Меню

Температура ползучести стали 20

Температура ползучести стали 20

Влияние среды с температурой выше 450°С на металл трубопровода

При длительной работе трубопроводов с температурой среды выше 450°С в сталях развивается ползучесть, окалинообразование и графитизация, которые снижают прочностные характеристики сталей.

Жаропрочность. При работе паропровода с температурой пара выше 450°С на внутренних стенках труб происходит окисление металла и за счет утончения стенок труб образуются тонкие слои окалины. С течением времени толщина стенах труб уменьшается, вследствие чего в стенках труб увеличиваются напряжения и ускоряется процесс ползучести.

Способность стали сопротивляться образованию окалины при действии на нее пара с высокой температурой называемся окалиностойкостью или жаропрочностью.

Жаростойкость сталей определяется потерей массы окисляющимся металлом за определенный промежуток времени. Потеря в массе металла за счет образования окалины учитывается при расчете толщины стенки труб на прочность прибавкой на образование окалины.

Графитизация. Под действием высоких температур в стали происходит выделение свободного углерода по границам зерен. Это явление называют графитизацией стали. Наличие зерен графита в стали с практически нулевой механической прочностью равносильно появлению в стали раковин или пустот, ослабляющих металл к приводящих к ускорению ползучести.

Чтобы предотвратить графитиазацию сталей, производят специальные термические обработки стали и легирование сталей специальными присадками, связывающими углерод. Для своевременного обнаружения графитизации труб паропроводов на электростанциях организован систематический контроль за изменениями структуры стали с периодической вырезкой с наиболее горячих участков паропроводов образцов для лабораторного исследования.

Длительная прочность характеризует разупрочнение металла трубопровода или снижение его механической прочности при длительной работе при высоких температурах. Чем длительнее металл работает при высоких температурах, тем меньшее напряжение требуется для разрушения этого металла.

Таблица 1-3
Механические свойства металлов труб
Марка стали Предел текучести, МПа Временное
сопротивление
разрыву, МПа
Относительное
удлинение, %
Твердость по Бринеллю
(при в толщине стенки
более 10 мм) HB
Диаметр
отпечатка,
мм не менее
Число твердости
не более
10
20
35
45
10Г2
20Х
40Х
30ХГСА
15ХМ
30ХМА
12ХН2
ВСт4сп
ВСт4сп
ВСт5сп
ВСт5сп
210
250
300
330
270



230
400
400
25
25
27
27
340
420
520
600
480
440
670
700
440
600
550
420
420
500
500
24
21
17
14
21
16
9
11
21
13
14
20


17
5,1
4,8
4,4
4,2
4,3

3,7




1370
1560
1870
2070
1970

2690






Таблица 1-4
Номинальные допустимые напряжения для труб из
углеродистых сталей при разных температурах, МПа
Марка стали Временное сопротивление
разрыву, МПа
Рабочая температура труб, °С
200 260 300 340 380 400 420 440 460
Ст2
СтЗ
Ст4
10
15 и 15к
22к
25 и 25к
350
390
430
360
400
450
480
105
117
128
109
121
14
14
93
103
111
96
106
129
127
85
94

88
97
122
115



79
87

104



71
77

92



67
73

87



63
69

81



52
58

67



41
46

51

Длительной прочностью стали называется способность стали нести без разрушения заданную нагрузку в течении определенного времени. Предел длительной прочности трубопроводных сталей является их важнейшей прочностной характеристикой. Сравнительной величиной длительной прочности стали является предел длительной прочности, т. е. напряжение, при котором металл разрушается через 100000 ч работы при определенной температуре.

Расчеты трубопроводов на прочность обычно производятся по допускаемым напряжениям, которые связаны с пределом длительной прочности соотношением

где σ t доп — допускаемое напряжение, σд.п — запас прочности по пределу длительной срочности.

Величина σ t доп, вычисленная по этой формуле, относится к той температуре, для которой был принят предел длительной прочности. Предел длительной прочности трубопроводных сталей резко снижается при повышении температуры.

Механические свойства металла труб в состоянии поставки должны удовлетворять нормам механических свойств, приведенным в табл. 1-3.

Номинальные допускаемые напряжении для труб из углеродистых сталей для разных температур приведены в табл. 1-4.

Рекомендуемые расчетные характеристики прочности стали при высоких температурах приведены в табл. 1-5.

