ДВУХСЛОЙНЫЙ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТ

Для аппаратов и сосудов технологических установок нефтепере­рабатывающих заводов и заводов нефтехимического синтеза, рабо­тающих в коррозионноактивной среде, требуется часто коррозионно-. стойкий листовой материал. Таким материалом являются стали с высоким содержанием хрома типа 13%-ной хромистой или с содер­жанием хрома и никеля типа 18-8. Хромистые стали трудно свари­ваются и изготовлять из них аппараты сложно; хромоникелевые стали дороги, дефицитны и также нетехнологичны в смысле изгото­вления из них сварных сосудов крупных размеров. Поэтому для обес­печения заводов коррозионностойкой аппаратурой в условиях сред нефтепереработки и нефтехимии разработан двухслойный листовой прокат, в котором основной слой выполнен из углеродистой или низколегированной стали, а плакирующий тонкий слой выполнен из соответствующей коррозионностойкой стали. В табл. И. 27 пере­числены сорта двухслойного проката, выпускаемые в СССР и широко применяемые и осваиваемые в настоящее время у нас.

В большинстве случаев при использовании двухслойного проката запас на коррозию не предусматривается, так как стойкость против коррозии обеспечивается наличием защитного слоя. По этой же причине двухслойный прокат со стороны защитного слоя следует сваривать электродами, обеспечивающими стойкость к среде, не меньшую, чем сам защитный слой.

Для двухслойного проката, выпускаемого по ЧМТУ 3258-52, гарантируется прочность на срез по плоскости соприкасания слоев не менее чем 1500 кГ/см². Это обстоятельство и многолетний опыт эксплуатации аппаратуры из двухслойной стали с защитными слоями из сталей ЭИ496 и 1Х18Н9Т показывает, что защитный слой в усло­виях горячей сернистой коррозии не подвергается износу. Это дает основание считать, что оба слоя работают как единый монолитный лист, а тот факт, что прочностные характеристики защитного слоя выше, чем основного слоя, говорят о том, что при расчете на проч­ность аппаратов из двухслойной стали можно принимать полную толщину листа; в расчетных же формулах следует учитывать модули Юнга обоих слоев, которые практически принимают одинаковыми для таких двухслойных листов, как Ст. 3 + ЭИ496, 20К + ЭИ496 и т. п.

Стали Ст. 3 + ЭИ496 и 20К 4- ЭИ496 широко применяют в аппа­ратуре нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Ректи­фикационные колонны, испарители, корпуса теплообменников, се­параторы низкого давления технологических установок, перерабаты­вающих сернистые нефти, изготовляют из сталей Ст. 3 + ЭИ496; реакционные и коксовые камеры и сепараторы высокого давления крекинг-установок, работающие при более высоких температурах, изготовляют из двухслойного проката марки 20К + ЭИ496.

Реакционные камеры термического крекинга, работающие при более высоком давлении, изготовляют из стали 12МХ + ЭИ496 или 12ХМ + ЭИ496, что более предпочтительно.

Механические свойства при различных температурах основного слоя сталей Ст. 3 и 20К идентичны свойствам монолитного металла этих марок и приведены в табл. II. 1, а свойства металла легированного слоя можно определить из приведенных данных для стали соответ­ствующей марки.

Применение двухслойной стали Ст. 3 + 1Х18Н9Т и 20К + + 1Х18Н12М2Т ограничено нормами [63] и температурой 200° С из-за опасения, что двухслойный металл из материалов с разными коэффициентами линейного термического расширения (для стали Ст. 3 коэффициент а = 12 • 10^-6, а для сталей 1Х18Н9Т или 1Х18Н12М2Т а = 18 • 10^-6) при температурах выше 200° С будет подвергаться короблению и даже расслоению. Однако при штамповке днищ из двухслойного проката Ст. 3 + 1Х18Н9Т лист нагревают до значительно более высоких температур (порядка 750° С) и при этом ни коробления, ни расслоения днищ не происходит. Известен и дру­гой факт, когда вакуумную колонну из углеродистой стали с темпе­ратурой среды 420° С облицовали тонкой листовой сталью 1Х18Н9Т при помощи приварки нержавеющего слоя к основному электроза­клепками. Облицованная колонна работала надежно достаточно про­должительное время. Все это дает основание полагать, что двухслой­ный прокат Ст. 3 + 1Х18Н9Т и 20К + 1X18II12MT следует допу­стить для применения до 400° С. Предстоит задача этот предел тем­ператур подтвердить расчетами и экспериментами и выяснить истин­ную величину возникающих температурных напряжений.

В последнее время начали широко применять для аппаратов, работающих под давлением, двухслойный прокат, где основной слой вместо стали Ст. 3 или 20К заменен низколегированной сталью 16ГС (ЗН) повышенной прочности. Это дает в ряде случаев экономию металла и средств.

СТАЛЬНЫЕ ОТЛИВКИ

Большое количество элементов нефтезаводского оборудования имеет сложную конфигурацию, которую можно только отлить. К та­ким элементам относятся корпуса арматуры, насосов, компрессоров, соединительные части трубопроводов, печные двойники и другие детали.

Материал для стальных отливок подбирают в зависимости от аг­рессивности перерабатываемого продукта. Для малоагрессивной и среднеагрессивной сред применяют отливки из углеродистых сталей, изготовляемые по ГОСТ 977-58. По действующим нормам [63] от­ливки из углеродистой стали 20Л-П можно применять при темпера­турах от —40 до +450° С. При температурах ниже —40° С (от —70° С) применяют сталь 20ХНЗА-Л, обладающую большей ударной вязко­стью при минусовых температурах, чем углеродистые стали, а при более низких температурах (до —160° С) — сталь 1Х18Н9Т-Л или ее малоникелевые заменители 0Х21Н5Т (ЭП53) и 0Х21Н6М2Т(ЭП54), содержащие 5—6% никеля вместо 8—10% в стали 0Х18Н9Т-Л.

При температурах более 450° С в зависимости от агрессивности среды, температуры и давления применяют отливки из сталей 20ХМ-л, Х5М-л, Х5В-л, Х8В-л, Х18Н9Т-л, ЭИ316 и Х23Н7С-л.

По ГОСТ 977-58 отливки из углеродистой стали по содержанию вредных примесей (серы и фосфора) делятся на три группы (табл. II. 28).

В табл. II. 29 даны перечень марок сталей для отливок, их хими­ческий состав, механические свойства и область применения отливок.

При использовании углеродистых отливок в качестве деталей нефтезаводского оборудования нужно учитывать их группу, так как от этого зависят надежность и работоспособность отливок в эксплуа­тации. Для работы при пониженных температурах рекомендуются отливки III группы сталей 15Л, 20Л и 25Л.

Для работы при повышенных температурах лучше использовать стали 20Л и 25Л групп II и III. В табл. II. 30 приведены механиче­ские свойства стали 25Л.

Сталь 20ХМЛ как значительно более прочную при повышенных температурах (табл. II. 31) применяют до + 540° С.

Отливки из стали 20ХНЗА-Л поставляют после двухкратного улучшения. В этом состоянии металл сохраняет высокую ударную вязкость при низких температурах (до —80° С), поэтому отливки из него годны для работы на установках с низким температурным режи­мом (например, на установках депарафинизации топлив и масел).

Отливки из среднехромистых сталей Х5Т-л. Х5М-л, Х5В-л и Х8В-л (табл. II. 32) широко применяются в оборудовании нефтепере­рабатывающих и нефтехимических заводов как коррозионноустойчивые в горячих сернистых нефтях и жаропрочные при температу­рах до 550° С (см. табл. II. 29 и 11.32), (исключая Х5Т-л, которая применяется до 425° С).

