Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние химического состава сталей на их структурно-фазовое состояние и коррозионную стойкость

03.04.2019


При изготовлении оборудования для переработки нефти и газа весьма широко используются стали, для которые основными легирующими компонентами являются хром и никель. Композиция на основе железа, содержащая 18% хрома и 10% никеля, является базовой. Около 70% выплавляемых в России и за рубежом коррозионно-стойких сталей приходится на группу Х18Н10. Дополнительное легирование этой композиции позволяет придать стали дополнительные свойства.

Хром и никель оказывают на фазовое состояние стали противоположное влияние. Хром, являясь ферритообразующим элементом, стабилизирует у-фазу. Никель, аустенитообразующий эле мент, соответственно стабилизирует у-фазу. Остальные легирующие элементы, вводимые в металл для придания ему повышен ной коррозионной стойкости и хороших механических и технологических свойств, также по-разному могут влиять на фазовое состояние стали. Молибден, титан, ниобий, кремний являются ферритообразующими, тогда как углерод, марганец, азот стабилизируют аустенит. Для определения фазового состоянии хромоникелевых сталей часто пользуются диаграммой Шеффлера (рис. 5.16), в которой учитывается суммарное содержание феррито- и аустенитообразующих элементов. Из диаграммы видно, что наиболее распространенная коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т (08Х18Н10Т) имеет в основном аустенитную структуру с содержанием ферритной фазы около 5(6)%. Именно аустенит придает этой стали высокую пластичность и вязкость, выгодно отличающие ее от хромистой стали с 18% хрома. Стали аустенитного класса, как было показано ранее, проявляют повышенную устойчивость к развитию коррозионного разрушения за счет повышенной термодинамической устойчивости объемно-центрированной кристаллической решетки этой фазы. Высокая коррозионная стойкость сталей этого класса определяется, с одной стороны, легкой пассивируемостью, которую обеспечивает легирование хромом, а с другой — высокой термодинамической устойчивостью аустенита, образующегося благодаря легированию стали никелем. Структура, обеспечивающая высокие коррозионную стойкость и вязкость стали (аустенит с 5—6% феррита), образуется у сталей рассматриваемого класса в результате закалки или нормализации с температуры 1000—1100°С (обычный для этих сталей вид термической обработки). В случаях, когда в процессе эксплуатации они долго пребывают в температурном интервале 600—930°С, возможно выделение интерметаллических соединений (у-фазы), которое сопровождается сильным охрупчиванием стали и появлением трещин при охлаждении аппаратуры с рабочих температур в период остановок оборудования. Нагрев до температуры 1000—1100°С приводит к растворению у-фазы и восстановлению первоначальных свойств металла.
Влияние химического состава сталей на их структурно-фазовое состояние и коррозионную стойкость

При нагреве до температуры 400—600°С происходит выделение карбидов хрома, преимущественно по границам зерен. Это, как было показано ранее, приводит к связыванию хрома в карбиды и обеднению хромом границ зерен. Следствием таких процессов является развитие у стали склонности к MKK. При нагреве стали до температуры 900—950°С (стабилизирующий отжиг) диффузия хрома к границе зерна восстанавливает необходимое для надежной пассивации количество хрома на границах зерен и ликвидирует возникшую склонность к MKK. Легирование стали элементами, образующими более стабильные карбиды, чем хром (титаном, ниобием, танталом), а также уменьшение содержания углерода, снижает вероятность возникновения склонности хромо-никелевых сталей к MKK при нагреве в опасном интервале температур. В случаях, когда содержание углерода в стали типа 18-10 не достигает 0,03%, стали свойственна высокая устойчивость против MKK даже без введения в нее дополнительного количества активных карбидообразующих элементов.

Молибден вводится в стали типа 18-10 в количестве 2—3%. Он является ферритообразующим элементом. Поэтому для сохранения аустенитного состояния введение молибдена требует повышение содержания никеля в стали. Молибден входит в состав пассивирующих слоев и способствует повышению их защитных свойств. Поэтому стали, легированные молибденом, проявляют более высокую коррозионную стойкость, чем стали без молибдена. По этой же причине легированные молибденом стали имеют больший инкубационный период при развитии питтинговой коррозии. В то же время легирование молибденом расширяет температурный интервал образования у-фазы, существенно ускоряя этот процесс. Это увеличивает опасность охрупчивания сталей, легированных молибденом, при эксплуатации их в интервале температур 650—950°С. Существует мнение, что легирование молибденом сопровождается изменением дислокационной структуры стали с ячеистой, с неупорядоченным расположением дислокаций, на компланарную, с расположением дислокаций по плоскостям. Стали с компланарной дислокационной структурой проявляют, как правило, пониженное сопротивление развитию трещины. Поэтому влияние молибдена на сопротивление питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию неоднозначно: с одной стороны, существенно увеличивается инкубационный период разрушения, а с другой — снижается сопротивление его развитию.

Легирование кремнием, ферритообразующим элементом, несколько снижает вязкость стали и соответственно сопротивление коррозионному растрескиванию. Для сохранения исходной аус-тенитной структуры введение кремния требует повышенного содержания аустенитообразующих элементов (углерода, никеля). Положительная роль кремния связана с повышение защитных свойств поверхностных слоев, возникающих как при электрохимической коррозии, так и, особенно, при коррозии, протекающей по неэлектрохимическому механизму при высоких температурах.

