Типы и внутренняя структура сталей для производства фланцев и прочих деталей трубопроводов.

Назначение трубопроводов - надежно транспортировать разные жидкости и газы в различных условиях. Данным целям удачно подходят металлы, чаще всего - сплавы железа.

Век железа продолжается и сегодня. Около 9/10 от всех используемых человеком металлов и сплавов – сплавы железа. Железа плавится во всем мире приблизительно в 50 раз больше алюминия, не говоря уже о других химических элементах группы металлов.

Разнообразные прокладки, переходы, заглушки, фланцы, тройники и прочие детали трубопроводов производятся не из чистых металлов, а из сплавов металлов с неметаллами и металлами.

С точки зрения физики и химии, металлы - это кристаллические вещества, в которых играет ведущую роль металлический род межатомной связи, атомы легко отдают свои валентные электроны, превращаясь в положительные ионы. Происходит обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла. Следствие этого - высокое координационное число и большая компактность кристаллических структур металлов.
Металлы в большинстве случаев, по сравнению с ковалентными кристаллами, имеют более низкие температуры плавления, испарения, модуль упругости. Металлические кристаллы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные кристаллы.

Виды сплавов для производства фланцев

В сплавах, используемых для изготовления фланцев, химические элементы могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя различные по составу, виду связи и строению фазовые состояния кристаллической решетки. Условлено отличать 2 основных типа кристаллическо-атомной структуры: промежуточные фазы (ПФ)и твердые растворы (ТР).

Твердые растворы

ТР - это кристаллические вещества, где сохраняется симметрия 1-го ( главного ) элемента-растворителя.

Когда радиусы атомов в смеси отличаются не больше, чем на 15% (это т. н. Размерный фактор), получаются твердые растворы замещения (или ТРЗ). Атомы растворяемого в-ва располагаются в решетке растворяющего вещества статично и образуют локальные искажения пространственной решетки растворителя. Получение твердых растворов приводит к снижению пластичности и увеличению прочности.
Альфа-железо допускает неограниченную растворимость с хромом, а высокотемпературная фаза гамма-железа - с никелем Ni.
Многие твердые растворы замещения необычно проявляют себя с изменением температуры: они способны быть в упорядоченном состоянии (т. н. "сверхструктура"), когда при определенных температурах (точках Курнакова) вместо почти случайного распределения атомов разного сорта в узлах кристаллической решетки атомы одного и иного металла размещаются в абсолютно определенном порядке. Примечательно, что при этом многие свойства изменяются скачком, например, при упорядочении снижается пластичность, возрастает твердость и прочность, что и приемлют фланцы, произведенные из соответствующего сплава.

Твердые растворы внедрения (ТРВ) возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами малого атомарного радиуса - H, N, B, C. Кстати, сталь - сплав железа и углерода, в котором содержание C составляет от 0,01 % до 2,0 %. ТРВ имеют ограниченную растворительную способность. Деформации кристаллической решетки более, чем в случае ТРЗ, поэтому свойтва изменяются более резко (снижается вязкостьи пластичность, повышается прочностьи твердость).
Примером ТР внедрения, позволяющих производить фланцы и прочие элементы трубопроводов, являются твердые растворы углерода в гамма-фазе железа с ГЦК симметрией (до 2,14% по массе C), альфа-железо с объемно-центрированной кубической структурой почти не растворяет углерод C (до 0, 02% по массе).

Интересно, что в сплаве 3-х элементов вероятно растворение путем и ТРЗ, и ТРВ: в сплаве Fe-Mn-C образуется ТР, где марганец растворяется с помощью замещения, а углерод - при помощи внедрения.

ТРЗ и ТРВ составляют основу большинства промышленных конструкционных сплавов и сплавов специального назначения для изготовления стальных фланцев, переходов, фланцевых заглушек и других деталей трубопроводов.

В промежуточных фазах (ПФ) образуется абсолютно новый тип кристаллической решетки, качественно отличающийся от решеток элементов, его образующих. Классификация ПФ разнообразна и сложна, структура зависит от условного размера атомов, их валентности и положения в периодической системе Д. И. Менделеева. ПФ внедрения - самые тугоплавкие и твердые промежуточные фазы. Fe3C Карбид железа (цементит) и Cr23C6 и Cr7O3 карбиды хрома - это важнейшие ПФ в тугоплавких и твердых конструкционных марках стали (стальные фланцы жаропрочные).

В сплавах железа, содержащих больше 1/5 хрома, используемых как нержавеющие (например, фланцы нержавеющие), медленное охлаждение из области твердого раствора приводит к резкому увеличению хрупкостии твердости сплавов. Сталь, содержащая 18% хрома и 8... 9% никеля (фланцы из стали 12Х18Н10Т), – это знаменитая «нержавейка», из которой зачастую изготавливают нержавеющие фланцы, стойкие к агрессивным воздействиям среды.

Характеристики сталей разнообразны, следовательно, есть фланцы, предназначенные для долгого пребывания в соленой морской воде, фланцы 15Х5М, выдерживающие высокую температуру и агрессивное воздействие горячих газов, фланцы 09Г2С для криогенных температурных режимов относительно мягкие уплотнительные прокладки, и высокопрочные фланцы...