Использование сталей 09Г2С и 13ХФА для производства фланцев

Стали 09Г2С и 13ХФА широко применяются для изготовления фланцев, гарантируя высокие эксплуатационные качества и долговечность службы изделий. Химический состав данных сплавов приведен в таблице ниже. 

 Характеристики стали 09Г2С и её применение

Данная сталь по своему классу относится к низколегированным маркам. Характерной особенностью ст.09Г2С считается сохранение её высоких механических свойств в условиях отрицательных температур. Этого удаётся достичь за счёт малого содержания углерода (С) и одновременного добавления в состав сплава кремния (Si) и марганца(Mn).

Местами формирования трещин являются пластинки цементита – химического соединения, входящего в состав перлита. Цементит характеризуется низким уровнем пластичности, поэтому в условиях минусовых температур его переходы с ферритом превращаются в преграду, рядом с которыми концентрируются дислокации в процессе скольжения. Уменьшение количества перлита в общей массе положительно влияет на стойкость материала при достижении отрицательной температуры.

Легирование марганцем придаёт прочности, при этом позволяя сохранить пластичность стали. Параллельно резко снижается её красноломкость. Марганец вызывает измельчение зерна феррита. Это повышает пластичность материала и понижает границы температурного интервала перехода к хрупкому разрушению металла (хладноломкость).

Стали, содержащие в составе кремний (Si) в количестве выше 0,37% (порог технологической примеси), в процессе обработки на равную твёрдость с нелегированными сталями отличаются более высокой вязкостью. В условиях равной температуры отпуска легированные стали характеризуются более высокой прочностью, но уступают нелегированным составам по вязкости.

Сталь 09Г2С содержит низкое количество углерода (C) и легирующих компонентов, хорошо поддаётся сварке и не имеет ограничений, поэтому широко задействуется при создании сварных конструкций. Данная сталь стабильно применятся в условиях отрицательных температур (до -70 ⁰С) и повышенного давления. Высокий показатель пластичности 09Г2С делает её хорошим материалом для производства различных изделий путём холодного штампования.

Характеристики и использование стали 13ХФА

Данная сталь также является низколегированной. Она применяется при производстве трубной продукции различного диаметра для нефтяной, газовой и химической отраслей промышленности.

Сталь 13ХФА характеризуется высокими показателями механических свойств. Она устойчива к появлению и распространению коррозии, хладостойка. Сопротивляемость коррозийным процессам более выражена в присутствии H2S.

В первую очередь, это объясняется наличием в составе хрома. Данный элемент в сочетании с ванадием оказывает благотворное влияние на устойчивость к разрушению при отрицательной температуре. Стоит отметить положительное воздействие малых добавок ванадия, что становится возможным благодаря их рафинирующим, микролегирующим и модифицирующим качествам.

Присутствие хрома в составе увеличивает способности сплава к термическому упрочнению, также повышает устойчивость стали к окислительным и коррозийным процессам. Это же повышает прочность состава в условиях минусовых температур.

В процессе легирования с применением ванадия формируются карбиды, трудно поддающиеся растворению. Это способствует уменьшению размеров зерна. Что снижает порог хладноломкости, а также уменьшает уровень чувствительности относительно микропластической деформации, т.н. концентраторов напряжений. По сварке стали 13ХФА имеются ограничения.

Стали 09Г2С, 13ХФА: анализ и сравнение

Периодически возникают ситуации, когда необходимо заменить ст. 09Г2С  - ст. 13ХФА и наоборот. Механические свойства данных сталей собраны в таблице ниже, исследования проводились на основе анализа свойств нефтегазопроводных труб, сделанных из этих стальных сплавов. 

Становится ясно: марка 13ХФА демонстрирует гораздо более высокие значения ударной вязкости в условиях отрицательных температур. Более высокий предел текучести и сопротивления разрыву для ст. 13ХФА позволяет марке 09Г2С получить преимущество в относительном удлинении. Лапиков С.О. в своём сравнении двух этих марок приводит данные о том, что сталь 09Г2С вполне можно заменить сталью 13ХФА при производстве запорной арматуры. Специалисты провели механические испытания, данные - в таблице ниже.

