Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 7 )

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12. Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других агрессивных средах и широко используются для изготовления химической аппаратуры.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем. Экономнолегированная (по никелю) сталь 10Х14Г14Н4Т рекомендована как заменитель стали 12Х18Н10Т для изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах, солях, щелочах), а также при температуре до –196 °С.

Некоторое применение находят хромомарганцевоникелевые стали с азотом (0,15–0,4 % N), который стабилизирует аустенит и может частично заменить никель. К числу этих сталей относятся стали 10Х14АГ15, 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН4. Устойчивость сталей против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден. Для этой цели применяют стали 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т, которые сочетают высокую коррозионную стойкость с хорошей технологичностью, начиная от выплавки стали и кончая изготовлением сварных конструкций и аппаратов.

Стали аустенитно-ферритного класса содержат 18–22 % Сr, 2–6 % Ni и некоторое количество Мо и Ti (08X22H6T, 08Х21Н6М2Т и др.). Аустенитно-ферритные стали по сравнению с аустенитными обладают более высокой прочностью при удовлетворительной пластичности и лучшей сопротивляемостью интеркристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. При нагреве до 400–750 °С стали охрупчиваются.

Стали аустенитно-мартенситного класса. Особую группу представляют аустенитно-мартенситные коррозионно-стойкие стали, например сталь 09Х15Н8Ю. Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии обладают высокими механическими свойствами и хорошо свариваются. Сталь 09Х15Н8Ю для повышения механических свойств подвергают закалке от 975 °С, после которой структура стали – неустойчивый аустенит и небольшое количество мартенсита. В этом состоянии сталь обладает достаточно высокой пластичностью и может быть подвергнута пластической деформации и обработке резанием. После закалки сталь обрабатывают холодом в интервале температур от –50 до –75 °С для перевода большей части аустенита (~80 %) в мартенсит и подвергают отпуску (старению) при 450–500 °С. При старении из мартенсита выделяются дисперсные частицы интерметаллидов типа Ni3Al. Механические свойства стали после такой обработки приведены в табл. 1.4.

Механические свойства указанной стали зависят от количества образовавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой холодом. Если количество мартенсита превышает 40 %, то пластичность стали заметно падает, но прочность возрастает. Большое упрочнение стали может быть достигнуто нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки или волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации. Дальнейшее упрочнение стали достигается старением при 450– 480 °С.

Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков, и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали. Двухслойные листовые стали состоят из основного слоя – низколегированной (09Г2, 16ГС, 09Г2С, 12ХМ, 10ХГСНД и др.) или углеродистой (Ст. 3) стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1–6 мм из коррозионно-стойких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ, 08Х13) или никелевых сплавов (ХН65МВ, Н70МФ).

1.3.1. Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и
никелевой основе

Аустенитные (аустенитно-ферритные) стали не обеспечивают достаточно высокой коррозионной стойкости в таких средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях используют сплавы на железоникелевой основе, например сплав 04ХН40МДТЮ, имеющий после закалки от 1050–1100°С и старения при 650–700 °С структуру аустенит и интерметаллидные включения типа Ni3(Ti, Al). Сплав предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислот, применяется никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni–Мо имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.

Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.

Никелевые сплавы используются после закалки от 1070 °С. Структура сплавов - α- или γ-твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа Мо6С и VC (Х70МФ).

Таблица 1.5

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства коррозионно-стойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах

Сталь	Содержание основных элементов, %	Механические свойства
Сr	Ni	Мо	другие элементы	σв	σ0,2	δ, %
МПа
04ХН40МДТЮ	14–17	39–42	4,5–6,0	2,5–3,2 Ti 0,77–1,2 Al 2,7–3,3 Сu	1250	750	35
Н70МФ	–	Остальное	25–27	1,4–1,7 V	950	480	50
ХН65МВ	14,5–16,5	Остальное	15	3,0–4,5 W	1000	600	50

1.4.  Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

1.4.1. Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкими называют материалы, устойчивые к газовой коррозии при температурах выше 550 °С.

Повышение жаростойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (A1, Fе)2O3. Введение в сталь 5 - 8 % Сr повышает жаростойкость до 700–750 °С; увеличение содержания хрома до 15 - 17 % - до 950–1000 °С, а при введении 25 % Сr сталь остается жаростойкой до 1100 °С. Легирование сталей с 25 % Сr алюминием в количестве 5 % повышает устойчивость стали к газовой коррозии до 1300 °С. Жаростойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (08Х17Т, 12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.

В сталях содержание алюминия и кремния в отличие от хрома ограничено, т. к. они охрупчивают сталь и ухудшают ее технологические свойства. Поэтому Al и Si вводят совместно с хромом. Жаростойкие стали Х13Ю4, Х23Ю5Т используются для электронагревателей печей, а сплавы 20Х25Н20С2 – в качестве муфелей, роликов рольгангов, подовых плит и других деталей печей, работающих в углеродосодержащей среде.

1.4.2. Характеристики жаропрочности

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.

При высокой температуре изменяются все механические свойства стали: понижается модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцеплений), предел текучести и временное сопротивление. Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.

Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).

Для определения предела ползучести испытуемый образец в течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуры при фиксировании деформации образца во времени.

Процесс испытания представляют в виде первичной кривой ползучести в координатах «удлинение – время». На кривых ползучести можно отметить участок Оа, соответствующий упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; затем следует участок аb, на котором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся скоростью (стадия неустановившейся ползучести), и участок bс, характеризующий равномерную скорость ползучести (стадия установившейся ползучести).

На основании полученных кривых ползучести строят зависимость между напряжением и удлинением или между напряжением и средней равномерной скоростью ползучести на прямолинейном участке в логарифмической системе координат. Зависимость между средней равномерной скоростью ползучести и приложенным напряжением в логарифмической системе координат имеет вид прямой, угол наклона которой к оси абсцисс определяется температурой испытания.

По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести.

Рис. 1.4. Характеристики жаропрочности металла: