Металловедение стенки нефтяного аппарата

Ефанов Константин

__

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 -, -, -железе. Линия NIE’SG соответствует твердому -раствору, линия GP’Q’ соответствует

твердому -раствору. Оставшиеся области на диаграмме соответствуют двухфазным сплавам. ABH – жидкий сплав и -феррит (твердый раствор), HJN – -аустенит и -феррит (твердые растворы), JBCE – жидкий сплав и -твердый раствор (аустенит), DCF – жидкий сплав и цементит, ECFKS – аустенит (-твердый раствор) и цементит, GSP – феррит и аустенит (- и -твердые растворы), QPSK – феррит (-твердый раствор) и цементит. На линии HJB для перекритической температуры три фазы – жидкость, -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 -твердого раствора, который при охлаждении до линии HJB (перекритическая температура) переходит в -твердый раствор аустенита (за счет взаимодействия расплава и -твердого раствора). Сплавы, содержащие до 0,1% углерода, кристаллизуются в -твердый раствор.

Сплавы, содержащие от 0,5 до 2% углерода, кристаллизуются в -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 -железа в -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 - и -железа является - и -феррит.

Раствором внедрения углерода в гранецентрированной решетке -железе является аустенит.

Стали для арктических нефтяных аппаратов

В условиях холода снижается срок службы металлоконструкций.

Применение стали с достаточным уровнем ударной вязкости не является основанием для отсутствия хрупкого разрушения конструкции [7,с.17]. Трещины начинаются от первичных дефектов в виде непроваров, подрезов, шлаковых включений и др. От точки дефекта начинается процесс хрупкого разрушения, состоящий в искажении кристаллической решетки металла и отрыва по плоскости, перпендикулярной действующим кольцевым усилиям в корпусе. При вязком разрушении происходит сдвиг плоскостей от касательных напряжений. Для стали хрупкое и вязкое разрушение происходят одновременно. Более подробно можно ознакомиться в работах Беляева [8], Ильюшина [9], Работнова [10]. Хрупкое разрушение состоит из образования трещины, роста до критического значения и переход трещины через соседние зерна по листу.

При низких температурах для деформация, соответствующей нормальной температуре, необходимы высокие напряжения так как пластическая деформация активируется термически. При низкой температуре предел текучести повышается, в результате чего надежность снижается.

В работе [11] указано, что структура аустенита для низких температур обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности. Малая чувствительность предела текучести к температуре обеспечивают надежность в эксплуатации.

__

В работе [11,с.296] указано о разработке стали марки 09Г2С-А-А для условий холода. Для сопротивления хрупкому разрушению необходима мелкозернистая структура феррита с выделением перлита в небольшом количестве. В стали 09Г2СА ударная вязкость повышена введением небольших количеств алюминия, уменьшением содержания углерода, марганца и кремния.

Рекомендуется при проектировании аппаратов для холодного климата применять сталь 09Г2С-А-А, являющуюся развитием стали 09Г2С для Севера и Арктического холодного климата.

Листовая сталь

Требование сваривать корпуса аппаратов только стыковыми сварными швами можно объяснить наличием расслоения по толщине и необходимостью проплавления всей толщины листа для задействования всех слоев в восприятие нагрузки.

Листы имеют зернистую структуру. Для зернистой структуры прочность ниже по сравнению с монокристаллической структурой. Для зернистой структуры протекает межкристаллитная коррозия, для совершенного кристалла монокристаллической структуры межкристаллитная коррозия будет отсутствовать.

Таким образом в будущем необходимо разработать соответствующие технологии и перейти на изготовление аппаратов из стали монокристаллической структуры.

Схема процесса получения листовой заготовки [11,с.18]:

Металл из расплава подается на валки с образованием клиновидной ванны расплава (расплав перегрет на несколько градусов). Затем расплав замораживается на их поверхностях упруго прижатых валков и происходит кристаллизация металла. Условия кристаллизации должны обеспечить заданную прочность листа на выходе и соответствие физико-химическим параметрам. Затвердевшие слои металла на двух валках вступают во взаимное соприкосновение и свариваются давлением в один сплошной лист. Здесь необходимо получать лист высокой сплошности [11]. Толщина листа определяется зазором между валками, который в свою очередь зависит от скорости вращения валков и времени контакта расплава (жидкого металла) с валками.

Схема затвердевания металла расплава с образованием листа [11]:

Теплообменные процессы протекают в верхней зоне и нижней, в которой происходит кристаллизация жидкого металла.

Требование по сплошности отличает котельный лист от общепромышленного листа, так как структура котельного листа по сплошности больше применима к изготовлению корпусов нефтяных и химических аппаратов. Общепромышленный лист может использоваться для оболочек, не работающих под давлением. Вместе с тем во избежание путаницы и пересортировки на складе, рекомендуется покупать листы только по котельному стандарту.

Конец ознакомительного фрагмента.