Краткие сведения о материалах, используемых для изготовления нефтегазового оборудования.

Оборудование объектов добычи нефти и газа, нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий работает в самых различных условиях, которые определяются температурой, давлением и агрессивностью среды. Поэтому при изготовлении аппаратуры выбранные материалы должны обладать такими свойствами, которые противостояли бы действию этих факторов, т. е. они должны обладать необходимой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью в широком диапазоне температур, высокой химической стойкостью в разных средах.

Кроме того, эти материалы должны быть технологичны, т. е. поддаваться обработке давлением, резанью и свариваемостью.

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.

Поведение сталей 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.

Поведение сталей 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.

С т а л и. 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.

Цветные металлы по сходным свойствам подразделяются на:

1. легкие металлы (Be, Mg, Ti, Аl), обладающие малой плотностью;

2. легкоплавкие (Zn, Sn, Pb, Hg,);

3. тугоплавкие металлы (Ti, V, Cr, Mo, W, Mo и др.) с температурой плавления выше, чем у железа (1539^оС);

4. благородные металлы (Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью;

5. щелочноземельные металлы (Li, Na, K), используемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

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.

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 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.

Механические свойства и области применения углеродистых

сталей обыкновенного качества Таблица 1

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

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.