В качестве расчетной характеристики прочности принята наименьшая из двух величин для данной температуры — предела текучести и предела длительной прочности за 100 000 ч. Значения предела текучести (находящиеся слева от жирной ломаной линии) соответствуют минимальным опытным данным для разных плавок, а значения предела длительной прочности (находящиеся справа от жирной ломаной линии)—средним опытным данным с отклонениями ±20% среднего значения.

Таблица 1-5
Рекомендуемые расчетные характеристики прочности труб при высоких температурах, МПа
Марка стали Рабочая температура. ºС
250 300 350 400 450 475 500 525 550 575 600 625 650
20
15ГС
15ХМ
12Х1МФ
13Х1М1Ф
12Х2МФБ
12Х2МФСР
Х18Н12Т
200
250
230
250
280
210
240
210
180
230
220
240
270
200
230
200
100
200
210
230
230
190
220
200
140
170
200
220
240
190
210
190
100
130
190
210
230
170
200
185
70

190
200
220
150
190
180
50

155
190
210
120
180
170


110
150
170
100
150
165


75
110
130
80
110
160



85
95
65
85
140



60
70
50
70
110





40
60
90







70
Читайте также:  Почему не стали снимать продолжение эрагон

Значения характеристик прочности для температур, лежащих в промежутке между указанными в таблице, находят линейной интерполяцией.

Предел текучести определяют по ГОСТ 9651-73. На электростанциях должен быть организовав контроль состояния металла паропроводов при температуре стенки 450°С и выше, а также наблюдения за ростом остаточных деформаций, структурными изменениями, изменениями содержания легирующих элементов в карбидной фазе.

На электростанции должна быть схема паропроводов с нанесенными на ней точками измерения остаточных деформаций, местами

Рис. 1-2. Расположение реперов на контрольном участке паропроводов.

расположения контрольных участков (рис. 1-2) сварных соединений и опор. Нумерация этих точек измерения и контрольных участков сварных соединений должна быть последовательная и единая по электростанции. Места расположения точек измерения и площадка для удобного доступа к ним должны быть предусмотрены проектом.

Для установки бобышек на паропроводах под один размер и последующего измерения по ним остаточной деформации труб применяют специальные скобы (рис. 1-3). Для каждого диаметра труб имеется своя скоба. Замеры производят по бобышкам, установленным по взаимно перпендикулярным осях (х—х иуу).

Контролю и наблюдению подлежат все паропроводы, работающие при температуре 450°С и выше, за исключением паропроводов диаметром менее 100 ми, длительность работы которых не превышает 3000 ч в гол.

Рис. 1-3. Эскиз скобы (шаблона) для измерения остаточной деформация паропроводов.

1 — корпус; 2 — сменная губка; 3 — губка, запрессованная во втулку с посадкой А1/Пр1; 4 — втулка; 5 — гайка, закрепляющая схемную втулку.

Размеры скобы для наиболее ходовых диаметров паропроводов
Диаметр паропровода, мм Размер скобы, мм
l D С R К R не менее H
I II III I II III
335
273
245
219
188
133
10
10
10
10
10
10
8,4
8,6
8,8
8,9
9,15
9,35
6,8
7,2
7,6
7,8
8,3
8,7
288
313
289
259
208
173
366,5
314,4
286,2
260,1
208,8
173,6
308,2
315,8
287,4
261,2
209,7
174,3
385
333
305
279
228
193
192,5
166,5
132,5
139,5
114
96,5
25
25
20
20
15
15
217,5
191,5
172,5
159,5
129,5
111,5
8
8
8
6
6
6

Ползучесть — явление, при котором в стенках труб медленно накапливается остаточная деформация, возникающая в результате длительного воздействия внутреннего давления среды даже при напряжениях ниже предела текучести, соответствующего данной температуре. Ползучесть приводит к увеличению диаметра трубопровода и соответственно утонению стенок труб и возрастанию напряжений растяжения. Протекание процесса ползучести характеризуется скоростью ползучести. Для уменьшения скорости ползучести в сталь вводят легирующие элементы: хром, молибден, ванадий, титан. Следовательно, для трубопроводов, работающих при температуре 450°С и выше, применяют низколегированные, легированные и аустенитные стали.

Источник

Сталь 20: качественные характеристики и области примения

Общие данные

Заменитель
Сталь 15, Сталь 25
Вид поставки
Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-74, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 8509-86, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8240-72, ГОСТ 8239-72.

Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.

Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 10702-78.

Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74.

Лента ГОСТ 6009-74, ГОСТ 10234-77.

Полоса ГОСТ 1577-81, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70.

Проволока ГОСТ 5663-79, ГОСТ 17305-71.

Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70.

Трубы ГОСТ 10704-76, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 5654-76, ГОСТ 550-75. Назначение После нормализации или без термообработки крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников и другие детали, работающие при температуре от -40 до 450°С под давлением, после ХТО — шестерни, червяки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины.

Преимущества стали и его недостатки

Марка стали 20 имеет основное достоинство – этот высококачественный сплав с хорошими технологическими характеристиками можно приобрести по умеренной цене. При использовании металла для производства продукции отмечаются его преимущества:

  • является одновременно пластичным и прочным, устойчивым к истиранию;
  • сохраняет необходимые качества при работе в диапазоне температур (-40 — +450 оС);
  • имеет низкую флокеночувствительность;
  • устойчив к воздействию среды, находящейся под высоким давлением (газ, пар);
  • в структуре сплава практически не образуются трещины после его обработки давлением;
  • металл обладает высокой свариваемостью (до его термообработки);
  • после выполнения сварочных работ швы не требуется закаливать;

При использовании металла необходимо учитывать его главный недостаток – появление признаков коррозии на поверхности. Для недопущения такого процесса необходимо покрытие специальным защитным химсоставом (гальваника).

Расшифровки маркировки

Сталь 20 — углеродистая. Именно процентное содержание вещества – углерода, определяет название сплава. По ГОСТу 1050-88 его должно быть от 0,17 до 0,24%, или среднее значение – 0,2%. Оно и используется для маркировки металла.

Состав и структура

Основа — железо. Дополнительные компоненты:

  1. Углерод (0,2%). От данного компонента зависит прочность, твердость сплава. Чем его больше, тем выше эти показатели, но при этом снижается пластичность.
  2. Марганец (0,6%). Это сильный раскислитель. При его добавлении снижается количество серы в составе. Увеличивает показатель прочности, износоустойчивости у поверхности структуры сплава. Улучшает ковку, сварку металла.
  3. Кремний (0,35%). Сильный раскислитель. Добавляется для уменьшения содержания азота, кислорода, водорода. Это снижает количество пор, газовых раковин, которые негативно влияют на прочность.
  4. Медь (0,3%), хром (0,2%), никель (0,3%). Эти компоненты нужны для повышения устойчивости к образованию ржавчины, увеличения механической стойкости.
  5. Сера (0,04%), фосфор (0,035%). Вредные компоненты, которые ухудшают его технические характеристики, свойства.

От количества дополнительных компонентов зависят свойства, параметры готовой продукции. Для их изменения состав может насыщаться разными легирующими добавками.

Массовая доля элементов стали 20 по ГОСТ 1050-2013

Механические свойства

Механические свойства при повышенных температурах

C
(Углерод)
Si
(Кремний)
Mn
(Марганец)
P
(Фосфор)
S
(Сера)
Cr
(Хром)
Ni
(Никель)
Cu
(Медь)
Fe
(Железо)
0,17 – 0,24 0,17 – 0,37 0,35 – 0,65
t испытания, °C σ0,2, МПа σB, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/м2
410 25 55
490 7 40
390 21 50
390-490 50 163
340-440 50 163
490 7 40 207
410 25 55
340-490 28 127
20 280 430 34 67 218
200 230 405 28 67 186
300 170 415 29 64 188
400 150 340 39 81 100
500 140 245 40 86 88
700 130 39 94
800 89 51 96
900 75 55 100
1000 47 63 100
1100 30 59 100
1200 20 64 100

Механические свойства проката

Термообработка, состояние поставки σB, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/м2
Сталь калиброванная горячекатаная, кованая и серебрянка 2-й категории после нормализации 410 25 55
Сталь калиброванная 5-й категории после нагартовки 490 7 40
Сталь калиброванная 5-й категории после отжига или высокого отпуска 390 21 50
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска или отжига 390-490 50 163
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после сфероидизирующего отжига 340-440 50 163
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой нагартованная без термообработки 490 7 40 207
Полосы нормализованные или горячекатаные 410 25 55
Лист термообработанный 1-2-й категории 340-490 28 127
430 34 67 218
405 28 67 186
415 29 64 188
340 39 81 100
245 40 86 88
130 39 94
89 51 96
75 55 100
47 63 100
30 59 100
20 64 100

Механические свойства поковок

Термообработка, состояние поставки Сечение, мм σ0,2, МПа σB, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/м2 HB
Нормализация
КП 175 245 > 410 > 25 > 55

Свойства по стандарту ГОСТ 2284-79

Сортамент Предел текучести, σ0,2, МПа Временное сопротивление разрыву, σв, МПа Относительное удлинение при разрыве, δ5, %
Лента отожженная 310-540 18
Лента нагартованная 490-830

Технологические свойства

Температура ковки
Начала 1280, конца 750. Охлаждение на воздухе.
Свариваемость
Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС.
Обрабатываемость резанием
В горячекатанном состоянии при НВ 126-131 и sB = 450-490 МПа, Ku тв.спл. = 1,7 и Ku б.ст. = 1,6.
Склонность к отпускной способности
Не склонна.
Флокеночувствительность
Не чувствительна.

Температура критических точек

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Состояние поставки, термообработка +20 -20 -40 -60
Отжиг 110 68 47 10
Номализация 157 109 86 15-38

Предел выносливости

σ-1, МПа τ-1, МПа n σB, МПа σ0,2, МПа Термообработка, состояние стали
206 1Е+7 500 320
245 520 310
225 490 280
205 127 Нормализация 910 С, отпуск 620 С.
193 420 280
255 451 Цементация 930 С, закалка 810 С, отпуск 190 С.

Химические свойства

У материала невысокая химическая устойчивость к большинству кислотных соединений. Если на поверхность попадёт влага, на ней останется ржавчина. Из-за неё сильно ухудшается внешний вид, прочность.

Чтобы защитить материал от коррозии, следует наносить гальванические покрытия (хром, цинк, прочие схожие соединения).

Физические свойства

Температура испытания, °С 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа 212 208 203 197 189 177 163 140
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа 78 77 76 73 69 66 59
Плотность, pn, кг/см3 7859 7834 7803 7770 7736 7699 7659 7917 7624 7600
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С) 51 49 44 43 39 36 32 26 26
Уд. электросопротивление (p, НОм · м) 219 292 381 487 601 758 925 1094 1135
Температура испытания, °С 20- 100 20- 200 20- 300 20- 400 20- 500 20- 600 20- 700 20- 800 20- 900 20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С) 12.3 13.1 13.8 14.3 14.8 15.1 15.2
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С)) 486 498 514 533 555 584 636 703 703 695

Уровень раскисления

  • Спокойная сталь 20. За счёт введения кремния и марганца, полностью отсутствует кислород. Оксидов железа также очень небольшое количество. Это и обеспечивает «спокойное» застывание металла в ковше. Однородность, плотность СТ20 на выходе отличные, только сверху формируется газовая раковина.
  • Кипящая сталь. Образовывается путём раскисления марганца, что ведёт к повышению содержания закиси железа. Соединение образует углекислый газ. В итоге формируются пузыри газа, выглядящие как кипящая масса. Такой металл очень пористый, химические элементы распределены неравномерно, что обуславливает ухудшение механических характеристик, увеличивает опасность появления трещин, ухудшает свариваемость. Но есть и достоинства – невысокая цена, отсутствие небезопасных отходов.
  • Полуспокойная СТ20. Нечто среднее между предыдущими разновидностями сплава.

Особенности термообработки

Для материала предусмотрена термообработка – закалка, отпуск, отжиг. После их выполнения изменяется ферритно-перлитная структура, которая преобразуется в мартенситную. Происходит уменьшение пластичности материала с одновременным увеличением его прочности.

При нагреве заготовок используются печи двух видов – индукционные, доменные. Для закалки выдерживается температурный режим от 790 до 820оС. Время нахождения изделий в печи может быть разным, определяется технологией. Охлаждение выполняется на воздухе, в масле или воде. Для отжига выполняют нагрев заготовок до 160 – 200оС.

Зависимо от степени раскисления можно выделить три типа стали:

  1. Кипящая. Для раскисления применяется марганец. В составе повышается количество железа. При взаимодействии с углеродом выделяется большое количество углекислого газа. Особенность данного вида стали — высокая пористость. Основные компоненты металла распределяются по структуре неравномерно. Из-за этого снижается показатель прочности.
  2. Спокойная. Образуется в процессе удаления кислорода из состава металла. Для этого в сплав вводится марганец, кремний. Внутри содержится минимальное количество оксида железа. Структура однородная, упорядоченная. Сталь получается высокопрочной. Газовые карманы, которые образуются возле поверхностей, удаляются механическим путем.

