СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Необходимость в материалах как более жаропрочных, так и с бо­лее низким температурным порогом хрупкости, чем у углеродистой стали, а также стремление снижать вес машин, аппаратов и обору­дования нефтезаводов и заводов нефтехимического синтеза привели к применению и заметному распространению низколегированных сталей повышенной прочности. В табл. II. 5 и II. 6 приведены эти марки стали, соответственно листового и сортового прокатов; даны их химический состав и механические свойства при комнатной тем­пературе, а также указано, для каких условий их рекомендуется применять в аппаратостроении.

Сталь 12МХ благодаря низкому содержанию хрома (0,5%) хо­рошо сваривается. Одновременное присутствие хрома и молибдена сообщают ей высокую теплоустойчивость вплоть до температур 540° С, что можно видеть из табл. П. 7. В то же время хром предохраняет эту сталь от склонности к графитизации.

Сталь 12ХМ содержит больше хрома, чем сталь марки 12МХ. Это делает ее более устойчивой в водороде повышенного давления при повышенных температурах и позволяет чаще приме­нять ее в установках каталитического риформинга и гидроочистки. Сталь этой марки более теплоустойчива, чем сталь 12МХ, и поэтому Госгортехнадзором допускается для работы при темпе­ратурах до 560° С. Данные о механических характеристиках этой стали после термообработки, как она и поставляется, приведены в табл. II. 7.

Сталь 16ГС (3Н) легко свариваемая, с повышенными прочностью и ударной вязкостью при температурах от —40 до +475° С. Эти свойства стали дают возможность применять ее и для холодильной аппаратуры установок депарафинизации масел и других процессов переработки нефти, осуществляемых при температурах ниже нуля. ГОСТ 5520-62 на поставку этой стали гарантирует для листов до 30 мм ударную вязкость при —40° С не менее 3 кГ/см², а при темпе­ратуре — 70° С — не менее 2,5 кГ/см². Средние значения прочностных характеристик, определенных при различных температурах на металле трех плавок, приведены в табл. II. 8.

Сталь 09Г2С (М), так же как и сталь марки 16ГС(ЗН), легко сва­риваемая, с еще более повышенной прочностью и относительно высо­кой ударной вязкостью при пониженных температурах. Техниче­скими условиями ГОСТ 5520-62.гарантируется поставка листовой стали из стали этой марки показателями ударной вязкости при тем­пературах 20, —40 и —70° С соответственно не менее 6; 3,0 и 2,5 кГм/см².

Механические свойства (средние значения) этой стали при повы­шенных температурах по результатам испытаний двух плавок стали даны в табл. П. 9.

Сталь 10Г2СД(МК) отличается от сталей 16ГС (3Н) и 09Г2С (М) повышенным содержанием кремния (0,9—1,2%), что, надо полагать, должно повысить окалиностойкость этой стали по сравнению с окалиностойкостью сталей 16ГС (3Н) иО9Г2С(М) и сделать возможным ее использование при более высоких температурах для слабонагружен-ных элементов. Однако отсутствие достаточных данных о ее проч­ностных характеристиках при температуре выше 350° С лимитирует ее приметшие. Средние значения механических свойств этой стали при повышенных температурах, определенные по трем плавкам ме­талла, приведены в табл. II. 10.

Стали ЗОХ, ЗОХА и 38ХА по ГОСТ 4543-61 благодаря своей высокой прочности и вязкости в термообработанном состоянии, а также сравнительно хорошей релаксационной стойкости применяют в качестве крепежной стали в оборудовании нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Ведомственная нормаль Н779-55 регули­рует условия применения крепежных деталей из этих марок сталей [80].

Изменение механических свойств сталей марок ЗОХ и 38ХА в за­висимости от температуры показано в табл. II. 11.

Релаксационная стойкость характеризуется данными, приведен­ными в табл. II. 12 [41].

Стали ЗОХМА и 25Х2МФА, содержащие молибден (0,2—0,3%) и ванадий (особенно 25Х2МФА), обладают значительно большей теплоустойчивостью, не склонны к снижению ударной вязкости при длительном пребывании при повышенных температурах, осо­бенно ценны как материал для крепежа при повышенных температу­рах, их широко применяют не только на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, но и в других отраслях промышленности.

Сталь 50ХФА применяют для пружин. Она высокопрочна при повышенных температурах. Механические свойства ее в преде­лах от 20 до 300° С приведены в табл. II. 14. Для пружинной стали особенно интересны характеристики, определенные при испытании на кручение.

СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Необходимость в коррозионностойких и жаропрочных матери­алах в условиях горячей сернистой нефтяной среды вызвала широ­кое применение среднелегированных сталей с содержанием от 3 до 9% хрома. В табл. П. 15 перечислены марки этих сталей, даны их химический состав, механические свойства при комнатных темпера­турах и рекомендуемая область их применения.

Трубы из стали ЭИ579 применяют для так называемой 1-й тем­пературной ступени установок деструктивной гидрогенизации угля и нефтяных остатков, работающих при давлении до 700 кГ/см² и температурах до 500° С включительно. Механические свойства стали ЭИ579 в состоянии после закалки в масле с 1050° С и отпуске при 700° С приведены в табл. II. 16. Оборудование новых нефтехимиче­ских процессов, осуществляемых при достаточно высоких давлениях в интервале температур до 550° С, может быть выполнено из стали ЭИ579. Следует отметить, что большим преимуществом этой стали является ее стойкость по отношению к водороду при рассматрива­емых температурах и давлениях.

Сталь Х5 коррозионностойка в горячих нефтяных продуктах, содержащих органические сернистые соединения и сероводород. Печ­ные и коммуникационные трубы из этой стали в 3—4 раза устойчивей в горячей сернистой нефтяной среде, чем трубы из углеродистой стали. По жаропрочности и особенно склонности к охрупчива-нию после длительной работы при повышенных температурах (порядка 550—575° С) сталь Х5 значительно уступает другим сталям этой группы (сталям Х5М п Х5ВФ), поэтому применять ее следует до температуры 425° С, где она полностью заменяет эти более дорогие (~ на 20%) и зачастую более дефицитные стали из-за содержания в последних легирующих элементов: молибдена (Х5М), вольфрама и ванадия (Х5ВФ).

Стали Х5, Х5М и Х5ВФ начали давно применять в оборудова­нии для нефтезаводов и широко применяют в настоящее время. Из них главным образом изготовляют трубы для печей и горячих ком­муникаций нефтезаводов. Лист из этих сталей применяют также для калачей и трубных досок. Из-за склонности этих сталей к за­калке на воздухе при охлаждении с температур выше Ас₃ затруднена их сварка. Сварные стыки при охлаждении на воздухе получаются закаленными с 11В 350 и, следовательно, хрупкими. Из-за хрупкости и возникающих закалочных напряжений, суммирующихся иногда с действующими напряжениями, могут появиться опасные для экс­плуатации трещины. Чтобы их избежать, стали Х5, Х5М, Х5ВФ и Х8ВФ необходимо сваривать одноименными электродами с сопут­ствующим подогревом при температурах 300—350° С, после оконча­ния сварки медленно охлаждать сварную конструкцию до темпера­туры не ниже 150° С и подвергнуть термической обработке, т. е. нагреть до 760—800 °С, выдержать при этой температуре в течение 1 ч на 10 мм толщины свариваемого металла, охладить до 650° С со скоростью 25—30° С в час, а затем на воздухе. Подобную сварку и термообработку на сосудах производить сложно, поэтому примене­ние этих марок сталей в сварной аппаратуре ограничено.

При сварке трубных элементов из этих сталей возникают меньшие начальные напряжения, термообработка и местный подогрев швов производятся легче и проще. Более того, если по условиям работы стыка сваривать трубы можно аустенитными хромоникелевыми элек­тродами (например, ЭНТУЗ или ЗИОЗ), то при этом обходятся без предварительного нагрева при сварке и без последующей термо­обработки [22].

Из сталей Х5М, Х5ВФ, и Х8ВФ в основном изготовляют трубы, которые главным образом монтируются развальцовкой и отбортовкой в печных двойниках (ретурбендах), а трубы из сталей Х8 и Х5М — в решетках теплообменников (кроме сталей Х5, Х5ВФ и Х8ВФ), поэтому необходимо, чтобы металл был в мягком состоянии (не более НВ163). Такую твердость обеспечивает полный отжиг труб. Во вполне отожженном состоянии трубы из легированной стали с 5— 8% хрома и другими упрочняющими добавками (молибденом, воль­фрамом и ванадием) обладают сравнительно низкими механическими свойствами как при комнатных, так и при повышенных температу­рах, что не дает возможности использовать все преимущества леги­рования металла. Поэтому как только стало возможным отказаться от монтажа труб развальцовкой и отбортовкой и вести его сваркой (например, для печей каталитического риформинга), решился во­прос о термообработке труб с целью повышения прочностных ха­рактеристик, и, следовательно, уменьшения толщины стенок труб и снижения расхода металла. Поскольку стали Х5М и Х5ВФ при­меняют при температурах вплоть до 600° С, последнюю операцию термообработки (отпуск) следует выполнять при температуре на 100° G выше, чем минимальная рабочая температура. Тогда можно ожидать, что при рабочей температуре не произойдет дополнитель­ного отпуска стали со снижением свойств. Действительно, при тер­мической обработке сталей Х5М и Х5ВФ по режиму нормализа­ция с температуры 1000° С и последующий отпуск при 700° С стали приобретают механические свойства, приведенные в табл. II. 18.

В термообработанном улучшенном состоянии стали обозначают Х5МУ и Х5ВФУ.

Твердость, сообщенная в результате термической обработки улуч­шенным сталям Х5МУ и Х5ВФУ после выдержки в течение 2000 ч при температурах 550—600° С, очень мало снизилась.

Из табл. II. 19 видно, что прочность термообработанных сталей Х5МУ-И Х5ВФУ после улучшения не менее чем на 40% выше, чем прочность тех же марок Х5М и Х5ВФ в отожженном состоянии. Та­кая прочность сохраняется в довольно большом интервале темпера­тур, что дает возможность достаточно широко применять трубы из улучшенных сталей Х5МУ и Х5ВФУ, смонтированные при помощи сварки.