Как металл сохраняет свою прочность и противостоит коррозии при высоких температурах? Хромомолибденовая сталь, широко используемая в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, достигает этого благодаря уникальному составу сплава. В этой статье блога рассматриваются свойства, жаропрочность и коррозионная стойкость хромомолибденовой стали. Узнайте о конструкции, производственных соображениях и о том, почему этот материал имеет решающее значение для применения при высоких температурах и высоком давлении. Окунитесь в эту тему, чтобы узнать, как хромомолибденовая сталь может улучшить ваш следующий инженерный проект.
Хромомолибденовая сталь, также известная как среднетемпературная водородостойкая сталь, представляет собой высокоэффективный сплав, характеризующийся повышенной высокотемпературной прочностью и сопротивлением ползучести. Это улучшение достигается за счет стратегического добавления легирующих элементов, в первую очередь хрома (Cr ≤10%) и молибдена (Mo).
Синергетический эффект этих легирующих элементов не только улучшает механические свойства стали, но и придает ей превосходную стойкость к водородному охрупчиванию и превосходные высокотемпературные характеристики. Эти характеристики делают хромомолибденовую сталь незаменимым материалом для различных ответственных промышленных применений, включая нефтепереработку, химическое оборудование для переработки водорода и высокотемпературные аппараты.
В сфере производства сосудов под давлением хромомолибденовая сталь зарекомендовала себя как предпочтительный материал благодаря уникальному сочетанию свойств. Способность сохранять структурную целостность при повышенных температурах и давлении в сочетании с устойчивостью к деградации под воздействием водорода делает ее особенно подходящей для сложных условий, встречающихся в технологических отраслях.
В этой статье рассматриваются многогранные аспекты хромомолибденовой стали в контексте проекта синтеза метанола в Цзютае. Мы изучим отличительные характеристики материала и рассмотрим критические соображения на различных этапах реализации проекта, включая оптимизацию конструкции, производственные процессы, протоколы неразрушающего контроля, режимы термообработки и эксплуатационные процедуры при запуске и остановке установки. Всесторонне рассматривая эти факторы, мы стремимся дать понимание, которое может способствовать безопасной, эффективной и надежной эксплуатации оборудования из хромомолибденовой стали для синтеза метанола и аналогичных промышленных процессов с высокой степенью риска.
Добавление таких элементов, как хром, молибден и квасцы, повышает устойчивость стали к высокотемпературному окислению и высокотемпературную прочность.
Механизм действия следующий: Хром в основном содержится в цементите (Fe3C), а растворенный в цементите хром повышает температуру разложения карбидов, препятствуя возникновению графитизации, тем самым повышая жаропрочность стали.
Молибден оказывает укрепляющее действие на феррит в твердом растворе, а также может повышать стабильность карбидов, что благоприятно сказывается на высокотемпературной прочности стали.
Включение соответствующего количества ванадия позволяет стали сохранять мелкозернистую структуру при высоких температурах, повышая ее термостойкость и прочность.
Такие элементы, как хром и молибден, повышают стабильность карбидов, препятствуя их разложению, тем самым снижая вероятность образования метана в результате реакции карбидов и осажденного углерода с водородом.
Добавление ванадия позволяет стали сохранять мелкозернистую структуру при более высоких температурах, что значительно повышает устойчивость стали в условиях высоких температур и давления.
Под отпускным охрупчиванием хромомолибденовой стали понимается явление, при котором ударная вязкость стали снижается при длительной эксплуатации в диапазоне температур от 370°C до 595°C.
Именно в таком диапазоне температур работает наше широко используемое водородное оборудование. Экспериментальные исследования показали, что в хромомолибденовой стали класса сосудов высокого давления отпускное охрупчивание наиболее сильно проявляется при содержании хрома от 2% до 3%.
Такие элементы, как фосфор, сурьма, олово, мышьяк, кремний и марганец, оказывают значительное влияние на охрупчивание. Охрупчивание обратимо; материалы, которые сильно охрупчились, можно снять охрупчиванием с помощью соответствующей термообработки.
Благодаря добавлению элементы сплава таких как хром, молибден и ванадий, критическая скорость охлаждения стали снижается, что повышает стабильность переохлажденного аустенита.
Если скорость охлаждения при сварке высокая, трансформация из аустенит до перлита в перегретой зоне зоны термического влияния маловероятно.
Вместо этого он превращается в мартенсит при более низких температурах, образуя закаленную структуру.
Под совместным действием комплексного остаточного напряжения в сварное соединение и диффундирующего водорода, закаленная структура в зоне сварного шва и зоне термического влияния очень восприимчива к индуцированному водородом замедленному растрескиванию.
В конкретных условиях эксплуатации выбранные материалы должны не только обладать превосходной стойкостью к водородной коррозии, но и эффективно контролировать тенденцию к отпускной хрупкости.
Они также должны обладать хорошими свариваемость. Химический состав определяет структуру, структура определяет характеристики, а характеристики определяют использование. В конечном счете, ключ к успеху лежит в контроле химического состава.
3.1.1 Меры по борьбе с водородной коррозией
Хромомолибденовая сталь не подвергается водородной коррозии даже под высоким давлением при низких температурах (~200°C). Однако она может подвергаться водородной коррозии при работе в высокотемпературных водородных средах под высоким давлением.
Как правило, мы выбираем материалы из хромомолибденовой стали для конкретных условий эксплуатации на основе кривой Нельсона, которая соответствует рабочей температуре и парциальному давлению водорода.
Как видно из кривой Нельсона, чем выше содержание хрома и молибдена, тем выше устойчивость к водородной коррозии.
На кривой, если условия эксплуатации сосуда находятся выше сплошной линии, это указывает на возникновение водородной коррозии. Если они ниже сплошной линии, это означает, что водородная коррозия не возникнет.
3.1.2 Меры по борьбе со склонностью к хрупкости
Регулируя содержание в материале таких элементов, как P, Sb, Sn, As, Si, Mn, можно контролировать тенденцию к хрупкости при отпуске.
Для этого обычно используются коэффициент чувствительности к охрупчиванию при отпуске J обычной стали и коэффициент чувствительности к охрупчиванию при отпуске x металла шва. Для обычно используемой стали 2,25Cr-1Mo применяются следующие контрольные индексы:
В практическом машиностроении также необходимо контролировать содержание остаточных элементов Cu и Ni. Содержание Cu не должно превышать 0,20%, а содержание Ni не должно превышать 0,30%.
3.1.3 Определение чувствительности трещин
Чувствительность к трещинам связана с углеродным эквивалентом, значение которого должно быть определено производителем на основе процесс сварки оценка.
Метод расчета: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
С увеличением значения углеродного эквивалента свариваемость стали ухудшается. Когда значение Ceq превышает 0,5%, чувствительность к холодному растрескиванию увеличивается, а сварка и процессы термообработки станет более строгим.
Для широко используемых Cr-Mo сталей с 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, Ceq обычно ограничивается приблизительно 0,48%.
При имитации сварки и послесварочная термическая обработка на пластинах для испытания сварных швов изделий, максимальное значение углеродного эквивалента может быть увеличено до 0,5%.
Из-за высокой склонности стали Cr-Mo к закалке она склонна к образованию трещин с задержкой и растрескиванию в угловых сварных швах.
Поэтому структурное проектирование следует обратить внимание на следующие моменты:
3.2.1 Уменьшите степень ограничения и разумно спроектируйте конструкцию соединения.
3.2.2 Поверхность сварного шва не должна иметь подрезов.
3.2.3 Армирование отверстий должно осуществляться в целом, кольцевые конструкции армирования не должны использоваться.
3.2.4 Не следует использовать внутренние насадки типа "удлинитель".
3.2.5 Соединение с аксессуарами должно быть двухсторонним полное проникновение конструкции, и угловые сварные швы не должны использоваться.
3.2.6 В стыковом соединении цилиндра предпочтительно использовать U-образную форму. паз.
Сталь Cr-Mo имеет большее значение эквивалента углерода и, как правило, склонна к образованию холодных трещин различной степени. Это можно предотвратить с помощью следующих мер:
3.3.1 Строго контролируйте содержание водорода в сварочный пруток и использовать основной электрод с низким содержанием водорода.
3.3.2 Перед сваркой оборудования в сборе необходимо выполнить предварительный нагрев. Благодаря предварительному нагреву скорость охлаждения сварочный материал может быть уменьшена, чтобы предотвратить образование хрупких твердых структур.