Введение в сталь большего количества хрома (до 25%) и необходимого для сохранения аустенитного фазового состояния никеля (13—18%) обеспечивают еще более легкое пассивирование стали, а также еще большую устойчивость к высокотемпературным видам коррозии при сохранении таких механических свойств, как высокая вязкость и пластичность. Введение в сплав с высоким содержанием хрома и никеля молибдена и меди существенно повышает его стойкость в неорганических кислотах, особенно в серной.

Легирование стали марганцем и азотом способствует стабилизации аустенита и в ряде случаев позволяет сэкономить дефицитный в России дорогостоящий никель без ущерба для коррозионной стойкости сталей. Для изготовления оборудования перерабатывающих заводов допускается использование сталей, содержащих до 8% марганца. Чисто хромомарганцевые стали существенно уступают хромоникелевым по стойкости к питтинговой коррозии и МКК. Они более склонны к развитию 475°-й хрупкости. При сварке этих сталей в зоне термического влияния сварного соединения образуется о-фаза, в результате чего вязкость сварного шва падает. Введение в хромомарганцевую сталь никеля (до 4%) улучшает коррозионные и механические свойства этих сталей. Азот — сильный аустенитообразователь. Он позволяет существенно снизить содержание никеля в стали. Однако введение его в сталь способствует выделению второй фазы — нитридов. Это снижает гомогенность стали и делает ее менее устойчивой к коррозии.

Другой путь экономии никеля связан с использованием хромоникелевых двухфазных, феррито-аустенитных, сталей. Для изготовления нефтегазовой аппаратуры рекомендованы стали, содержащие (в %) 20—25 хрома, 5—8 никеля и до 3 молибдена. При таком составе соотношение ферритной и аустенитной фаз могут сильно различаться. Как правило, используют стали с содержанием ферритной фазы от 40 до 70%. В большинстве сред, характерных для переработки нефти и газа, стали этого класса не уступают по стойкости электрохимической коррозии сталям аустенитного класса. Считается, что по стойкости против питтинговой коррозии и хлоридного коррозионного растрескивания они даже несколько превосходят аустенитные стали, причем стойкость эта повышается по мере увеличения содержания в них ферритной фазы. Стойкость против MKK достигается путем легирования сталей титаном и ниобием и ограничения содержания углерода. По стойкости к MKK и межкристаллитному коррозионному растрескиванию феррито-аустенитные стали также не только не уступают, но превосходят аустенитные. Это связывают с тем, что, во-первых, для двухфазных сталей характерна мелкозернистая структура, а следовательно, большая протяженность границ зерен, обуславливающая меньшую концентрацию карбидных выделений. Во-вторых, при образовании карбидов типа Ме23С6 на границе аустенита с ферритом из-за высокого содержания хрома в ферритной фазе и повышенной скорости диффузии легирующих элементов в объемно-центрированной решетке аустенита облегчается выравнивание химического состава в приграничных областях, и концентрация хрома не опускается ниже допустимого уровня. По прочности аустенито-ферритные стали существенно превосходят стали аустенитного класса, что позволяет понизить металлоемкость изготавливаемых из них конструкций. Это, наряду с пониженным содержанием в них никеля, дает возможность рассматривать их как заменителей аустенитных сталей, применение которых позволяет экономить никель.

Помимо указанных коррозионно-стойких материалов на нефте- и газоперерабатывающих заводах применяют аппараты и элементы металлоконструкций, изготовленные из биметалла. В биметалле основным слоем служит углеродистая, или низколегированная, сталь, а плакирующим — нержавеющая (хромистая или хромоникелевая). Биметалл обладает рядом преимуществ по сравнению с коррозионно-стойким монометаллом. Благодаря тому, что металл основы имеет обычно более высокую прочность, чем плакирующий слой, биметаллическая металлоконструкция существенно менее металлоемка. Применение биметалла позволяет уменьшить расход дорогостоящих высоколегированных сталей. Биметалл с плакирующим слоем из стали типа 18-10 лучше противостоит питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию, чем сталь типа 18-10: зародившийся питтинг не может преодолеть линию сплавления. В то же время применение биметалла требует определенной осторожности. He рекомендуется использовать биметалл для работы в средах, содержащих сероводород: продиффундировавший сквозь плакирующий слой водород способен скапливаться под плакирующим слоем и отрывать его от основного металла. Кроме того, в случае, когда плакировка — сталь типа 18-10, при сварке биметалла в зоне сплавления может образоваться мартенсит, по которому легко распространяется коррозионная трещина в наводороженном металле.

Помимо сталей (сплавов на основе железа) для изготовления элементов металлоконструкций в ряде случаев используются сплавы на основе меди (латуни) и никеля (монель-металл). Латуни хорошо противостоят питтинговой коррозии в нейтральных и слабокислых средах. Их используют для изготовления трубных пучков холодильников, предназначенных главным образом для охлаждения головного погона атмосферных колонн установок АВТ. Применение защелачивания и ингибирования головных погонов позволяет обходиться для этих целей углеродистыми сталями. Монель-металл (сплав никеля с молибденом) практически не подвергается питтинговой коррозии и хлоридному коррозионному растрескиванию даже в кислых средах, и рекомендовался для плакикрования верхней части атмосферных колонн на установках первичной переработки нефти, работавших без блока (установки) ЭЛОУ. Повсеместное введение подобных блоков и установок избавило от необходимости применения этого дорогостоящего материала. Применение латуней и монель-металла в наше время весьма ограничено и не считается перспективным. Поэтому в настоящем пособии особенности влияния их химического состава и структуры на коррозионное поведение не рассматривается.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: