Лекция 3. Высоколегированная сталь, применяемая для изготовления нефтезаводской и нефтехимической аппаратуры. Окалиностойкая и жаропрочная сталь

Аппаратура нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов работает в очень тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоко агрессивных рабочих сред при высоких температуре и давлении. Поэтому сталь, применяемая для изготовления аппаратуры, должна обладать высокой сопротивляемостью к коррозии, окалиностойкостью и жаропрочностью. Кроме того, сталь должна иметь достаточно высокие механические и технологические свойства и, прежде всего, хорошо свариваться, так как почти вся аппаратура выполняется сварной, исключая группу кованых аппаратов, работающих при высоком давлении.

Наиболее полно требуемые свойства удовлетворяются высоколегированной сталью с особыми физико-химическими свойствами (нержавеющие, окалиностойкие, кислотостойкие и жаропрочные стали). Из этой стали в настоящее время изготовляют всю наиболее ответственную нефтезаводскую и нефтехимическую аппаратуру.

Нержавеющая и кислотостойкая сталь. Примерно 33 % вводимого ежегодно в эксплуатацию металла выходит из строя вследствие коррозии. Особенно большие размеры приняла коррозия в нефтяной промышленности: около 1/8 всех разрушений металла от коррозии приходится на нефтяную промышленность, причем коррозии подвергается не только углеродистая, но и высоколегированная сталь. Как показала практика, наиболее интенсивное разрушение в результате коррозии наблюдается в следующих узлах аппаратуры:

а) печное оборудование (печные трубы, ретурбенды, арматура);

б) погоноразделительная аппаратура (эвапораторы, ректификационные колонны);

в) конденсационно-холодильная аппаратура и продуктовые емкости.

В наиболее тяжелых условиях работают печные трубы, наружная поверхность которых непосредственно обогревается горячими топочными газами с температурой примерно 500 °С и выше, а внутренняя — контактирует с горячей агрессивной нефтью и ее дистиллятами, которые в процессе нагрева выделяют активную серу. Кроме того, трубы работают при повышенных давлениях и больших скоростях потока агрессивных сред.

В тяжелых условиях работают также трубные решетки, подвески и кронштейны. Находясь в топочном пространстве, они подвергаются воздействию высоких температур (до 1000 °С) раскаленных газов, что приводит к быстрому выходу их из строя. Продолжительность службы ректификационных колпачков из углеродистой стали в условиях переработки сернистой нефти не превышает 4—6 месяцев. Чрезвычайно сильная коррозия наблюдается в аппаратах, где конденсируются водяные пары и наиболее легкие фракции (в трубах, холодильниках, газосепараторах, конденсаторах, теплообменниках и т. п.).

Интенсивная коррозия вызывает нарушение нормальной работы аппаратуры, простои оборудования, безвозвратную потерю металла, перешедшего в продукты коррозии.

Одной из наиболее эффективных мер борьбы с коррозией аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов является применение специальных нержавеющих и кислотостойких сталей.

Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является хром, повышающий сопротивление коррозии. Влияние хрома на коррозионную стойкость объясняется способностью образовывать на поверхности стали устойчивую защитную пассивирующую пленку оксидов. Эта пленка, несмотря на очень незначительную толщину, предохраняет металл от коррозии. Образование защитной пленки на поверхности стали сопровождается повышением электродного потенциала. Изменение электродного потенциала и, следовательно, коррозионной стойкости стали происходит не постепенно с увеличением содержания хрома, а скачкообразно.

Электродный потенциал резко повышается при содержании хрома более 12 %. Поэтому минимальное содержание хрома в нержавеющей стали должно составлять примерно 12 %. Так как коррозионная стойкость хромистой стали зависит от пассивирующего свойства хрома, эта сталь обладает стойкостью лишь в той среде, которая способствует образованию защитных пленок, и разрушается, если среда препятствует образованию пленки или, если ионы агрессивной среды настолько малы, что они могут проникать через поры пленки (например, ионы хлора). Так, в азотной кислоте любой концентрации и концентрированной серной кислоте, в воздухе, в парах воды, в большинстве органических сред, не обладающих восстановительными свойствами, и т. д. хромистая сталь имеет хорошую стойкость. В то же время хромистая сталь не обладает достаточной стойкостью в соляной и в слабой серной кислоте, а также в растворах хлористых солей. С увеличением содержания углерода коррозионная стойкость хромистой нержавеющей стали падает. Это объясняется тем, что коррозионная стойкость стали определяется количеством хрома, находящимся в твердом растворе. Углерод, образуя с хромом карбиды, обедняет твердый раствор, что может привести к понижению концентрации хрома в твердом растворе ниже порога устойчивости (12 % Сr).

Кроме того, между карбидами хрома и твердым раствором возможна коррозия вследствие образования электрохимической пары, что и происходит при повышенных концентрациях углерода, когда образуются сложные карбиды (FеСr)₇ С₃, имеющие электродный потенциал, значительно отличающийся по величине от потенциала твердого раствора. При малых концентрациях углерода образуется карбид (FeCr)₄C, который имеет потенциал, близкий к потенциалу твердого раствора, и электрохимической пары не образуется.

Таким образом, чем выше содержание углерода, тем большая концентрация хрома требуется для сохранения коррозионной стойкости, и наоборот, коррозионная стойкость стали при постоянном содержании хрома будет тем выше, чем ниже концентрация углерода. В стали с содержанием хрома 12—14 % резкое падение потенциала наблюдается при концентрации углерода примерно 0,4 % (рисунок 3.1). Поэтому в хромистой нержавеющей стали (с содержанием хрома 12—14 %) содержание углерода не должно превышать 0,4 %. Хромистая нержавеющая сталь, содержащая 12 % Сr, обладает полиморфным превращением α ↔ g и, следовательно, может подвергаться термической обработке. Структура хромистой стали зависит от содержания углерода. При содержании до 0,1 % С после закалки с 920 – 950 ^оС в масле структура стали обычно состоит из мартенсита и феррита, а при 0,2 – 0,4 % С - имеет мартенситную структуру. При нагреве стали во время закалки происходит растворение карбидной фазы в твердом растворе; последующее быстрое охлаждение стали фиксирует структуру мартенсита с некоторым количеством карбидов. При закалке хромистой стали необходимо ее нагревать до высокой температуры, так как карбиды хрома весьма устойчивы и растворяются лишь при высокой температуре. Отпуск вызывает выделение мелкодисперсных карбидных частиц из α-раствора.

Рисунок 3.1 - Влияние концентрации углерода хромистой нержавеющей стали на ее электродный потенциал (содержание хрома 13—15 %)

В зависимости от температуры отпуска соответственно изменяются механические свойства хромистой стали. При температуре отпуска 450—550° С наблюдается значительное падение ударной вязкости (рисунок 3.2), сопровождающееся также ухудшением коррозионной стойкости. Поэтому отпуск производят либо ниже 400, либо выше 600 °С. Обычно термическая обработка нержавеющей хромистой стали, содержащей 12 % хрома, заключается в закалке с 1000—1050 °С

в масле и отпуске при 600 – 780 ° С. Хромистая сталь характеризуется склонностью к отпускной хрупкости, поэтому после отпуска ее следует охлаждать быстро (в масле).

Содержание хрома более 12 % повышает коррозионную стойкость стали. К таким сталям относится высокохромистая нержавеющая сталь с 17—30 % хрома. При незначительном содержании углерода (до 0,10%) эта сталь не испытывает фазовых превращений (α↔g) и относится к стали ферритного класса. При содержании углерода свыше 0,10 % сталь приобретает частичную способность к превращению α↔g и может быть отнесена к полуферритному классу. Высокохромистая сталь обладает хорошей кислотостойкостью и высокой окалиностойкостью (при содержании 17—18 % Сr — до 700 – 800 °C, а при содержании25-30 % Сr — до 1100 ° С).

Рисунок 3.2 - Зависимость механических свойств стали типа 1Х13 от температуры отпуска. Закалка с 980 оС в масле

Наиболее распространенным и рекомендуемым режимом термической обработки высокохромистой стали является отжиг при 760— 780 оС с последующим охлаждением на воздухе или вместе с печью. В результате такой термообработки сталь приобретает наиболее равновесную структуру в виде ферритокарбидной смеси, характеризующейся благоприятным сочетанием прочности и коррозионной стойкости. Иногда применяется также нагрев и выдержка стали при 850—900 °С в течение нескольких часов с последующим быстрым охлаждением. При этом наблюдается растворение карбидов и несколько повышается пластичность.

Необходимо отметить, что введение в высокохромистую сталь небольшого количества титана (до 0,8 %) уменьшает склонность к росту зерна, повышает антикоррозионные свойства и несколько повышает пластичность. Хромистые нержавеющие стали широко применяются в нефтяной и нефтехимической промышленности.

Существует оценка коррозионной стойкости нержавеющей стали в различных средах по пяти бальной шкале со следующими градациями потерь веса металла от коррозии.

Потеря веса, г/м². ч Балл

Менее 0,10..............…………………………………. 1

От 0,1 до 1,0............……………………………… 2

От 1,0 до 3.0.............. …………………………….. 3

От 3,0 до 10,0.............. ……………………………….. 4

Свыше 10................ ………………………………….. 5

Таблица 3.1 - Коррозионная стойкость нержавеющей стали в различных средах

Среда, концентрация, %	Температура испытания, оС	Марка стали
1Х13	2Х13	Х18	Х17	Х28	0Х18Н9	1Х18Н9Т	1Х18Н11Б	Х18Н12М2Т
Ртуть хлорная (сулема):
0,1		2-3	2-3	-
0,1	Кипения			-
0,7				-
0,7	Кипения			-
Свинец азотно-кислый:
	Кипения	-	-	-	-	-
			1-
				-
	Кипения			-1
Серебро азотно-кислое (ляпис):
				-
	Кипения	-	-	-	-	-

Сталь марок 1X13 и 2X13 применяется для изготовления валов и втулок горячих центробежных насосов, для штоков и уплотнительных колец горячей арматуры, крепежных и других деталей внутренних устройств аппаратуры при переработке горячих агрессивных сернистых нефтей.

Сталь марки 3X13 служит для тех же целей, что и сталь марок 1X13 и 2X13. Сталь 4X13 используется для изготовления деталей машин и приборов, работающих на износ при высоких нагрузках и воздействии коррозионной среды.

Для изготовления пружин, предохранительных клапанов, работающих при температуре 300—400 ^о С, применяется сталь 08X13 с пониженным содержанием углерода — 0,08 %. Сталь 08X13 используется как нержавеющий слой двухслойного листового проката на углеродистой основе, а также для изготовления ректификационных тарелок, колпачков и других элементов внутренних устройств аппаратуры. Эта же сталь применяется для овальных прокладок, работающих в среде коррозионных нефтепродуктов, сернистом газе, сероводороде и др. при максимальном рабочем давлении 4000 МПа и температуре до 540 °С.

Сталь марок Х25 и Х28 применяется для изготовления конусов топок, работающих под давлением, насадок для нефтяных форсунок, чехлов термопар, порогов топок и других печных деталей. Сталь с высоким содержанием углерода марки Х18 применяется для коррозионно-стойких подшипников в нефтеперерабатывающей промышленности. Дальнейшее повышение коррозионной стойкости хромистой нержавеющей стали может быть достигнуто введением в нее никеля. В настоящее время в промышленности широко применяется ряд марок хромоникелевой нержавеющей стали с содержанием от 18 до 25 % хрома и от 8 до 20 % никеля.

Наиболее широко применяется сталь с содержанием 18 % хрома и 8 % никеля и с небольшим содержанием углерода (до 0,2 %). Имея высокую коррозионную стойкость при повышенной прочности и пластичности и хорошую свариваемость, хромоникелевые нержавеющие стали нашли широкое применение для изготовления нефтехимической заводской аппаратуры.

Совместное влияние пассивирующего воздействия хрома и однородной аустенитной структуры придает хромоникелевой нержавеющей стали наивысшую коррозионную стойкость. Нержавеющую хромоникелевую сталь закаливают с температуры 1050—1100 °С в воде. Применение ускоренного охлаждения обусловливается тем, что при более медленном охлаждении из аустенита иногда успевают выделиться хромистые карбиды, особенно при содержании углерода выше 0,1 %. Присутствие в аустените карбидов хрома вызывает снижение коррозионной устойчивости стали, так как аустенит обедняется хромом и образуются электрохимические пары между карбидами и аустенитом. После закалки хромоникелевая сталь характеризуется пластичностью при умеренной твердости и достаточной прочности. Её механические свойства в закаленном состоянии следующие: σ_в = 700 МПа, σ_т=259 МПа δ=50 %, ψ=65 %, 150 НВ. Необходимо отметить, что для аустенитной стали характерно низкое отношение предела текучести к пределу прочности.

Эффективный метод упрочнения стали – холодная деформация, что связано с фазовым превращением γ↔ α. Обладая высокой коррозионной стойкостью и хорошими технологическими свойствами, аустенитная нержавеющая сталь при определенных условиях склонна к межкристаллитной коррозии — в этом ее существенный недостаток.

Межкристаллитная коррозия представляет собой такой вид коррозии, когда под воздействием определенной агрессивной среды коррозионный процесс протекает только по границам зерен. В результате этого связи между зернами ослабевают, они разобщаются между собой и возникают трещины, которые делают металл непригодным к эксплуатации. Межкристаллитная коррозия редко может быть обнаружена путем визуального наблюдения, поэтому для ее выявления применяются специальные методы. Межкристаллитная коррозия вызывает в начальной стадии понижение пластичности и вязкости сплава, а затем его разрушение. Склонность нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии зависит, главным образом, от состава стали, условий термической обработки, режимов сварки и характера коррозионной среды и проявляется при нагреве в температурном интервале 450—850 °С. При этом большое значение имеет время выдержки в указанном интервале температур.

Межкристаллитную коррозию в аустенитной нержавеющей стали можно предотвратить различными методами.

1. Снижение содержания углерода до 0,02—0,04 %, что исключает карбидообразование при нагреве стали в интервале опасных температур, и устраняет склонность к межкристаллитной коррозии. Кроме того, такая малоуглеродистая аустенитная сталь благодаря отсутствию карбидных включений обладает очень высокой пластичностью. Важно отметить, что в последние годы в некоторые стандарты введены марки нержавеющей стали с содержанием углерода до 0,03 %, без титана и ниобия. К таким сталям относятся, например, стали, содержащие (18—20 % Сr; 8—12 % Ni) и (16—18 % Сr; 10—14 % Ni; 2—3 % Mo). Кроме того, в новых технических условиях максимальное содержание углерода снижено с 0,20 до 0,15 %.

2. Использование феррито-аустенитной стали за счет введения ферритообразующих элементов. Наличие в структуре стали феррита в количестве 10—20 % сообщает стали меньшую восприимчивость к межкристаллитной коррозии, что можно объяснить значительно большей скоростью диффузии хрома в феррите, чем в аустените. Однако следует иметь в виду, что присутствие феррита заметно снижает пластичность стали, что затрудняет технологию ее горячей обработки.

3. Введение в сталь ряда легирующих элементов (титана, ниобия, молибдена, ванадия и др.), которые стабилизируют карбидную фазу и придают ей малую растворимость в твердом растворе. Карбидообразующие элементы, соединяясь с углеродом в виде карбидов, снижают количество углерода в стали, и при ее нагреве в опасном интервале температур устраняется склонность к межкристаллитной коррозии. Наиболее широко практикуется введение в сталь титана и ниобия. Для предотвращения межкристаллитной коррозии содержание титана по отношению к углероду в стали должно быть пятикратным, а ниобия — десятикратным. Минимальное количество карбидов титана в стали, достаточное для предотвращения межкристаллитной коррозии при температуре около 450 °С, может быть определено по следующей эмпирической формуле [27]:

TiC > 5 [С – 625^.10^-5√2^n-1(Cr -16,7)] (3.1)

где TiC —содержание карбида титана; С - углерода; Сг хрома; n — размер зерна.

Очевидно, что количество карбидов титана, необходимое для предупреждения межкристаллитной коррозии, должно быть тем больше, чем выше содержание углерода, ниже содержание хрома и меньше размер зерна.

4. Термическая обработка при температуре, обеспечивающей растворение карбидной фазы в твердом растворе с последующим быстрым охлаждением для фиксации гомогенного хромоникелевого аустенита. Для хромоникелевой стали, содержащей титан, иногда рекомендуется применять стабилизирующий отжиг при температуре 850—900 °С с выдержкой, обеспечивающей гомогенизацию аустенита (обычно 3—5 ч). В результате такого отжига диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию хрома в зерне аустенита, протекают с большой скоростью, и обеднение границ зерна хрома не наблюдается.

Хромоникелевая сталь марок ОХ18Н9, 1Х18Н9 и 1Х18Н9Т обладает высокой устойчивостью против коррозии во влажном и сухом сернистом ангидриде при температуре выше 300 °С в высокотемпературных участках аппаратуры и трубопроводов установок, перерабатывающих нефтепродукты (содержащие нафтеновые кислоты), в растворах соляной кислоты низкой концентрации (до 3,5 %) при комнатной температуре, в сухом хлористом водороде до температуры 250 ° С, в серной кислоте низкой концентрации (до 5 %) и в растворах сернокислого алюминия при нормальной температуре.

В нефтезаводской аппаратуре листовой прокат стали марок 0X18Н9 и 1Х18Н9Т применяется для изготовления сварной аппаратуры, предназначенной для работы при температуре до 650 ° С (например, регенераторов и реакторов каталитического крекинга) и в некоторых агрессивных средах на холоде. Сортовая сталь этих марок (прежде всего марки 1Х18Н9Т) применяется для изготовления деталей насосов и арматуры, работающих при температуре до 650 °С, для крепежных деталей внутренних элементов колонн и машин, соприкасающихся с агрессивной горячей сернистой нефтью. Печные и коммуникационные трубы из стали марок ОХ18Н9 и 1Х18Н9Т используются для высокотемпературных линий, например, регенерационной системы каталитического крекинга, для деструктивной гидрогенизации, производства неогексана, а также при переработке наиболее агрессивных сернистых нефтей. Проволока из стали ОХ18Н9 и 1Х18Н11Б применяется для сварки стыков, в которых не должно быть межкристаллитной коррозии. Сталь марок 0X18Н9 и 1Х18Н9Т используют также для изготовления овальных прокладок, работающих в среде коррозионных нефтепродуктов, водяном паре, нейтральных и коррозионных газах и парах при рабочем давлении до 4000Мпа и температуре до 550 °С.

При применении нержавеющей хромоникелевой стали для изготовления аппаратов, работающих при высокой температуре, необходимо иметь в виду, что коэффициент линейного расширения этой стали в 1,4—1,5 раза больше, чем углеродистой стали, а теплопроводность минимум в 3 раза меньше. Наряду с хромоникелевой нержавеющей сталью применяется также сталь более сложного состава. Присадка в хромоникелевую сталь молибдена увеличивает химическую стойкость стали по отношению к растворам, содержащим ионы хлора, и к неокислительным средам (горячие растворы сернистой кислоты, фосфорная и уксусная кислоты при кипении и др.).

Молибден, помимо общего увеличения химической стойкости стали, снижает также склонность последней к межкристаллитной коррозии, но не устраняет ее полностью. Поэтому, кроме молибдена, в сталь вводят титан. Молибден является ферритообразующим элементом и изменяет структуру хромоникелевой стали, действуя аналогично хрому, в связи с чем, для сохранения аустенитной структуры необходимо большее содержание никеля (на 2—4 %).

Хромоникельмолибденовая нержавеющая сталь марок Х18Н12М2Т и Х18Н12МЗТ применяется для облицовки и изготовления элементов нефтезаводского и нефтехимического оборудования, соприкасающихся со слабой серной кислотой, сернистой, кипящей фосфорной, муравьиной и уксусной кислотами. Кроме того, из стали этих марок изготовляют детали оборудования установок сернокислотного алкилирования, соприкасающихся с горячими сернокислыми растворами, а также детали оборудования катализаторных фабрик, соприкасающихся с растворами сернокислого алюминия в присутствии свободной H₂ S04.

Окалиностойкой (жаростойкой) сталью называют высоколегированную сталь, обладающую стойкостью против газовой коррозии при высокой температуре.

Повышение окалиностойкости достигается, в основном, введением в сталь хрома, алюминия и кремния, образующих при нагреве плотные оксидные пленки: (Сr, Fe)₂ Оз; (Al, Fe)_{2 3} и другие, защищающие основной металл от окисления. Этот защитный слой оксидов на поверхности металлов образуется вследствие более высокого, чем у железа, химического сродства с кислородом у хрома, алюминия и кремния. Хром является основным элементом, входящим в состав окалиностойкой стали. При повышении содержания хрома интенсивное окисление начинается при более высоких температурах. Чем выше рабочая температура детали, тем больше должно быть содержание хрома. Введение в сталь 5 — 8 % Сr повышает окалиностойкость до 700— 750 °С, 15-17 % Сr — до 950— 1000 °С, а 25 % Сr — до 1100 °С.

Таблица 3.2 - Химический состав окалиностойкой стали первой группы

Марка стали	Химический состав, %	Температура начала интенсивного окисления, оС
C	Si	Mn	Cr	Ni	Al	S	P
Не более
Х6С	≤0,15	1,5-2,0	≤0,7	5,0-6,5	≤0,6	-	0,03	0,03
Х9С2	0,35-0,50	2,0-3,0	≤0,7	8,0-10,0	≤0,6	-	0,03	0,03
Х12ЮС	0,07-0,12	1,2-2,0	≤0,7	11,5-14,0	≤0,5	1,0-1,8	0,03	0,05

Введение в сталь кремния также способствует значительному повышению окалиностойкости. Однако при введении одного кремния (без хрома) сталь становится крупнозернистой и хрупкой. В сочетании с хромом влияние кремния на окалиностойкость весьма эффективно и широко используется на практике в марках стали, называемых сильхромами.

Присадка алюминия в значительной мере увеличивает сопротивление сплавов окислению при высокой температуре. Однако существенным недостатком железоалюминиевых сплавов является их хрупкость. Для снижения хрупкости в сталь, наряду с алюминием, вводятся хром и кремний.

Окалиностойкая сталь делится на две группы: 1) сталь, стойкая до температуры 850 — 900 °С; 2) сталь, стойкая до температуры 1000-1100 °С.

К первой группе относится сталь марок X6С, Х9С2 и X12ЮС (таблица 3.2); ко второй — сталь с более высоким содержанием хром марок Х25 и Х28.

Сильхромы применяют главным образом для изготовления впускных и выпускных клапанов тракторных и автомобильных двигателей. Сильхром марки X6С используют также для изготовления деталей котлов, работающих с повышенной нагрузкой при температуре до 750 °С. Критические точки сильхромов сильно повышены; температура закалки составляет от 950 до 1100 °С. Отпуск после закалки производят при 700— 800 °С для получения сорбитовой структуры твердостью HRC 25—35. Для улучшения обрабатываемости резанием сильхромы подвергают предварительной термической обработке (высокий отпуск при 800—850 °С). Сильхромы очень чувствительны даже к небольшим колебаниям режимов термической обработки, которые могут привести к значительной хрупкости. Высокое содержание в стали кремния и хрома повышает склонность к отпускной хрупкости.

Значительный интерес для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности представляет сталь, сохраняющая достаточно высокую прочность и окалиностойкость при высокой температуре. Такую сталь называют жаропрочной.

Жаропрочная сталь должна хорошо сопротивляться ползучести и обладать высокой кратковременной и длительной прочностью при высокой температуре. Жаропрочные свойства стали (длительная прочность, предел ползучести) в значительной степени зависят также от микроструктуры, термической обработки, размера зерна, наличия легкоплавких примесей и т. д. Так, аустенитная сталь обладает большей жаропрочностью, чем ферритная. Это связано с тем, что аустенитная сталь имеет более высокую температуру рекристаллизации, чем ферритная. Поэтому ведение в состав стали никеля, а также марганца способствует образованию аустенитной структуры и одновременно повышению ее жаропрочности. Хром — обязательный элемент жаропрочных сталей; он упрочняет твердый раствор и повышает окалиностойкость стали.

Жаропрочность стали и сплавов повышают те легирующие элементы, которые вызывают старение и упрочнение вследствие выделения микроскопических частиц, затрудняющих пластическую деформацию при высокой температуре. Наибольший эффект упрочнения стали достигается в том случае, когда вводится не один, а несколько легирующих элементов, играющих различную роль в повышении жаропрочности стали. Высокая жаропрочность стали в большой степени зависит от режима ее термической обработки. Термическая обработка аустенитной стали состоит из закалки с последующим старением. Нагревать сталь необходимо при очень высокой температуре (1150—1200 °С), чтобы перевести избыточные фазы (карбиды и интерметаллиды типа Ni₃Ti и др.) в твердый раствор. Быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор. Пресыщение твердого раствора легирующими элементами приводит к значительному искажению кристаллической решетки, росту напряжений и дроблению блоков, что увеличивает сопротивление пластической деформации. Во время старения происходит выделение избыточных фаз из твердого раствора. При правильно выбранном режиме старения твердость и жаропрочность сплава повышаются. Выделение избыточных фаз повышает жаропрочность лишь при условии сохранения достаточно высокой легированности твердого раствора. При значительном обеднении твердого раствора и укрупнении избыточной фазы жаропрочность сплава понижается. Старение должно проводиться при температурах, превышающих рабочую температуру в условиях эксплуатации.

Жаропрочность стали зависит также от величины зерна. Крупнозернистая сталь оказывается более жаропрочной, чем мелкозернистая. Особенно опасна неоднородность размера зерна. В зависимости от рабочей температуры жаропрочная сталь делится на две группы: 1) применяемая до температуры (600 — 650 °С; 2) применяемая до температуры 700—800 °С.

В первую группу входит сталь марок: Х5М, Х5СМ, Х7СМ, Х10С2М, 1Х18Н9Т, Х13Н7С2; во вторую — аустенитная сталь марок: Х18Н12М3Т, 4Х14Н14В2М, 1Х14Н14В2М.

В нефтезаводском аппаратостроении сталь марок Х5М, Х6СМ и Х7СМ, имеющая более высокую окалиностойкость, применяется для изготовления печных и коммуникационных труб, работающих при температуре до 600 °С и давлении до 1000 МПа. Из стали этих марок изготовляют также печные двойники, внутренние элементы аппаратов и теплообменные трубки, работающие в агрессивной среде. Характерная особенность 5 %-ной хромистой стали — способность при охлаждении на воздухе после горячей обработки или сварки закаливаться, приобретая высокую твердость. После отжига при температуре 860 °С с медленным охлаждением сталь становится опять мягкой. Сталь марки Х8 рекомендуется для труб тенлообменного и конденсационно-холодильного оборудования, работающего при температуре от —40 до + 420 °С; сталь марки Х8ВФ — для изготовления крекинговых труб, применяющихся на нефтезаводах в качестве печных и коммуникационных труб, работающих при температуре до 550 °С.

