Фланцы из стали 09Г2С и 13ХФА

Фланцы из стали 09Г2С и 13ХФА: различия механических свойств и областей применения

Наиболее распространенными марками сталей для отрасли являются 09Г2С и 13ХФА, химический состав которых представлен в табл. 1.

Таблица 1 - Химический состав (массовая доля элементов, %)

Сталь 09Г2С: применение и свойства

Марка стали 09Г2С относится к классу низколегированных сталей. Относительно небольшое содержание углерода вместе с легированием марганцем и кремнием способствует сохранению высокого уровня механических свойств при отрицательных температурах. Пластинки цементита в составе перлита обладают низкой пластичностью и служат местами зарождения трещин. При низких температурах границы «феррит-цементит» в перлите играют роль препятствий, у которых скапливаются дислокации при их скольжении. Снижение доли перлита в структуре оказывает положительное влияние на стойкость при отрицательных температурах. Марганец, в общем случае, повышает прочность и при этом не оказывает негативного влияния на пластичность стали, резко снижая ее красноломкость. Также он измельчает зерно феррита, повышает пластичность, что приводит к понижению порога хладноломкости. Стали, содержащие в своем составе количество кремния выше технологической примеси (обычно не превышает 0,37%), при обработке на одинаковую твердость с нелегированными обладают несколько более высоким запасом вязкости, а при равной температуре отпуска превосходят нелегированную сталь по показателям прочности, уступая ей, однако, в вязкости. За счет низкого содержания углерода и легирующих элементов, сталь сваривается без ограничений и широко применяется в сварочных конструкциях.

Ее часто используют при эксплуатации в условиях низких температур (до -70 °С) и при высоких давлениях, а также, благодаря высокой пластичности, активно применяют при изготовлении деталей методом холодной штамповки.

Сталь 13ХФА: применение и свойства

В свою очередь, низколегированная сталь 13ХФА находит широкое применение в качестве материала для нефте- и газопроводных труб и в иных сферах химической промышленности. Наряду с высоким уровнем механических свойств и хладостойкостью, отличительной характеристикой 13ХФА является сопротивляемость образованию коррозии, особенно в присутствии H2S. Прежде всего это обусловлено наличием хрома, который за счет своего химического воздействия препятствует активному развитию данного процесса. Комплексное легирование хромом и ванадием благотворно влияет на сопротивление разрушению при минусовых температурах. Важно отметить, что малые добавки ванадия, высокоактивные по отношению к железу и примесям стали, оказывают комплексное воздействие на структуру и свойства стали благодаря сочетанию рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего эффекта. В свою очередь, добавление хрома повышает способность стали к термическому упрочнению, усиливает стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при низких температурах. При легировании стали небольшим количеством ванадия образуются труднорастворимые в аустените карбиды, способствующие измельчению зерна. Это приводит к понижению порога хладноломкости и уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений. Сталь сваривается с ограничениями.

Сравнительный анализ статей

В ряде случаев встает вопрос о возможности замены марок стали 13ХФА и 09Г2С друг на друга. В комплексном исследовании нефтегазопроводных труб, проведенном А. В. Иоффе с коллегами, представлены механические свойства сталей испытуемых труб.

Таблица 2 - Механические свойства

Из таблицы видно, что сталь 13ХФА имеет значительно более высокое значение ударной вязкости при отрицательной температуре. Снижение значения относительного удлинения для 13ХФА в сравнении с 09Г2С можно объяснить повышением предела текучести и прочности для первой стали. В работе Лапикова С. О. приводилось исследование возможности замены стали 09Г2С на 13ХФА в качестве материала запорной арматуры. Результаты механических испытаний приведены в табл. 3.

