Сплавы и стали для производства фланцев, крепежных изделий и других деталей трубопроводов

Общие сведения

Конструкционные материалы применяются для изготовления деталей трубопроводов, деталей машин и механизмов, крепежных изделий, используемых в различных отраслях промышленности. Их условно можно подразделить на три группы:

1. металлические,
2. неметаллические и
3. композиционные.

Мы рассмотрим только первую группу, так как она находит наибольшее применение при производстве фланцев, крепежных изделий и других деталей трубопроводов.

Металлические материалы можно классифицировать:

• по температуре плавления (легкоплавкие, со средней температурой плавления и тугоплавкие),
• по плотности (легкие и тяжелые),
• по основе (сплавы на основе железа, сплавы цветных и тугоплавких металлов),
• по способу получения из них заготовок деталей трубопроводов (деформируемые, литейные).

В современном производстве деталей трубопроводов, механизмов и машин применяют как чистые металлы, так и сплавы на их основе. Последние находят наибольшее применение, что обусловлено их более высокими механическими свойствами. Эти свойства зависят от компонентов, входящих в состав сплава, его структуры и способа обработки. При производстве фланцев в основном применяют сплавы на основе железа (фланцы из углеродистых и легированных сталей) и в меньшей степени используются сплавы цветных металлов на основе алюминия, меди, магния и титана.

От правильности выбора сплава и способа обработки получаемой из него деталей трубопровода во многом зависит надежность и работоспособность магистральных трубопроводов и другого оборудования. 

↑ В начало

Деформируемые сплавы

В производстве фланцев к деформируемым относятся сплавы, обладающие свойством пластической деформации в ходе обработки (ковка, штамповка), при которых исходные заготовки приобретают как простую, так и сложную форму (поковки фланцев сосудов и аппаратов, поковки штампованные воротниковых фланцев, и др.). Получаемые таким образом заготовки фланцев приобретают повышенные механические и эксплуатационные свойства, превосходящие аналогичные показатели в исходной заготовке (слитке).

Стали, подвергаемые пластическому деформированию, классифицируются по химическому составу, назначению, качеству и способу производства (выплавке).

↑ В начало

Классификация сталей по химическому составу

По химическому составу стали подразделяют на:

• нелегированные (углеродистые) и
• легированные.

Нелегированные стали могут быть

• низкоуглеродистыми (до 0,25% С),
• среднеуглеродистые (0,25…0,45% С) и
• высокоуглеродистыми (0,45…0,85% С).

Легированные стали по содержанию легирующих элементов условно делят на:

• низколегированные (до 5%),
• среднелегированные (5…10%) и
• высоколегированные (более 10%).

↑ В начало

Классификация сталей по назначению деталей трубопроводов 

По назначению стали подразделяют на:

• конструкционные,
• инструментальные и
• стали с особыми свойствами (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие, износостойкие, обладающие магнитными свойствами и другие).

При производстве фланцев и крепежных изделий для фланцев используются различные стали: 09Г2С, 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 18Х12ВМБФР, 20X13, 20Х1М1Ф1ТР, 20ХНЗА, 25, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, ЗОХМА, 35, 35Х, 40Х, 40ХМФА, 40ХН, 45Х14Н14В2М, 06ХН28МДТ, ХН35ВТ, ВТ1-0 и т.д.

Промышленными предприятиями производятся элементы фланцевых соединений с особыми свойствами, такие как:

• фланцы плоские жаропрочные из стали 15Х5М,
• фланцы стальные приварные встык хладостойкие, легкосвариваемые из стали 09Г2С,
• фланцы нержавеющие из стали 12Х18Н10Т для пищевых трубопроводов и водонапорных станций, химических и нефтехимических производств.
• а также переходы, тройники, заглушки фланцевые из сталей: 15Х5М, 10Х17Н13М2Т, 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т, 13ХФА, 20С, 20А, 30ХГСА, 12Х1МФ, 17Г1С, 06ХН28МДТ, 09ГСФ, 3, 10, 120ФА, 18ХГТ, 30Х13, 10Г2, 35ХГСЛ, 5Х18Н12С4ТЮ и др.

Многообразие применяемых  при производстве материалов приводит к возможности получать детали с разнообразными характеристиками.

