УДК 669-419.4
СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ СТАЛЕЙ
© Зайцев Александр Иванович, д-р физ.-мат. наук, проф.; Родионова Ирина Гавриловна, д-р техн. наук; Амежнов Андрей Владимирович
ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва. E-mail: aizaitsev1@yandex.ru Павлов Александр Александрович, канд. техн. наук
ООО «Институт биметаллических сплавов». Россия, Москва Статья поступила 19.07.2012 г.
Рассмотрены современные направления развития производства и применения двухслойных сталей в таких отраслях промышленности, как химическое и нефтяное машиностроение, нефтепромысловое оборудование, сельскохозяйственная и дорожная техника, строительство морских судов.
Ключевые слова: коррозионная стойкость; тяжелонагруженные детали и узлы сельскохозяйственных машин; твердость; биметалл; электрошлаковая наплавка; плакирующий слой; прочность сцепления слоев; термическая обработка.
Двухслойные стали, относящиеся к разряду биметаллов, имеющие, как правило, основной слой из конструкционной стали и плакирующий из коррозионно-стойкой, являются уникальным материалом, сочетающим требуемые механические свойства и необходимую коррозионную стойкость [1]. Основными показателями качества двухслойного проката, определяющими его технологичность при изготовлении оборудования и эксплуатационные свойства изделия, являются сплошность и прочность соединения слоев, а также специальные свойства плакирующего слоя (коррозионная стойкость, износостойкость и др.) [2]. В настоящее время в России требования к листовым двухслойным сталям регламентируются в ГОСТ 10885-85, ориентированном на биметалл, получаемый по схеме пакетной прокатки.
Возрастающие потребности в высокопроизводительном оборудовании для нефтегазоперера-батывающих и химических производств, работающем в самых экстремальных условиях (высокие и низкие температуры, давления, действия агрессивных сред, циклические нагружения), вызывают необходимость применения надежных биме-5 таллов, обеспечивающих соблюдение требований 7 Ростехнадзора к пожаро- и взрывоопасным объ-^ ектам и безопасную эксплуатацию оборудования на протяжении многих лет. Так, в случае много-£ кратных циклических нагрузок при эксплуатации < часто выявляются нарушения сплошности сце-г пления слоев и отслаивание плакирующего слоя
из-за недостаточной прочности сцепления в исходном двухслойном прокате [3]. Это вызывает необходимость проведения ремонтов с соответствующими экономическими затратами и снижает ресурс работы оборудования.
Регламентируемые ГОСТ 10885-85 характеристики не отвечают современным требованиям, в связи с чем широкое распространение получили проекты иностранных фирм. В настоящее время при строительстве аппаратов и установок российских НПЗ используются импортные двухслойные стали. Данное обстоятельство вызывает необходимость развития современных отечественных технологий производства биметаллов с высокими показателями качества. При этом технология их получения должна не только обеспечивать комплекс требуемых свойств, но быть экономичной и конкурентоспособной как на внутреннем, так и на мировом рынках.
В настоящее время получение двухслойных листов с самыми высокими технологическими и эксплуатационными свойствами возможно в условиях ОАО «Северсталь» способом электрошлаковой наплавки (ЭШН) коррозионно-, износостойкой и других специальных сталей на слябы из конструкционной стали с последующей их прокаткой.
Суть промышленной технологии получения двухслойных слябов с помощью ЭШН заключается в следующем. В зазоре между поверхностью сляба из основного металла и водоохлаждаемым
кристаллизатором наводится шлаковая ванна, в которую помещаются вертикально расположенные электроды из коррозионно-стойкой стали с перекрытием всей ширины, подающиеся сверху вниз с одновременным передвижением сляба (по стрелке - рис. 1). При прохождении электрического тока происходит разогрев шлаковой ванны, при этом мощности должно быть достаточно как для расплавления расходуемых электродов, так и для подплавления поверхностных участков основного слоя. Наплавленный слой кристаллизуется на поверхности сляба, а его толщина складывается из величины зазора между поверхностью сляба и кристаллизатором плюс глубина проплавления основного слоя. Толщина наплавленного слоя варьируется в зависимости от требуемой толщины плакирующего слоя в готовом прокате.
В процессе ЭШН происходит рафинирование плакирующего слоя (снижение содержания серы, кислорода и неметаллических включений), при этом соединение основного и плакирующего слоев происходит при совместной кристаллизации из жидкого состояния, благодаря чему обеспечивается высокая прочность сцепления слоев.
Специалистами ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» и ООО «Институт биметаллических сплавов» проведены масштабные комплексные исследования по оптимизации технологических режимов получения исходных составляющих, корректировке электрических параметров процесса с целью предотвращения раз-нотолщинности плакирующего слоя.
В настоящее время совместно со специалистами ВНИИЭТО проводится модернизация существующего оборудования с целью полной автоматизации процесса и исключения влияния человеческого фактора при получении двухслойных слябов. Внедрение рекомендаций по разработанной технологической схеме, не имеющей мировых аналогов, в рамках выпускаемых в ОАО «Северсталь» промышленных партий обеспечивает прочность сцепления слоев до 500 МПа, превышающую все существующие требования стандартов по этому показателю для других способов производства. Такой уровень прочности сцепления слоев полностью исключает возможность расслоения в процессе изготовления и эксплуатации сосудов и аппаратов из двухслойных сталей и позволяет повысить срок их гарантийной службы до 40 лет.
За последние два года при участии ведущих отечественных научно-исследовательских и про-
1
Рис. 1. Схема получения двухслойного сляба методом широкослойной наклонной электрошлаковой наплавки:
1 - сляб основы; 2 - кристаллизатор; 3 - жидкая шлаковая ванна; 4 - расходуемые электроды; 5 — наплавленный слой;
6 - тележка для сляба; L - длина сляба
ектных организаций на базе этой технологии были разработаны ТУ, СТО, РП на производство двухслойных листов с основным слоем из сталей 12ХМ, 09Г2С и Ст3 и плакирующим слоем из сталей 08Х13 и (08-12)Х18Н10Б. В новых нормативно-технических документах учтены требования международных стандартов и проектов известных организаций, таких как AXCENS, FLUOR, Conoco Phillips, ABB и т.д. Кроме того, осуществляемая в настоящее время отработка технологии прокатки двухслойных слябов в условиях стана 5000 ЛПЦ-3 ОАО «Северсталь» позволит получать крупногабаритные листы площадью до 50 м2. Это приведет к уменьшению количества сварных швов, промежуточных послесварочных циклов термообработки и соответственно затрат при производстве оборудования для химической и нефтеперерабатывающей отраслей (ректификационных колонн, реакторов, теплообменников, резервуаров для хранения сырой и товарной нефти и др.). При этом 80% потребности этих отраслей можно обеспечить благодаря применению отечественных высококачественных двухслойных сталей.
Помимо изготовления ответственной нефтехимической аппаратуры актуальными остаются вопросы повышения коррозионной стойкости нефтепромыслового оборудования - сварных вну- £ трипромысловых нефтепроводов, резервуаров для хранения сырой и товарной нефти (рис. 2), так ^ как при повышенном содержании в водной фракции хлоридов и других агрессивных компонентов ^ активно развиваются процессы локальной кор- | розии. К примеру, скорость язвенной коррозии s
Рис. 2. Коксовая камера (а) диам. 6700 мм с толщиной стенки 40 мм, длиной 22 м (12ХМ+08Х13); реактор 400-К01 (б) диам. 5600 мм с толщиной стенки 40 мм, длиной 18 м (09Г2С+08Х13)
нижнего пояса и днища резервуаров превышает скорость общей коррозии в 3-6 раз и может достигать 3-4 мм/год. Наиболее опасны сквозные проржавления, приводящие к утечке нефтепродукта.
Среднестатистический срок службы днища резервуаров с применяемыми в настоящее время защитными покрытиями не превышает 10 лет. В некоторых случаях межремонтные сроки составляют всего лишь один год, ремонты проводятся в летний период и достаточно продолжительно, так как нанесение защитных покрытий требует специальной подготовки поверхности и промежуточных просушек. В связи с этим перспективным является применение двухслойных сталей с плакирующим слоем из коррозионно-стойкой хромистой стали небольшой (до 1,5 мм) толщины. Использование горячекатаных биметаллических листов из рулонов, получаемых на стане 2000 ЛПЦ-2 ОАО «Северсталь», позволит суще-5 ственно сократить сроки поставки оборудования резервуаров и его стоимость.
Проведенные в НИФХИ им. Л.Я.Карпова испытания на стойкость против общей и питтин-£ говой коррозии (в том числе сварных соедине-| ний), а также натурные испытания показали, что ¡г плакирующий слой из стали 08Х13, полученный
Рис. 3. Результаты испытаний на стойкость против питтинговой коррозии: 1 - наплавленный слой 08Х13 повышенной чистоты по примесям; 2 - обычная сталь 08Х13;
3 - обычная сталь 08Х18Н10Т
способом ЭШН, имеет наилучший показатель, а наибольшую склонность к питтингообразованию имеют коррозионно-стойкие стали обычной выплавки (рис. 3).
Таким образом, применение двухслойного проката для изготовления и ремонта нефтяных резервуаров является кардинальным решением проблемы защиты от коррозии их внутренней поверхности.
С точки зрения улучшения экологической обстановки регионов и экономической целесообразности перспективно применение двухслойных коррозионно-стойких сталей для труб нефтяного сортамента (рис. 4) на участках трасс нефтепроводов, наиболее интенсивно подвергающихся коррозионному воздействию и наиболее опасных в аварийном отношении [4].
Первый опыт применения коррозионно-стойких биметаллических сваренных ТВЧ труб был связан с производством в 1997 г. опытной партии сварных трехслойных труб и строительством нефтепромысловых трубопроводов в ОАО «Слав-нефть-Мегионнефтегаз». При монтаже трубопроводов были отмечены высокая технологичность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.