Полученные данные механических испытаний из таблицы выше представляют большой интерес для анализа. При практически одинаковых значениях предела прочности значение предела текучести для стали 09Г2С значительно ниже, чем для 13ХФА. Значение ударной вязкости при -60 °С при V-образном концентраторе для стали 13ХФА практически в два раза больше, чем для 09Г2С, а при U-образном концентраторе картина меняется на противоположную, хотя разница в значениях уже не столь велика. Стоит отметить, что в ряде исследований наблюдается ситуация, когда на общем высоком уровне значений относительного сужения в шейке и относительного удлинения, резко ниже ожидаемого находится значение ударной вязкости. Такие разрозненные значения не всегда находят объяснение даже после исследования микроструктуры. Значения ударной вязкости из табл. 3 представляют особый интерес для дополнительных исследований и анализа.

Применение фланцев из сталей 13ХФА и 09Г2С

Компания «ОНИКС», специализирующаяся на производстве стандартных фланцев согласно ГОСТ 33259-2015 и нестандартных – по индивидуальному чертежу, провела собственные исследования механических свойств двух одинаковых типов фланцев из марок стали 13ХФА и 09Г2С. Результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Механические свойства, испытания фланцев

Для фланцев приварных встык ГОСТ 33259-2015 регламентирует использовать в качестве заготовки поковки с уровнем механических свойств не ниже КП245 по ГОСТ 8479-70. В табл. 4 также представлены минимально допустимые значения, на основании которых можно судить о достижении для исследуемых поковок данной категории прочности. Как видно из указанных значений, обе марки в рамках данной работы удовлетворяют КП245. В качестве окончательной термообработки проводилась нормализация. Однако наблюдается существенная разница в значениях ударной вязкости между данными марками стали. На следующем этапе исследования будет полезным проверить значения ударной вязкости при отрицательных температурах, что особенно актуально при эксплуатации фланцев в условиях севера.

Как отмечалось ранее, сталь 13ХФА обладает достаточно высоким уровнем стойкости к образованию и развитию коррозии. А. В. Иоффе, в своей работе проводивший исследования стойкости ряда марок стали к карбонатной коррозии, указывает на то, что традиционно используемые марки стали не пригодны для данных условий. Они образуют рыхлые продукты коррозии, имеющие слабую адгезию с металлом, не замедляют коррозионные процессы, что может привести к смене характера коррозии: с равномерной на локальную мейза-коррозию. Так, например, марганец за счет более высокой активности по сравнению с железом, негативно влияет на коррозионную стойкость, способствуя образованию окислов и сульфидов марганца. Подобные результаты также отмечает В. О. Кученев, проводивший анализ результатов стендовых испытаний, в том числе для марок 09Г2С и 13ХФА. Он указывает на низкую сопротивляемость образованию коррозии для стали 09Г2С. Несмотря на невысокие значения общей скорости коррозии, Кученев подчеркивает язвенный характер коррозионных повреждений, который не позволяет рекомендовать данную сталь к использованию в коррозионно-агрессивных средах. Например, в воде с высоким содержанием ионов растворенных солей, растворенных агрессивных газов сероводорода и углекислого газа.

Важно отметить, что продукты углекислотной коррозии на сталях, микролегированных хромом, не приводят к пассивации поверхности стали в классическом смысле, однако обладают определенными защитными свойствами, защищая металл от проникновения к нему хлоридов. В своей работе Е. А. Борисенкова и М. К. Ионов представили результаты лабораторных испытаний образцов из стали 13ХФА в СО2-содержащей модельной среде. В ходе комплексного исследования морфологии и химического состава продуктов коррозии, а также замеров основных параметров модельной среды были выявлены основные этапы формирования защитного слоя продуктов коррозии на стали с 1% Cr. Кроме того, благодаря полученным результатам, описана стадийность углекислотной коррозии на стали с 1% хрома. Основным фактором формирования защитных свойств продуктов коррозии, по мнению авторов, является насыщение продуктов коррозии хромом. Процентное содержание хрома в продуктах коррозии увеличивается со временем за счет того, что образовавшаяся фаза Cr(OH)3 не растворяется и остается в приповерхностном слое, а ионы железа Fe2+ продолжают выходить в раствор.

• воротниковые фланцы 09Г2С
• воротниковые фланцы 13ХФА
  
• плоские фланцы сталь 09Г2С