↑ В начало

Классификация сталей по качеству

По качеству (в зависимости от содержания в них вредных примесей, таких как: серы, фосфора и неметаллических включений) стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества (до 0,06% S и 0,07% Р),
• качественные (до 0,035% S и 0,035% Р),
• высококачественные (не более 0,025% S и 0,025% Р) и
• особо качественные – высококачественные стали с особой выплавкой или обработкой, описываемых в маркировке.

Стали углеродистые обыкновенного качества

Стали углеродистые обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380-94, согласно которому они маркируются буквами «Ст» с последующими номерами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 и т.д. Чем больше условный номер стали, тем выше содержание в ней углерода и, соответственно, выше прочностные и ниже пластические характеристики. Массовая доля (содержание) серы в сталях этих марок, кроме Ст0, должно быть не более 0,05%, фосфора – не более 0,04%; в стали марки Ст0 серы – не более 0,06%, фосфора не более 0,07%.

Степень раскисления стали обозначают буквами:

• сп – спокойная,
• пс – полуспокойная,
• кп – кипящая.

Их ставят в конце обозначения марки стали. Индекс «сп» в обозначении обычно опускается, а другие индексы ставятся: Ст3пс, Ст2кп и т.д. Выплавка этих сталей производится в крупных мартеновских печах и кислородных конверторах. На метизном производстве ООО «Инженерный Союз» используется готовый сортовой прокат (шестигранник, круг) таких сталей. Также изготавливаются болты, гайки, шпильки, шайбы квадратные из сталей 25, 35, 35Х, 40Х, 09Г2С, 14Х17Н2, 15ХМ, 20Х13, 20ХН3А, 38ХС, 40ХМФА, 30ХМА, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х11Н23Т3МР, 18Х12ВМБФР, 20Х1М1Ф1ТР, 45Х14Н14В2М и др.

↑ В начало

Качественные углеродистые стали

Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050-88 маркируются двухзначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 20 (0,20 % С). Стали этой группы содержащие свыше 0,20 % С, выпускаются только спокойными. Эти стали выплавляются в электропечах, кислородных конвекторах и мартеновских печах. Кроме более жестких требований по количеству вредных примесей к ним предъявляются повышенные требования по содержанию неметаллических включений и газов. В производстве фланцев наиболее часто используется Ст 20 (качественная углеродистая сталь 20).

Все углеродистые качественные стали условно можно разделить на несколько групп.

1. Стали марок 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп имеют невысокую прочность (предел прочности при растяжении σ_в = 330…420МПа, условный предел текучести σ_0,2 = 190…250 МПа), хорошую пластичность (относительное удлинение δ = 25…33 %, относительное сужение ψ = 55…60 %) и свариваемость. Это определяет их использование в малонагруженных деталях машин и элементах конструкций, изготовленных сваркой, ковкой, штамповкой.
    
2. Стали 15; 20; 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, имеют более высокую прочность (σ_в = 460…610 МПа, условный предел текучести σ_0,2 = 280…360 МПа) и пониженную пластичность (δ = 16…23 %, ψ = 40…50 %), хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления фланцев и других деталей трубопроводов (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а так же для деталей и крепежных изделий с повышенной износостойкостью (после соответствующей термической обработки), но не подвергающихся в процессе эксплуатации высоким нагрузкам. Примерами таких деталей являются воротниковые и плоские фланцы невысоких условных давлений.
    
3. Значительной является группа среднеуглеродистых сталей: 30; 35; 40; 45; 50, подвергающимся термической обработке. Они имеют высокую прочность  (σ_в = 640…730 МПа, σ_0,2 = 380…430 МПа) и сравнительно низкую пластичность  (δ = 9…14 %, ψ = 40…50 %). Эти стали после обжига хорошо обрабатываются резанием. Благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик позволяет применять их при изготовлении ответственных крепежных изделий для фланцевых соединений.
    
4. Высокоуглеродистые стали 60; 65; 70; 75; 80; 85 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего они приобретают высокую прочность, износостойкость и упругость. Из них изготавливают пружинные шайбы (граверные) и другие крепежные изделия.

Для производства деталей трубопроводов и фланцевых соединений ответственного назначения применяют высококачественные стали 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 15Х5М, 13XФА, 20ХНЗА, 06ХН28МДТ, ХН35ВТ, ВТ1-0 и т.д., с более низким содержанием серы и фосфора. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например фланцы из стали 13ХФА. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях удорожает и усложняет их производство. Поэтому высококачественными сталями обычно бывают не углеродистые, а легированные.

↑ В начало

Легированные конструкционные стали

Легированные стали в зависимости от содержания в них серы и фосфора подразделяются на:

• качественные,
• высококачественные и
• особо высококачественные.

Легированные стали маркируют буквами и цифрами, указывающими их химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях), затем ставится буква, указывающая легирующий элемент. После буквы следует цифра, соответствующая среднему содержанию этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1%, то за буквой цифра не ставится.

Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:

А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий, Ч – редкоземельные металлы и другие.

Например, фланцы из жаропрочной стали 15Х5М содержат 0,15% С, 5% хрома, молибдена – в пределах 1%. Крепежные изделия из стали марки 20ХН3А содержат 0,20% С, до 1,0%Сr, 3% Ni. Как нами уже было сказано, буква А в конце марки стали обозначает высококачественную сталь. В то же время если буква А расположена в середине марки стали, то это указывает на наличие в ней азота как легирующего элемента.

В качестве основных легирующих элементов в сталях при производстве фланцев применяют Сr (до 20%), Ni (1-18%), Мn (до 2%), Si (0,6-1,2%). Такие легирующие элементы, как молибден, марганец, вольфрам и титан обычно вводят в сталь в сочетании с хромом и никелем с целью дополнительного улучшения ее физико-механических свойств. В таких сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, % : молибден 0,2…3%; титан 0,1…2%. В различных легированных сталях содержание указанных элементов может быть значительно выше.

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникилиевые, молибденосодержащими (фланцы из стали марки 10Х17Н13М3Т) и т.д. Например, производятся нержавеющие фланцы из стали 12Х18Н10Т,которая является хромникилиевым сплавом. В начале марки сталей иногда ставят буквы, указывающие на их применение: А – автоматные стали, Р – быстрорежущие, Ш – шарикоподшипниковые, Э – электротехнические, Е – магнитно-твердые.

Все высоколегированные стали содержат минимальное количество вредных примесей и являются высококачественными, поэтому в конце обозначения их марки буква А не ставится (08Х18Н9Т). Высокая чистота сплавов достигается дополнительной обработкой их специальными методами, которые отражены буквами в конце наименования марки стали: Ш – электрошлаковый переплав (применяется успешно на производстве ООО «Инженерный Союз» для изготовления фланцев больших диаметров до 3000 мм), ВД – вакуумно-дуговой переплав, СШ – обработка синтетическими шлаками. Примером обозначения особо высококачественной высоколегированной стали являются стали марки 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т, 18Х12ВМБФР, 20Х1М1Ф1ТР, 45Х14Н14В2М, 06ХН28МДТ и т.д.    

↑ В начало

Деформируемые сплавы цветных металлов

Деформируемые сплавы цветных металлов имеют более высокую стоимость по сравнению с черными, обладают рядом ценных свойств и в особых случаях применяются для изготовления фланцев и крепежа. Наибольшее применение нашли сплавы на основе меди и легкого металла – титана.

Медь – металл красного цвета с плотностью 8940 кг/м³ и температурой плавления 1083°C. Чистая медь обладает высокой электропроводностью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химически активных сред. Механические свойства меди в горячедеформированном состоянии: σ_в = 250 МПа, σ_0,2 = 95 МПа, δ = 50%. Вследствие малости значений предела текучести и высокой стоимости чистая медь как конструкционный материал не применяется. Медь и ее сплавы применяются в радиотехнике, а также в технике низких температур. Сплавы меди имеют хорошие антикоррозионные, антифрикционные, механические и технологические свойства. К сплавам меди относятся оловянные и безоловянные бронзы, латуни и медноникелевые сплавы.

В системе европейских норм фланцам из медных сплавов уделено особое внимание в документе EN 1092-3 "Фланцы и их соединения. Круглые фланцы для труб, арматуры, фитингов и вспомогательных устройств. Фланцы с маркировкой давления Часть 3. Фланцы из меди".

Алюминий – один из наиболее лёгких конструкционных материалов (плотность 2700 кг/м³, температура плавления 659°C).  Существует следующий европейский стандарт на алюминиевые фланцы: EN 1092-4 "Фланцы и их соединения. Круглые фланцы для труб, арматуры, фитингов и вспомогательных устройств. Фланцы с маркировкой давления Часть 4. Алюминиевые фланцы".

Титан – металл серебристо-белого цвета с плотностью 4500 кг/м³, температурой плавления 1665°C. Механические свойства титана: σ_в = 250 МПа, δ = 70% главным образом его составом: чем он чище, тем ниже его прочность и выше пластичность. Воздействие примесей на титан разнообразно. Наличие азота, кислорода и водорода снижает пластичность, углерода ковкость и обрабатываемость резанием, углерода и кислорода – коррозионную стойкость.

Титан легко обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, хорошо сваривается, но обработка его резанием затруднена.

Для получения требуемых механических свойств титановые сплавы термически обрабатывают (отжиг, закалка и старение) в печах с защитной атмосферой.

Титановые сплавы широко используют для изготовления деталей в авиационной и химической промышленности, судостроении и других областях, где требуется сочетание небольшой массы с высокой прочностью, коррозионной стойкостью и жаропрочностью до 500…600°C. Благодаря пластичности и вязкости при низких температурах титановые сплавы также широко применяются в холодильной и криогенной технике.

↑ В начало

Литейные сплавы для производства деталей трубопроводов

Технологичность литейных сплавов определяется совокупностью характеристик, отражающих склонность сплавов к образованию тех или иных дефектов в отливках, а так же однородностью состава сплава и определенным кристаллическим строением отливки фланца.

Литейными свойствами сплавов называются технологические характеристики, которые непосредственно влияют на качество отливок, например, отливок фланцев. Эти свойства определяют возможность при регламентируемых параметрах получать бездефектные отливки различными способами литья с заданной конфигурацией, необходимыми точностью размеров и шероховатостью поверхности. Заготовки воротниковых фланцев, полученные методом электрошлакового литья, отличаются приближенными к готовому изделию геометрическими размерами заготовки, а так же шероховатостью поверхности воротниковой части фланца, которая зачастую не требует дальнейшей механической обработки.

Литейные сплавы, в отличие от деформируемых, должны обладать комплексом литейных свойств:

• хорошей жидкотекучестью, особенно при изготовлении тонкостенных отливов;
• небольшой объемной усадкой в жидком состоянии, особенно при изготовлении массивных отливок фланцев больших условных диаметров;
• малой линейной усадкой при затвердевании и в твердом состоянии, особенно для отливок фланцев с затрудненной усадкой, склонных к образованию трещин. При изготовлении отливок фланцев на центробежной машине появление трещин при усадке по внутреннему диаметру является негативным фактором, ведущим к дополнительному расходу металла;
• минимальной ликвацией;
• малой склонностью к растворению газов.

Отливки фланцев изготавливаются из сплавов на основе стали, цветных и тугоплавких металлов. Мы рассмотрим сплавы, нашедшие наибольшее применение для производства фланцев.

↑ В начало

Стали для литья фланцев

Литейные стали, используемые для производства фланцев: 15Х5М, 13ХФА, 20С, 20А, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, ВТ 1-0, 09ГСФ, 15Х1М1Ф, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 3, 10, 20, 09Г2С, 120ФА, 18ХГТ, 30Х13, 10Г2, 12Х1МФ, 17Г1С, 30ХГСА, 35ХГСЛ, 5Х18Н12С4ТЮ, 06ХН28МДТ и др.

В ГОСТ 977-88 «Отливки стальные» предусмотрены следующие группы литейных сталей:

1. конструкционные нелегированные: 15Л-60Л;
2. конструкционные легированные: 20ГЛ, 20ГСЛ, 30ХГСФЛ и другие;
3. легированные со специальными свойствами:
   • -мартенсивного класса 20Х13Л (коррозионностойкие); 15Х5М (жаростойкие); 20Х12ВНМФЛ (жаропрочные) ; быстрорежущие
   • -мартенситно-ферритного класса 15Х13Л (коррозионно-стойкие);
   • -ферритного класса 15Х25ТЛ (коррозионно-стойкая);
   • -аустенитно-мартенситного класса 08Х15Н4ДМЛ (коррозионно-стойкие);
   • -аустенитно-ферритного класса 10Х18Н3Г3Д2Л (коррозионностойкие), 20х20н14с2Л (жаростойкая);
   • -аустенитного класса 10х18Н9Л, 12Х18Н10ТЛ, 08Х18Н10ТЛ, 10Х17Н13М2ТЛ (коррозионностойкие).

Буква Л в конце марки сталей обозначает способ ее получения – литейная.

Примеры условного обозначения стали для отливок: 20Л ГОСТ 977-88, 12Х18Н10ТЛ ГОСТ 977-88.

Примеры условного обозначения сталей для отливок, предназначенных для фланцев, подлежащих приемке заказчика: 20Л К20 ГОСТ 977-88, 12Х18Н10Т КТ10 ГОСТ 977-88. Индексы К и КТ являются условными обозначениями категорий прочности. Следующие за ними числа показывают значения требуемого предела текучести σ_0,2. Индекс К присваивается материалу в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии. Индекс КТ – после закалки и отпуска.

В ГОСТ 21357-87 «Отливки из хладостойкой и износостойкой стали» приводятся марки, химический состав, механические свойства и области применения хладостойких и износостойких сталей, предназначенных для изготовления литых деталей трубопроводов, работающих в условиях низких температур. В указанном ГОСТ приведены данные о 15 марках сталей, например, следующая: сталь 09Г2С ГОСТ 21357-87.

В отличие от ГОСТ 977-88, в ГОСТ 21357-87 регламентировано меньшее содержание серы и фосфора во всех сталях не более 0,020% S и 0,020% Р. Вследствие этого механические свойства указанных сталей выше.

Литейные свойства хладостойких сталей аналогичны литейным свойствам углеродистых и низколегированных сталей. Нет различий и в технологии изготовления отливок фланцев. Особенности имеют место только в технологии выплавки. Они заключаются в глубоком раскислении стали комплексными раскислителями, модифицировании редкоземельными металлами и микролегировании молибденом, а так же в применении специальной термической обработки. При этом происходит глобулиризация неметаллических включений и значительное уменьшение их содержание. Молибден оказывает гомогенизирующее воздействие на фосфор, углерод и другие элементы, содержащиеся в стали.

↑ В начало

Литейные сплавы цветных металлов

Литейные титановые сплавы

Титан и его сплавы обладают замечательной совокупностью свойств, которые выгодно отличают их от остальных сплавов. Это высокая прочность при малой плотности. Титановые сплавы отличаются высокой химической стойкостью при температуре 300…500°C . Во влажном воздухе, морской воде и азотной кислоте они противостоят коррозии не хуже коррозионно-стойких сталей лучших марок, а в соляной кислоте – во много раз лучше. Указанные свойства титановых сплавов определяют широкое использование титановых фланцев и крепежных изделий в судостроительной, химической и других отраслях промышленности. К недостаткам титановых сплавов относятся плохая обрабатываемость резанием, более высокая стоимость получения титана по сравнению с производством стали.

Среди литейных сплавов на основе титана можно выделить: ВТ1Л; ВТ3Л; ВТ5Л; ВТ 14Л; ВТ202Л. По составу они аналогичны соответствующим деформируемым сплавам.

↑ В начало

Заключение

Производство деталей трубопроводов, применяемых в нефтяной, газовой промышленности и трубопроводном транспорте, в настоящее время является одним из самых металлоемких. Исходя из этого, инженеры и технологи, связанные с проектированием и эксплуатацией оборудования, должны обладать необходимыми знаниями о металлах и сплавах, их свойствах, классификации, применении и способах изготовления из них качественных и надежных деталей трубопроводов, а так же ответственных узлов и механизмов.

В настоящей статье мы постарались уделить наибольшее внимание трубостроительным материалам, сталям и сплавам используемым в производстве соединительных деталей трубопроводов.

↑ В начало

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