Данные таблицы говорят о том, что сталь 13ФХА имеет почти втрое больший показатель ударной вязкости в условиях морозов до -60 ⁰С. Уменьшение показателей относительного удлинения у стали 13ФХА в сравнении с маркой 09Г2С объясняется более высокими значениями прочности и пределом текучести.

Показатели механических испытаний, указанные в данной таблице, достаточно интересны с точки зрения анализа. При схожих показателях прочности эти марки сильно различаются по пределу текучести. Показатель ударной вязкости при Vобразном концентраторе и температуре -60 ⁰С у марки 13ХФА почти в 2 раза выше, чем у марки 09Г2С. При U-образном концентраторе ситуация меняется противоположным образом, но при этом разница в показателях не так велика.

Также необходимо отметить тот факт, что в процессе исследования было обнаружено, что показатели ударной вязкости были гораздо ниже предполагаемых значений. При этом показатели относительного удлинения и сужения в шейке были в целом высокими. Даже после проведенного анализа микроструктуры сталей не всегда находится объяснение таким разрозненным показателям. Показатели ударной вязкости, полученные в процессе механического испытания данных марок, представляют собой отдельную тему для изучения.

Использование фланцев из сталей 09Г2С и 13ХФА

Специалистами было проведено исследование плоских фланцев аналогичного типа, произведенных из сталей 09Г2С и 13ХФА. Полученные результаты приведены в таблице ниже.

Для производства фланцев, привариваемых встык, согласно ГОСТ 33259-2015 рекомендуется использовать как заготовки поковки, имеющие уровень мех. свойств от КП245 и выше. В вышеприведенной таблице содержатся min значения, позволяющие говорить о достижении для данных заготовок требуемых показателей прочности. И ст. 09Г2С, и ст. 13ХФА удовлетворяют этим требованиям. При этом окончательная термообработка выполнялась методом нормализации.

Показатели ударной вязкости сильно разнятся, при дальнейших исследованиях стоит проверить их значения при температуре ниже 0 ⁰С. Что будет особенно актуально при использовании фланцев в условиях северных широт.

Марка 13ХФА устойчива к коррозии. А.В. Иоффе, исследуя стойкость разных видов сталей к карбонатной коррозии, обращал внимание на то, что привычные типы сталей непригодны для использования в таких условиях. Они формируют рыхлые коррозийные продукты. Это может спровоцировать переход от локальной к мейза-коррозии.

Марганец, входящий в состав сталей, негативно сказывается на их сопротивляемости коррозии. Данный элемент более активен в сравнении с железом, провоцируя образование окислов и сульфидов марганца. К подобным выводам пришёл и В.О. Кученев, который проводил стендовые испытания и изучал их результаты для рассматриваемых марок сталей.

Он также указал на то, что марка 09Г2С имеет низкие показатели сопротивляемости коррозии. Невзирая на то, что коррозийные процессы не имели высокой интенсивности и скорости развития, именно их язвенное формирование не позволяет использовать данную сталь в условиях агрессивной среды. Например, в воде, насыщенной ионами различных солей, сероводородом и углекислым газом в растворённой форме.

Влияние микролегирования хромом

Углекислотная коррозия, которая развивается на поверхности сталей, легированных хромом в малых количествах, не приводит к пассивации металла в привычном смысле. Но всё же предотвращает контакт металла с хлоридами, препятствуя их взаимодействию с поверхностью стали.

Исследователи Е.А. Борисенкова и М.К. Ионов провели испытание стали марки 13ХФА в среде, насыщенной диоксидом углерода. В процессе были описаны поэтапные стадии формирования коррозийного слоя, обладающего защитными свойствами. Содержание Cr в стали - 1%. Защитные качества продукта коррозии, по мнению специалистов, проявляются за счёт их насыщения хромом. При этом со временем количество Cr в коррозийном слое только растёт со временем. Это происходит за счёт того, что гидроксид хрома не подлежит растворению и фиксируется в приповерхностном слое, а ионы железа Fe2+ продолжают свой выход во внешнюю среду раствора.