Металловедение стенки нефтяного аппарата

Константин Владимирович Ефанов, 2020

Металловедение стенки является вторым аспектом в дополнение к первому аспекту прочностного расчета оболочек аппаратов.В монографии приведены необходимые сведения для конструкторов и проектировщиков.

Стали для нефтяных аппаратов

Марки применяемых материалов, допустимых для сосудов и аппаратов до 21 МПа и до 130МПа (высокого давления) перечислены в соответствующих ГОСТах, и в нормах расчета на прочность приведены допускаемые напряжения на эти материалы.

В случае необходимости изготовления аппарата нестандартного материального исполнения из металла, не входящего в перечень ГОСТов, необходимо обратиться в институт-разработчик ГОСТа с письмом с просьбой разрешения на применение необходимого материала. В случае положительного ответа, нестандартный материал может быть применен.

Для нестандартного материала требуется выполнить испытания со снятием всех характеристик, приведенных для стандартных материалов для предоставления вместе с письмом запроса в проектный институт.

Применение нового материала должно иметь техническое обоснование. При выборе материала по возможности необходимо руководствоваться списком материалов, указанных в стандартах.

__

Корпуса нефтяных аппаратов до 21МПа, предназначенных для сравнительно простых условий эксплуатации, изготавливают из маргацовокремнистой стали 09Г2С. Находят применение сталь 16ГС и котельные сталь 20К, 22К.

Иностранные аналоги для этих сталей по ASME сталь SA 350 LF2.

Для корпусов нефтяных аппаратов высокого давления до 130 МПа, предназначенных для температур около 500°С применяют легированные хромомом и молибденом стали марок 10Х2М1А, 12ХМ, 12Х1МФ, 12МХ, 12Х2МФА.

Иностранные аналоги этих сталей по ASME стали SA336 FII cl.2, SA336 F22.

Наиболее подробно проблема выбора материалов рассмотрена в монографии Солнцева и Титовой на примере изготовителя «Ижорские заводы» [7,с.278]. В этой работе рассмотрены иностранные стали и требования лицензиаров. Работа является современной монографией по рассмотрению проблем применения материалов. В настоящее время работа [7] показывает современный достигнутый уровень металловедения в изготовлении сложный оболочек нефтяных аппаратов.

Размер зерна стали не влияет на характеристики статического растяжения и твердость, однако влияет на ударную вязкость стали, порог хладноломкости, работу распространения трещины (с ростом зерна эти три параметра ухудшаются). Также крупные зерна склонны к закалочным трещинам и деформациям. Наличие стали с зернами разной величины в зонах концентрации напряжений увеличит охрупчивание.

__

Сплав железа с углеродом

Диаграмма железо-углерод по данным справочника [16]:

Диаграмма «железо-углерод» обозначает границы по температуре и концентрации существования форм кристаллических решеток (структур) железоуглеродистых сталей.

На диаграмме линии стабильного равновесия C’D’, E’C’, S’E’, P’S’K’, P’Q’. Устойчивые растворы углерода в железе выше линии ABC’D’. Линия AHN ограничивает однофазную область твердого раствора углерода в α-, γ-, δ-железе. Линия NIE’SG соответствует твердому γ-раствору, линия GP’Q’ соответствует твердому α-раствору. Оставшиеся области на диаграмме соответствуют двухфазным сплавам. ABH — жидкий сплав и δ-феррит (твердый раствор), HJN — γ-аустенит и δ-феррит (твердые растворы), JBCE — жидкий сплав и γ-твердый раствор (аустенит), DCF — жидкий сплав и цементит, ECFKS — аустенит (γ-твердый раствор) и цементит, GSP — феррит и аустенит (α — и γ-твердые растворы), QPSK — феррит (α-твердый раствор) и цементит. На линии HJB для перекритической температуры три фазы — жидкость, δ-феррит, аустенит. На линии E’C’F’ для эвтектической температуры в стабильном равновесном состоянии фазы жидкости, аустенита, графита, в метастабильном состоянии по линии ECF фазы жидкости, аустенита и цементита. На линии PSK при эвтектоидной температуре (метастабильное равновесие) фазы состоят из аустенита, феррита и цементита, на линии P’S’K’ при эвтектоидной температуре (стабильное равновесие) фазы состоят из аустенита, феррита, графита. На диаграмме магнитному превращению феррита и цементита соответствуют горизонтальные линии при 768 и 210°С. Феррит имеет ферримагнитные свойства ниже 768°С, выше феррит парамагнитен. Цементит свыше 210°С (точка Кюри) переходит в парамагнитное состояние из ферримагнитного состояния.

Сплавы, содержащие до 0,5% углерода, кристаллизуются при температурах по линии АВ. Сплавы, содержащие от 0,1 до 0,5% углерода, кристаллизуются с первоначальным образованием δ-твердого раствора, который при охлаждении до линии HJB (перекритическая температура) переходит в γ-твердый раствор аустенита (за счет взаимодействия расплава и δ-твердого раствора). Сплавы, содержащие до 0,1% углерода, кристаллизуются в δ-твердый раствор.

Сплавы, содержащие от 0,5 до 2% углерода, кристаллизуются в γ-твердый раствор, начало кристаллизации на линии BC, окончание на линии JE. Равновесными структурами стали считаются структуры, которые при нормальной температуре состоят из фаз феррита, цементита или перлита.

Структура только из феррита установлена только для случая технически чистого железа [16,с.117]. Феррит имеет низкую прочность и высокую пластичность. Цементит имеет высокую твердость и хрупкость. Структурно свободный цементит установлен только для малоуглеродистых сталей, вместе с тем, в структуре стали цементит виден при высоком содержании углерода. Перлит является смесью фаз феррита и цементита. Аустенит является твердым раствором углерода в железе, характеризуется пластичностью.

Структура кристаллической решетки стали определяется химическим составом сплава и термической обработкой. Термическая обработка предназначена для изменения структуры сплава (полиморфные превращения, ограниченная растворимость в твердом компоненте другого компонента сплава). В результате полиморфного превращения α-железа в γ-железо, ограниченного интервалом между критическими точками А₁ и А₃ на диаграмме, происходит перекристаллизация стали (при нагреве и контролируемом медленном охлаждении).

При перекристаллизации образуются новая зернистая структура стали. Механизм образования зерен по данным [16,с.118] состоит в появлении центров кристаллизации и их роста диффузионным путем. На число центров кристаллизации влияют:

— отношение температур нагрева/охлаждения стали и полиморфного превращения,

— наличие примесей, влияющих на образование центров кристаллизации,

— пластические деформации стали, в результате которых металл течет,

— рекристаллизация.

Раствором внедрения углерода в объемно-центрированной кубической решетки α — и δ-железа является α — и δ-феррит.

Раствором внедрения углерода в гранецентрированной решетке γ-железе является аустенит.