При температурах выше 550° С или в очень тяжелых коррозион­ных условиях используют отливки из сталей 1Х18Н9ТЛ или Х18Н12М2Т-л (табл. П. 33).

Сталь ЭИ316, несмотря на поставку ее только по химическому составу (см. табл. II. 29), оправдала себя в эксплуатации и широко применяется в нефтеперерабатывающей промышленности как жаро­упорное литье для подвесок и решеток печных труб. Некоторые свойства этой стали даны в табл. II. 34.

Отливки из стали Х23Н7С-Л начали применять недавно, их рабо­чие свойства проверены недостаточно. Поэтому пока особо важные элементы аппаратуры изготовляют из стали ЭИ316.

ОТЛИВКИ ИЗ ЧУГУНА

Из чугунов отливают корпуса арматуры и насосов, тарелки рек­тификационных колонн и их детали. Бойки для очистки печных труб от кокса выполняются из отбеленного чугуна. Свойства отливок из серого чугуна определяются структурой основной металлической массы и характером распределения в ней графитовых включений. Временное сопротивление разрыву σ_в зависит от прочности основ­ной металлической массы, количества и характера залегания графита в ней. Графит, уменьшая рабочее сечение основной металлической массы и играя роль надрезов — концентраторов напряжений, с од­ной стороны, ослабляет, а с другой стороны, вызывает местные пере­напряжения. Временное сопротивление разрыву особенно резко снижается, если графит расположен в виде цепочек, пронизывающих сечение отливки. С увеличением содержаний кремния в чугуне коли­чество графита возрастает и основная металлическая масса стано­вится более ферритной, что сопровождается уменьшением прочности чугуна (см. табл. II. 35).

Марганец препятствует графитизации чугуна и тем самым повы­шает его прочность. Фосфор в количестве до 0,3% слегка повышает прочность чугуна; при содержании его свыше 0,5% снижается проч­ность на разрыв.

Никель, хром, молибден, ванадий, вольфрам способствуют обра­зованию перлитной структуры основной металлической массы, раз­мельчению графита и тем самым повышают прочность чугуна.

Путем модифицирования и подбора соответствующей шихты также получаются высокопрочные чугуны с перлитной или феррит­ной структурой и мелко распределенным графитом, приближаю­щиеся по своим свойствам к стали. Наконец, при обработке жидкого чугуна магниевой лигатурой получают высокопрочный чугун с пер­литной или ферритной структурой и изолированным шаровидным графитом. Этот чугун обладает высокими механическими свойствами и по своему качеству приближается к литой стали. В табл. II. 36, II. 37 и II. 38 приведены марки серых, ковких и высокопрочных чугунов, выпускаемых нашей промышленностью и пригодных для применения на заводах нефтепереработки и нефтехимического син­теза. Там же указаны механические свойства и область применения каждой марки чугуна.

Сопротивление чугунов сжатию мало зависит от количества гра­фитовых включений и колеблется в пределах от 50 до 100 кГ/мм².

Ударная вязкость а_к серых чугунов незначительна и зависит от структуры чугуна. Величина ее колеблется в пределах ОД-0,4 кГм/см².

Графитные включения в чугуне понижают чувствительность его к искажению силовых линий при надрезах на поверхности и способ­ствуют выравниванию напряжений по сечению элементов, находя­щихся под нагрузкой. Это имеет важное значение для работоспособ­ности чугуна, особенно при знакопеременных нагрузках. Предел усталости чугуна менее зависит от состояния поверхности (механи­ческой обработки), чем предел усталости стали. Это обстоятельство часто определяет применение чугуна в тяжелых условиях работы. При повышенных температурах чугун подвержен так называемому «росту», заключающемуся в том, что происходят необратимые изме­нения объема, разрыхление чугуна. Чугун, подвергающийся росту, теряет свои механические свойства и плотность (табл. П. 39).

Благодаря высокой прочности шаровидного чугуна (табл. II. 40) при повышении температуры, его можно широко применять в нефтезаводском оборудовании и оборудовании нефтехимического синтеза.

Кроме отливок из серого, модифицированного и высокопрочного чугуна, промышленность производит отливки из специальных чугунов, поставляемых по ГОСТ 7769-55 и применяющихся в нефтезаводском оборудовании.

Химический состав этих отливок и область их применения в нефтезаводском оборудовании приведены в табл. II. 41.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Цветные металлы применяют в нефтезаводском оборудовании и в оборудовании установок нефтехимического синтеза в сравни­тельно ограниченных количествах, главным образом, как коррозионноустойчивые или как обладающие специфическими свойствами, не присущими металлам на железной основе. В табл. П. 42 приве­дены механические свойства и химический состав цветных металлов, которые применяют в оборудовании нефтеперерабатывающих уста­новок.

Красную медь высокой чистоты применяют в средах, содержа­щих фосфорную кислоту или катализатор, на котором нанесена фосфорная кислота, например в реакторах установок синтеза спирта из нефтяных газов. Реакторы в этих установках облицовывают листо­вой медью высокой чистоты (не менее 99,9% Си). Внутренние устрой­ства этих реакторов выполняют из такой же меди. Красную медь меньшей чистоты марки Ml используют для изготовления оборудо­вания, соприкасающегося со слабыми растворами серной кислоты, например в аппаратуре установок по производству метилэтилкетона (МЭК) и ему подобных.

Кислород мало растворим в твердой меди. При затвердевании меди кислород выделяется в виде эвтектики: медь — закись меди, которая распределяется по границам зерен. Как в отожженной, так и в холоднотянутой меди кислород слегка повышает предел прочности, но значительно снижает удлинение. Он отрицательно сказывается на технологических свойствах меди. Например, медь, содержащая 0,1% О₂, легко разрушается при обработке давлением в горячем состоянии.

Наличие кислорода снижает также коррозионную стойкость меди. Водород делает медь хрупкой.

Медь обладает довольно высокими механическими свойствами как при комнатных, так и при пониженных температурах. В табл. II. 43 приведены механические свойства меди МЗ.

При повышенных температурах прочность меди сильно снижается (табл. П. 44).

Наиболее распространенные медноцинковые сплавы или ла­туни ЛО70-1¹ и ЛО62-1¹обладают по сравнению с чистой медью

¹ В последнее время у нас и за рубежом латуни ЛО 70-1 стабилизируют мышьяком для лучшей сопротивляемости их деоцинкованию в агрессивной воде, в том числе морской. При охлаждении конденсаторов морской водой трубки выполняются из алюминиевой латуни Ла77-2, стабилизированной мышьяком.

значительно более высокими механическими свойствами. В зависи­мости от обработки (степени деформации при прессовании или про­катке), протяжки, температуры и продолжительности отжига меня­ются механические свойства латуни. Латунь может быть в твердом, полутвердом и мягком состояниях. Конденсаторные трубки из латуни ЛО70-1 применяют чаще всего в мягком состоянии, решетки же из латуни ЛО62-1 — в твердом. Механические свойства трубок из латуни ЛО70-1 и ЛО62-1 (ГОСТ 494-52) указаны в табл. И. 45.

Коррозионная стойкость (потери веса в г/м² в сутки в морской воде) для полутвердой ЛО62-1 составляет 0,55, а для твердой — 1,51.

Для трубных досок применяют латунь ЛО62-1 в твердом либо в полутвердом состоянии. В этом случае разница в твердости (или прочности) в металле труб и трубных досок вполне достаточна, чтобы надежно развальцевать трубку в решетке, не повредив отверстие под трубку. Изменение механических свойств твердой латуни ЛО62-1 с повышением температуры дано в табл. II. 46.

Медные сплавы, в которых основными легирующими компонен­тами являются олово, алюминий, марганец, кремний, бериллий, железо и другие элементы, называются бронзами. Марка бронзы обозначается по основному легирующему компоненту. Бронзы делятся на две основные группы: оловянистые, преобладающим легирующим компонентом в которых является олово, и безоловянистые, содержащие другие легирующие компоненты. По своим свой­ствам эти бронзы не уступают оловянистым и даже зачастую пре­восходят их. В зависимости от назначения и свойств бронзы делятся на деформируемые и литейные. В оборудовании нефтезаводов и заво­дов нефтехимического синтеза наибольшее распространение нашли алюминиевые бронзы. Они обладают достаточно высокими механи­ческими и антифрикционными свойствами, хладостойки, немагнитны и не дают искры при ударах о другие металлы. Хорошая коррозион­ная стойкость в средах, содержащих слабую соляную кислоту, по­зволяет задвижки из алюминиевой бронзы БРАЖ9-4 использовать на линиях нестабильного бензина установок, перерабатывающих засоленные нефти, где задвижки, изготовленные из черных метал­лов (железа), неустойчивы.

Интересно отметить, что содержание железа в алюминиевой бронзе способствует повышению ее коррозионной стойкости, а в крем­нистых бронзах — снижению.

Изменение механических свойств алюминиевых бронз с пониже­нием температуры показано в табл.II. 47 и II. 48.

Ударная вязкость бронз хорошо сохраняется до температуры -70° С.

Алюминиевожелезная бронза марки БРАЖ9-4 обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами, а также хорошей коррозионной стойкостью. Механические свойства литой бронзы приведены в табл. II. 49, а изменение свойств в зависимости от тем­пературы дано в табл. II. 50.

Бериллиевые бронзы благодаря их высоким механическим свой­ствам в состоянии после закалки, отпуска и деформации, а также потому, что они не дают искры при ударе, применяют для деталей вакуум-фильтров, в частности в виде проволоки для крепления ткани в фильтрах. После закалки при 800° С, двухчасового отжига при 300° С и холодной протяжки предел прочности и текучести проволоки не менее чем σ_в — 130 кГ/мм² и σ_0,2 = 85 кГ/мм², кроме того, с тече­нием времени пребывания под нагрузкой проволока не дает замет­ных остаточных удлинений, что очень важно.

Алюминий и его сплавы отличаются высокой коррозионной стой­костью в серусодержащих средах. Он хорошо противостоит жирным кислотам, образующимся при окислении парафина и петролатума, поэтому его применяют в окислительных колоннах этих установок, причем для них необходим чистый алюминий, так как примеси резко понижают коррозионную стойкость. Алюминий обладает низкими механическими свойствами при комнатных температурах.

Повышение прочности при некотором снижении пластичности алюминия достигается наклепом. Причем чем больше холодное де­формирование, тем выше предел прочности.

Изменение механических характеристик технического алюминия с повышением температуры показано в табл. П. 51.

Алюминий и его сплавы являются хладостойкими материалами. Ударная вязкость их сохраняется почти до температуры жидкого воздуха (—196° С). Влияние низких температур на механические свойства технического алюминия показано в табл. II. 52.

Сплавы алюминия с магнием АМГ1, АМГ2 и АМГЗ, содержащие соответственно 0,5—1,8%, 1,8—2,8% и 3,2—3,8% магния, обладают более высокой прочностью, чем технический алюминий, при сохране­нии коррозионной стойкости и хорошей хладостойкости, что дало возможность широко использовать их в нефтяном и нефтехимическом оборудовании.

Свинец благодаря исключительной стойкости в слабых растворах серной кислоты применяется в оборудовании нефтеперерабатываю­щих заводов и заводов нефтехимического синтеза в основном для обкладки аппаратов и внутренних их устройств. Технический сви­нец С2, нашедший более широкое применение для этих целей, обла­дает низкими механическими свойствами, особенно при повышен­ных температурах (табл. II. 56), поэтому часто приходится поверх свинцовой обкладки ставить футеровку плиткой или другим тепло­изолирующим материалом.