Третий вид — полустойкий сплав. Представляет собой комбинацию двух вариантов.

Виды прокатного профиля

Прокатный профиль из СТ 20 получают одним из двух способов:

  1. Горячее деформирование. Данный метод используется только для изделий определенной толщины, который не должен быть выше 4 мм.
  2. Холодное деформирование. Для малой толщины изделий. В результате процедуры происходит утолщение сплава.

Этими методами получают следующие виды проката:

  • Холоднокатаные трубы из стали, сваренной целиком. Листы подлежат соединению по краям швов, которые выступают по прямой линии. Это делают после предварительной их свертки по радиусу. Получаются цельные изделия с повышенной твердостью.
  • Бесшовные трубы. Применяется метод горячего и холодного волочения, что придает изделию максимальную прочность и устанавливает достаточно высокую цену.
  • Профиля всех видов: листы, швеллера, проволоки, прутки. Можно изготавливать любые по длине и ширине изделия.

Изготовление

  1. Конверторный. Расплавленный металл продувается потоком воздуха.
  2. Мартеновский. Плавка металлического лома в специальных печах.
  3. С использованием электропечей. Позволяют контролировать рабочий процесс.

Материал применяется для изготовления разного вида проката:

  1. Холодного деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной не более 4 мм. При наклепе увеличивается прочность сплава.
  2. Горячего деформирования. Применяется для прокатки заготовок толщиной свыше 4 мм.

Горячее деформирование — востребованная технология проката металла, но на поверхностях образуется окалина, из-за которой снижается прочность материала.

Основные отличия Стали 20 от Стали 20А

Добавление буквы «А» в конце обозначения Стали 20, указывает на то что Сталь 20А относиться к категории — сталь высококачественная. Основные отличия в химическом составе это более жёсткие требования по содержанию Серы (S) и более широкие по содержанию Углерода (С) (смотреть таблицу).

Химический элемент %
Сталь 20 Сталь 20А
Углерод (C) 0.17-0.24 0.15-0.25
Сера (S), не более 0.04 0.035

Следовательно Сталь 20А менее подвержено охрупчиванию.

Сферы применения

Определенные технические характеристики стали 20 объясняют ее применение в разных направлениях промышленности:

  1. Производстве трубной арматуры (накидных гаек, штуцеров, фланцев, крестовин, ниппелей).
  2. Изготовлении строительных материалов.
  3. Сборке разных металлоконструкций, машин, судов, промышленного оборудования.

Из этого металла производят:

  1. Бесшовные трубы. Изготавливаются путем холодного, горячего волочения. Их особенность — высокая прочность.
  2. Цельносварные холоднокатаные трубы.
  3. Различные профиля (проволоку, двутавры, швеллера, металлические уголки, листы разной толщины, прутки).

Изделия из этого сплава изготавливаются по определенным государственным стандартам:

  1. ГОСТ 17305-91— производство проволоки разного сечения.
  2. ГОСТ 82-70 — изготовление металлических лент разной ширины.
  3. ГОСТ 16523-97 — производство легких листов малой толщины.
  4. ГОСТ 10704-9 — изготовление труб.
  5. ГОСТ 8479-70 — производство кованых деталей, поковок.
  6. ГОСТ 1577-93 — изготовление металлических листов большой толщины.
  7. ГОСТ 14955-77 — производство серебрянки, шлифовальных прутков.
  8. ГОСТ 7417-75 — изготовление калиброванных прутков.
  9. ГОСТ 8240-97, ГОСТ 1050-88 — производство фасонного, сортового проката.

В ГОСТах указываются основные требования к готовой продукции, ее испытания для допуска в продажу.

Стоимость тонны стали

СТ20 включена в класс чёрных металлов. Стоимость тонны лома зависит от региона приобретения и колеблется в пределах 28000-30000 рублей.

Стоимость складывается из ряда факторов, среди которых коррозийные следы (их появление возможно в результате хранения материала) и объём партии. Сдача лома обуславливает повышение цены. В подобном случае наценка осуществима лишь при реализации тысячи тонн и более.

Аналоги материала

Для некоторых изделий допускается замена материала сталью, имеющей аналогичные качества. Продукция российских производителей — сталь 40Х, 30, 25, 15. Металл-заменитель может поставляться из-за рубежа – 20 (Китай), S20C (Япония), 1020, 1023 (США), C22R (Германия).

Зарубежные аналоги Стали 20

Источник

Adblock
detector