3.3. Рациональный выбор конструкционных материалов

Выбор конструкционных материалов, пригодных для эксплуатации в жестких условиях, представляет значительные трудности, так как требуются высоколегированные стали и сплавы с большим содержанием никеля и хрома. Высокая стоимость этих материалов приводит к тому, что приходится ограничиваться сравнительно нешироким диапазоном низколегированных сталей.

Остановимся более подробно на конструкционных материалах, применяемых для изготовления труб, используемых для транспортировки нефти и газа.

Так, трубы магистральных нефтепроводов, а также нефтепродуктов и газопроводов изготавливают в основном из углеродистых и низколегированных сталей, так как они являются экономичным, прочным, хорошо сваривающимся материалом.

Марки сталей для магистральных трубопроводов выбираются исходя из технико-экономических показателей строительства трубопроводов, основными из которых являются: полное использование прочности металла, минимальный его расход и экономия капитальных затрат.

Бесшовные горячекатаные и электросварные трубы небольших диаметров (не выше 426 мм) изготавливают из углеродистых сталей марок ВСт.3, ВСт.4, ВСт.5, 15,20,25. Малоуглеродистые стали имеют небольшой предел текучести и низкое значение отношения предела текучести к пределу прочности. Например, у стали марки ВСт.3 предел текучести равен 26 кг/мм², а временное сопротивление разрыву – 42 кг/мм². Увеличение содержания углерода повышает предел текучести и временное сопротивление, однако заметно снижает пластичность и резко ухудшает свариваемость стали. Поэтому сварные тонкостенные трубы большого диаметра (начиная с 529 мм) изготовляют не из углеродистых, а из низколегированных сталей, обладающих большой прочностью при достаточно высокой пластичности.

Низколегированные стали содержат марганец, хром, кремний, медь и другие легирующие элементы. Содержание каждого из них в большинстве случаев составляет 0,5-2,0%.

Для изготовления магистральных трубопроводов диаметром 529 мм применяется сталь марки 10ГСД, (низкоуглеродистая сталь, содержащая марганец, кремний и медь). Для трубопроводов больших диаметров (720 мм и выше) применяют сталь марок 14 ГС и 19Г (последняя отличается более низкой стоимостью). Подобные стали используют для трубопроводов и за рубежом.

Разрушения магистральных трубопроводов происходило, как показали исследования, в основном из-за наличия металлургических дефектов в металле – трещин, надрывов и т.п. Это, в свою очередь, приводит к усилению коррозии в местах структурных дефектов. Этого можно избежать за счет применения для труб стали повышенной прочности, но в то же время дешевой и недифицитной. Взамен стали 19Г были предложены новые марки, повышение прочности которых было достигнуто легированием кремнием, марганцем, никелем и другими элементами, а также термообработкой. Перспективной является дешевая сталь 17ГС, прокатанная поперек оси слитка. Благодаря поперечной прокатке эта сталь обладает более высокой однородностью структуры, меньшей анизотропией свойств, повышенной пластичностью и вязкостью в поперечном направлении листа по сравнению со сталью 19Г. Химический состав стали 17ГС следующий: 0,16-0,20 % С; 0,3-0,6 % Si; 0,7-1,0 % Мn; S и Р< 0,045 %. Поперечной прокатке подвергаются все трубные стали. Для прокладки трубопроводов в северных районах применяют сталь марки 09Г2С (более 0,12 % С; 1,3-1,7 % Мn; 0,50-0,80 % Si; 0,01-0,03 % Ti).

Помимо химического состава на механические свойства готовой трубы влияют структура металла, вид термической обработки и степень пластической деформации.

Термическая обработка трубных сваривающихся сталей производится в следующих вариантах: нормализация, закалка с высоким отпуском и др. Нормализация заключается в нагреве до температуры, превышающей критическую точку Ас₃ (880-950^о), и последующем охлаждении на воздухе. Это приводит к измельчению кристаллических зерен, повышению стабильности свойств, небольшому увеличению предела текучести, временного сопротивления и ударной вязкости. Закалка сильно влияет на механические свойства сталей с высоким содержанием углерода и некоторых легирующих элементов. Трубные же малоуглеродистые стали относятся к незакаливающимся. Тем не менее закалка вызывает некоторое повышение их прочностных характеристик. При этом ликвидируются неблагоприятные последствия прокатки – измельчается зерно, увеличивается гомогенность структуры, устраняется неравномерность механических свойств по сечению и т.д. Закалка производится обычно в сочетании с высоким отпуском (улучшение).

Нормализация и более сложные варианты термической обработки листовой стали получают все большее применение. Это увеличивает продолжительность технологического процесса, снижает производительность площадей и печных агрегатов, а следовательно, повышает стоимость труб. Однако расходы окупаются экономией металла на изготовление магистральных трубопроводов, так как термическая обработка позволяет снизить толщину стенки труб благодаря большей прочности термообработанной стали.

Таким образом, механические, прочностные свойства, а также свариваемость трубных сталей достаточно высоки. Однако коррозионные свойства этих материалов уступают высоколегированным коррозионностойким сталям, содержащим повышенное содержание таких легирующих компонентов таких как хром, никель, титан и других Легированные нержавеющие стали являются необходимым конструкционным материалом в агрессивных средах нефтеперерабатывающих заводов, где они должны обеспечить длительную и надежную работу оборудования, работающего при высоких температурах.