Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиФланцыМеталловедение → Фланцы жаропрочные. Фланцы в условиях повышенных рабочих температур

Фланцы жаропрочные. Фланцы в условиях повышенных рабочих температур

Жаропрочные фланцы широко применяются на различных технологических трубопроводах

Жаропрочные фланцы широко применяются на различных технологических трубопроводах

Фланцы, как и другие элементы трубопровода в условиях повышенных температур нередко подвержены снижению механических свойств, что может привести к нарушению работы всего участка трубопровода.

Дата публикации: 12 сентября 2012

Автор: Ильясова А. Х., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Во избежание повреждений, приводящих к разрывам трубопроводов, детали фланцевых соединений и соединительного трубопровода следует производить из жаропрочных сталей.  Крепежные элементы, изготовленные с применением подобных металлов, способны длительное время выдерживать воздействие высоких температур и быть стойкими к ползучести и разрушению.

Влияние повышенных температур на фланцевые соединения

Ползучесть металла представляет собой медленную деформацию металлического изделия, в данном случае подверженных высоким температурам фланцев или деталей крепежа, под действием напряжений. Зависимость деформации от времени воздействия нагрузки представлена на рис.1.

зависимость деформации от времени

Рис. 1. Кривая зависимости деформации от времени

Кривая ползучести, представленная на рис.1. состоит из трех участков. Стадия I– стадия неустановившейся ползучести – отличается постепенным затуханием скорости деформации до определенного постоянного значения. Стадия II– стадия установившейся ползучести – характеризуется постоянной скоростью деформации, а стадия III– стадия разрушения – отличается возросшей скоростью деформации, приводящей к разрушению.

Таким образом, при неправильном выборе металла для производства фланцев и деталей крепежа, под воздействием высоких рабочих температур возможно возникновение ползучести, развитие которой приводит к необратимому разрушению всего участка трубопровода.

Сталь для условий повышенных рабочих температур

В настоящее время для изготовления фланцев и деталей фланцевых соединений, работающих в условиях повышенных температур и постоянного механического напряжения, используется жаропрочная сталь, которая отличается повышенной термической стойкостью. Ключевыми характеристиками жаропрочных сплавов являются продолжительная износостойкость и медленная ползучесть.

Жаропрочная сталь, из которой изготавливаются фланцы и детали крепежа, производится по особым технологиям. Как правило, технологии производства включают предварительную термообработку и легирование хромом с добавлением других элементов, таких как титан, никель, молибден, с целью увеличения прочности и термостойкости.  Жаропрочные фланцы могут быть изготовлены из сталей, подразделяющиеся на три основные группы:

1. Высоколегированная жаропрочная сталь. Данный высокостойкий сплав отличается повышенным содержанием хрома, никеля и молибдена, а также низким количеством побочных примесей в составе, что обеспечивает повышение прочности в условиях длительной эксплуатации. Детали трубопроводов, изготовленные из высоколегированной стали применяют в условиях повышенных температур, достигающих 600оС.  Такие стали и сплавы используют в химическом, нефтяном и энергетическом машиностроении.

Стоит также отметить, что высоколегированные стали обладают высокими механическими свойствами в диапазоне от положительных высоких температур до низких отрицательных. Поэтому крепежные элементы и фланцы, изготовленные из таких сталей, могут применяться и как хладостойкие.

2. Низколегированная жаропрочная сталь. Содержащиеся в стали хром и молибден придают металлу высокую износостойкость, однако рабочие температуры ниже, чем у деталей из высоколегированной стали. Низколегированная сталь предназначена для изготовления валов, фланцев и других деталей, работа которых осуществляется при температуре до 450оС.

Низколегированная жаропрочная сталь в листах. Сырье для изготовления фланцев.

Рис.2. Низколегированная жаропрочная сталь

3. Релаксационная сталь – определяется повышенным содержанием углерода. В связи с этим детали отличаются низкой ползучестью и высокой упругостью кристаллической решетки. Для рабочих температур менее 500оС из релаксационной стали изготавливаются пружины, шпильки, болты и другие детали. 

На сегодняшний день производство деталей, в частности производство крепежных элементов и фланцев с применением жаропрочных сталей, занимает практически половину всего мирового проката, тем самым, обозначая важность и перспективность этого класса металла.

Жаропрочная сталь для фланцев

Закалка стали

Рис.3. Закалка стали

К фланцам, изготавливаемым из жаропрочной стали для высоких рабочих температур, предъявляются повышенные требования по жаропрочности материала, надежности детали, точности изготовления, качеству проработки структуры.

В качестве основы для легирования жаропрочных сталей могут выступать никель, кобальт, титан, железо, медь, алюминий. Кроме того, сплавы могут быть литейными, порошковыми или деформируемыми. Наиболее широкое распространение получили литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, с рабочей температурой до 1100оС. В нефтехимической промышленности используются детали, элементы трубопровода, крепежные и фланцевые элементы, изготовленные именно из такой стали.

Необходимые жаропрочные свойства стали обеспечиваются в результате проведения термической обработки, состоящей из закалки на твердый раствор и старения. Целью процедуры закалки является перевод различных сплавов в твердый раствор. Температуры выбираются в зависимости от легирования таким образом, чтобы в результате была получена требуемая величина зерна и жаропрочности.

После проведения соответствующей термообработки высоколегированные сплавы и стали обладают не только высокими прочностными, но и пластическими свойствами. Структура высоколегированных сталей зависит от химического состава, содержание основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Кроме того, на структуру влияет содержание других элементов-ферритизаторов: Si, Mo, Ti, Al, Nb, W, V и аустенитизаторов: С, Со, Ni, Си, Мп, В, N. В никелевых сплавах основой служит никель, а железо является легирующей присадкой.

Кроме того, жаростойкость уже готовых изделий  из жаропрочных сплавов можно повысить методами обработки поверхности с помощью лазера или электронной пушки. Для защиты от воздействия продуктов, вырабатываемых при сгорании топлива и природного газа, поверхность изделия подвергают диффузионной термохимической обработке. Может быть применено эмалирование, напыление тугоплавких оксидов и т.д.

Производство жаропрочных фланцев

Жаропрочный фланец производства ООО Инженерный Союз

Рис.4. Жаропрочный фланец производства компании «Инженерный Союз»

Фланцы, производимые компанией «Инженерный Союз» обладают жаропрочными свойствами, необходимыми для соединения труб в условиях высоких рабочих температур. Жаропрочные фланцы на производстве компании, подверженные высокой температуре внешней и внутренней среды, изготавливаются из сталей, описанных ниже.

10Х11Н23Т3МР: характеристики материала

10Х11Н23Т3МР — жаропрочные фланцы из высоколегированной стали.

Таблица 1. Химический состав в % материала 10Х11Н23Т3МР, в соответствии с ГОСТ 5632 – 72.

C Si Mn Ni S P Cr Mo Ti Al B
до 0,1 до 0,6 до 0,6 21-25 до 0,01 до 0,025 10-12,5 1-1,6 2,6-3,2 до 0,8 до 0,02

Термообработка данной стали: Закалка 1100 - 1170oC, 2 - 5ч, воздух, Старение 750 - 800oC, 16 - 25ч, воздух.

Таблица 2. Механические свойства стали 10Х11Н23Т3МР при Т=20оС.

σв(МПа) sT (МПа) δ5 (%) ψ % KCU (кДж / м2)
900 600 8 10 300

 

15Х5М: характеристики материала

15Х5М (американские аналоги: A 193 Grade B5, A 182 Grade F5) — жаропрочные фланцы из низколегированной стали мартенситного класса.

Сталь применяется для изготовления фланцев, задвижек и деталей крепежа, применяемых на нефтеперерабатывающих заводах и на участках транспортировки нефтепродуктов, при температуре до 600оС., а также деталей трубопроводной арматуры и трубопроводов, функционирующих при рабочей температуре до 400оС.

Таблица 3. Химический состав в % материала 15Х5М.

C Si Mn Ni S P Cr Mo W V Ti Cu
до 0.15  до 0.5  до 0.5  до 0.6  до 0.025  до 0.03 4.5-6 0.45-0.6  до 0.3  до 0.05  до 0.03  до 0.2
 

Таблица 4. Механические свойства стали 15Х5М в условиях повышенных температур.

Температура испытаний, °С σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ %
Поковки диаметром 280 мм. Нормализация 1000 °С, воздух. Отпуск 700 °С, воздух

 

20
200
300
400
450
500
550
600
660
580
550
530
520
465
390
300
800
680
670
630
620
550
500
415
16
15
15
14
16
19
22
22
50
68
65
64
70
75
82
84

σ0,2 - предел текучести условный, МПа,  σ в - предел кратковременной прочности, МПа, δ5 - относительное удлинение после разрыва, %,  ψ - относительное сужение, %.

13ХФА: характеристики материала

Фланцы и крепежи, выполненные из этой стали применяются в системах транспортирующих газ, системах нефтегазопроводов, промысловых трубопроводов, транспортирующих нефть и нефтепродукты.

Таблица 5. Химический состав в % стали 13ХФА.

C Si Mn Ni S P Cr Cu
1.25-1.4 0.1-0.4 0.15-0.45 до 0.35 до 0.03 до 0.03 0.4-0.7 до 0.3

Стоит отметить, что при необходимости, в соответствии с заявкой заказчика и его требованиями, фланцы и крепежные элементы могут быть изготовлены из любых типов жаропрочной стали и сплавов. 

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.

Rambler's Top100