Температура предварительного нагрева определяется оценка процесса сварки. Перед оценкой сварочного процесса необходимо провести испытание на трещинообразование необходимо провести на образце для определения температуры предварительного нагрева, которая не должна быть ниже температуры предварительного нагрева в течение всего процесса сварки.
В то же время температура межслойной прослойки должна быть не ниже, чем температура предварительного нагрева. Сразу после сварки следует принять меры по устранению последствий нагрева.
Каждый лист Cr-Mo стали, используемый для изготовления корпуса, должен пройти ультразвуковой контроль.
Для высокотемпературных, высоконапорных, толстостенных реакционных сосудов после радиографического контроля стыковых соединений 100% следует провести ультразвуковой контроль и дополнительный контроль магнитными частицами. сварные соединения допустимые для ультразвукового контроля после термообработки и гидростатических испытаний.
Ультразвуковой контроль более чувствителен к трещинам и дефектам, чем радиографический, поэтому его следует проводить с осторожностью, учитывая сроки проведения неразрушающего контроля.
В процессе изготовления сосуда газ водород может проникать в металл, вызывая небольшие трещины в стали - явление, известное как водородное охрупчивание.
Для предотвращения водородного охрупчивания необходимо своевременно проводить послесварочную дегидрогенизационную обработку.
Дегидрогенизационная обработка включает в себя нагрев сварного шва и прилегающего к нему родительского материала до высокой температуры сразу после сварки, что увеличивает коэффициент диффузии водорода в стали.
Это способствует оттоку перенасыщенных атомов водорода из металла шва, тем самым препятствуя возникновению холодные трещины. Дегидрогенизационная обработка может считаться ненужной, если послесварочная термическая обработка (PWHT) проводится сразу после сварки.
Сосуды любой толщины, изготовленные из Cr-Mo, должны проходить общую послесварочную термообработку. Послесварочная термообработка стали Cr-Mo не только устраняет остаточное напряжение но и улучшает механические свойства стали, что благоприятно сказывается на сопротивлении водородной коррозии.
Cr-Mo сталь может подвергнуться хрупкому разрушению, если ее рабочая температура низка или близка к температуре перехода вязкости в хрупкость, а напряжение достигает определенного уровня.
Однако такого разрушения можно практически избежать, если фактическое напряжение в сосуде составляет менее одной пятой от предел текучести из Cr-Mo стали.
Поэтому для сосудов высокого давления, изготовленных из Cr-Mo стали, следует применять процедуру повышения температуры перед давлением при запуске и снижения давления перед температурой при остановке для предотвращения хрупкого разрушения.
При внедрении международного стандарта Cr-Mo стальных материалов
В связи с расхождениями в определении коэффициента безопасности и методах расчета допустимых напряжений материала в отечественных и международных стандартах, при использовании материалов из Cr-Mo стали по международным стандартам следует применять отечественные правила расчета допустимых напряжений.
Если взять в качестве примера SA387Cr.11G1.2, то расчет его допустимого напряжения выглядит следующим образом:
Сначала определите предел прочности на разрыв и предел текучести при различных температурах для материала из ASME.
Допустимое напряжение при комнатной температуре - это меньшее значение между пределом прочности при растяжении при комнатной температуре, деленным на 3,0, и пределом текучести, деленным на 1,5.
Поскольку данные по пределу прочности при высоких температурах на отечественном рынке отсутствуют, допустимое напряжение при высоких температурах определяется делением предела текучести при высоких температурах на 1,6.
Если рассчитанное значение больше допустимого напряжения при комнатной температуре, примите значение при комнатной температуре. В противном случае используйте расчетное значение.
Допустимое напряжение этого материала в ASME показывает, что когда температура превышает 450℃, допустимое напряжение быстро падает, и в этот момент предел ползучести регулирует допустимое напряжение.
Поскольку ASME не предоставляет данных по пределу ползучести выше 450℃, а коэффициенты безопасности для предела ползучести в отечественных стандартах и ASME совпадают, мы непосредственно принимаем допустимое напряжение из ASME. Конкретное допустимое напряжение при расчетной температуре может быть получено с помощью интерполяции.
В этой статье изложены некоторые специфические требования к материалам из Cr-Mo стали. При детальном проектировании необходимо учитывать все аспекты в соответствии со стандартными спецификациями, проводить всесторонний анализ, чтобы добиться безопасного, экономичного и рационального проектирования.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO