом и содержащие до 2% ванадия (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М3 и др.) – стали нормальной производительности; 2) стали, легированные вольфрамом и кобальтом и содержащие более 2% ванадия (Р18Ф2, Р14Ф5, Р9Ф5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10 и др.) – стали повышенной производительности.

Быстрорежущие стали, содержат также углерод (0,7 – 1,5)%, хром (3 – 4)% и некоторые другие элементы, которые в маркировке не указаны. Например, сталь Р18 содержит 0,7-0,8% углерода, 17-18% вольфрама, 3,8-4,4% хрома, 1-1,4% ванадия.

Хромистые нержавеющие стали имеют обозначение –Ж; шарикоподшипниковые –Ш; магнитные стали –Е.

Высококачественные стали, выпускаемые заводом «Электросталь» обозначаются буквой Э. Если сталь нестандартная, рядом с буквой Э ставится буква И (исследовательская) и порядковый номер. Пример маркировок: ЭЯ-1, ЭИ-496 и др.

Литье

Большое количество элементов нефтегазовой аппаратуры имеют довольно сложную конфигурацию, которую можно только отлить. К таким элементам относятся корпуса и рабочие колеса насосов, двойники и гарнитура трубчатых печей, детали холодильников, фланцы, фитинги, запорная и иная арматура. При изготовлении этих деталей применяют литейные стали, чугуны и цветные металлы.

Углеродистое и легированное стальное литье обозначается маркировкой, принятой для углеродистой и легированной стали, с добавлением буквы –Л.

Стальное литье применяется тогда, когда требуется получить детали с повышенной прочностью к ударным нагрузкам, устойчивостью к коррозии. Для изготовления деталей аппаратуры и оборудования применяют, стали следующих марок: 30ХМА-Л, 35ХМА-Л, Х5Т-Л, Х5В-Л, 1Х18Н10Т-Л, Х25Н20С2-Л и др. Ковка существенно улучшает, механические свойства стали, поэтому аппаратуру, работающую при высоких давлениях, изготовляют не литой, а кованой.

Серый чугун

Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами и легко обрабатывается резаньем. Коррозионная стойкость его несколько выше, чем у стали. Из чугуна изготовляют емкостные аппараты с мешалками, широко применяемые во многих технологических процессах (сульфирование, нитрование, щелочное плавление и т.д.). Чугун широко применяют для изготовления отдельных деталей – сальников, приводов, мешалок, трубопроводной арматуры и т.д.

Правилами Госгортехнадзора допускается изготовление из чугуна аппаратов, рассчитанных на давление не более 0,8 МПа, если температура стенки аппарата не превышает 250^оС.

Наряду с серым чугуном для нефтезаводской аппаратуры применяют легированные чугуны, обладающие повышенной химической стойкостью и жаропрочностью. Никелевые чугуны марки СЧЩ-1, СЧЩ-2 с содержанием никеля до 1% не склонные к щелочной хрупкости, применяют для работы со щелочами при повышенных температурах. Хромистые чугуны с содержанием хрома 30% устойчивы в растворах азотной, фосфорной и уксусной кислот. Для работы с серной, азотной и соляной кислотами применяют кремнистые чугуны – антихлор и ферросилиды. Антихлор стоек к соляной кислоте, в которой интенсивно коррозируют почти все металлы. Недостатками кремнистых чугунов является хрупкость, чувствительность к резким колебаниям температуры и трудность обработки резанием. Ферросилиды обрабатываются только металлокерамическими резцами.