При работе с более агрессивными сернистыми нефтями при температуре, не превышающей 700 °С, для изготовления печных труб может быть рекомендована сталь марки Х10С2М. Механические свойства этой стали, полученные при кратковременном испытании на растяжение при различной температуре. Испытания проводились на образцах, прошедших закалку с 1010— 1050 °С в масле, отпуск при 750 ± 30 °С и охлаждение в масле. Как было указано выше, сталь марок 1Х18Н9Т и Х18Н12МЗТ применяется при высокой температуре и давлении при переработке наиболее агрессивных сернистых нефтей.

Исследование сварных соединений из стали 1Х18Н9Т показало, что в результате длительных нагревов наблюдается ухудшение механических свойств в сварных швах при комнатной температуре. Особенно резко снижается ударная вязкость.

Сталь 1Х18Н9Т рекомендуется сваривать электродами из стали ОХ18Н9.

Сталь марки 4Х14Н14В2М применяется для высоконагруженных крепежных деталей: болтов, шпилек и др. Свойства этой стали при комнатной температуре:

а) после нагрева до 820—850 °С, выдержки в течение 2 ч, охлаждения на воздухе: σ _в ≥ 720 МПа; σ _т ≥ 400 МПа; δ ≥ 15 %; ψ ≥ 35 %;

б) после закалки с 1170—1200 °С в воде: σ _в ≥ 700 МПа; δ ≥ 35 %.

Иногда после закалки сталь подвергается старению при 750 °С течение 5ч.

Вследствие относительно высокого содержания углерода сталь типа 4Х14Н14В2М отличается значительной склонностью к старению, причем карбидные фазы при нагреве образуются длительное время. Одновременно воздействие высоких напряжений и температур приводит к большой структурной неустойчивости, связанной с падением жаропрочных свойств при эксплуатации. Стабильность стали 4Х14Н14В2М можно повысить, снизив содержание углерода, например, содержание углерода в стали 1Х14Н14В2М но превышает 0,15 %.

В нефтяном аппаратостроении, наряду с высоколегированной жаропрочной сталью применяется также малолегированная теплоустойчивая сталь для изготовления деталей, работающих при более низкой температуре. К такой стали относится малоуглеродистая сталь марок 15М, 12МХ и среднеуглеродистая сталь марок ЗОХМА, 25Х2МФА. Сталь 15М, содержащая 0,1—0,2 % С и 0,4—0,6 % Мо, применяется для изготовления крупногабаритных сварных аппаратов высокого давления, работающих при температуре 450—525 °С (реакционные камеры, испарители высокого давления, трубопроводы и пр.). Достоинство этой стали — хорошая свариваемость без предварительного подогрева и последующей термической обработки; недостаток — возможность графитизации в зоне термического влияния при сварке. Последний устранен в стали 12МХ, содержащей 0,10—0,18 % С, 0,3-0,6 % Сr и 0,4-0,6 % Мо. Сталь 12МХ применяется, как и сталь 15М, для изготовления сварной аппаратуры, работающей при температуре 450—540 °С с высокими напряжениями в стенках. В нефтяном аппаратостроении применяется также сталь марок ЗОХМА, 35ХМА и 25Х2МФА, которая характеризуется хорошей прокаливаемостью, высокой прочностью и повышенной вязкостью. Сталь этих марок используется для изготовления элементов, работающих при высоких напряжениях и температуре до 525° С (например, осей, болтов, шпилек, валов центробежных насосов и др.).

Рекомендуемая литература:
осн. 1 [93-112]

Контрольные вопросы:

1. Каким воздействия подвергается аппаратура нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов?

2. В каких узлах аппаратуры происходит наиболее интенсивное разрушение?

3. Какой легирующий элемент является основным для всех типов нержавеющих сталей?

4. Что называется межкристаллитной коррозией?

5. Какую роль играет присадка молибдена в хромоникелевую сталь?

6. Что называется жаростойкостью?

7. За счет введения каких легирующих элементов достигается повышение окалиностойкости?

8. Как влияет хром и кремний на окалиностойкость?

9. На какие группы подразделяется окалиностойкая сталь?

10. От каких параметров зависит жаростойкость сталей?