Является ли пруток из углеродистой стали подходящим материалом для компонентов сосудов под давлением?

Временное сопротивление разрыву и предел текучести материала соответствуют разделу II, часть D стандарта ASME BPVC.

Что касается сосудов под давлением, то углеродистые стальные прутки должны соответствовать требованиям Кодекса ASME по котлам и сосудам под давлением, в частности, Раздела II, Части D, в котором изложены механические свойства деталей, воспринимающих давление. Согласно значениям предела текучести, он должен составлять не менее 205 МПа (примерно 30 000 фунт-сила на квадратный дюйм). В то же время предел прочности менее постоянен и может варьироваться в диапазоне от 380 до 485 МПа (примерно от 55 000 до 70 000 фунт-сила на квадратный дюйм) в зависимости от марки стали и рабочей температуры. Углеродистая сталь марки ASTM A36 прямо указана в стандартах для применений, где давление не превышает 300 фунт-сила на квадратный дюйм. Прутки соответствуют стандартам и обеспечивают хороший показатель отношения прочности к массе. Другим важным свойством является относительное удлинение. Если оно остаётся выше 20 %, материал обладает достаточной гибкостью, чтобы выдерживать скачки давления без разрушения. Поддержание твёрдости на уровне ниже 200 HB также способствует предотвращению хрупких разрушений, связанных с потерей пластичности, — это вопрос безопасности, имеющий существенное значение.

Прочность по шкале Тачстоун: Спецификации: Сравнение ASTM A516 класса 70 и требований к эксплуатации при низких температурах

С учетом природы углеродистой стали и ее температуры перехода от пластичного к хрупкому состоянию, ударная вязкость становится критически важным параметром. В качестве примера можно привести сталь ASTM A516 класса 70 — материал, часто применяемый для сварных листов сосудов. Для стали A515 класса 70 требуется лишь минимальное значение ударной вязкости по Шарпи V-образным надрезом, равное 20 Дж при температуре около минус 30 °C. Такое требование является достаточным для систем охлажденной воды. Однако оно недостаточно для применений, предполагающих эксплуатацию при температурах порядка минус 45 °C — минус 49 °C. Любопытно, что при анализе данных раздела VIII ASME и связанных с механикой разрушения положений выясняется: углеродистая сталь демонстрирует худшие показатели по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью — примерно на 40–50 % хуже. На практике это означает, что для арктических трубопроводов и установок хранения СПГ требуется минимальная ударная вязкость не менее 40 Дж. В этом случае инженерам, как правило, остается единственный выбор — использовать никелевые сплавы, указанные в стандарте ASTM A352 (марки LCB/LCC), либо применить специальную термообработку для снятия остаточных напряжений после завершения строительства. Это обусловлено тем, что стандартные прутки из углеродистой стали изначально не обладают соответствующей способностью.

Сосуды, работающие под давлением, их изготовление и марки углеродистой стали по стандарту ASTM

Сварные сосуды, работающие под давлением, из углеродистой стали: временные крепёжные элементы и присоединительные детали из стали марки A516-70

Сталь марки A516-70 обладает всеми необходимыми свойствами: исходный предел текучести составляет около 260 МПа (38 ksi). Она хорошо сваривается и обеспечивает надёжную вязкость сварных швов по толщине при умеренных эксплуатационных температурах, а также имеет оптимальное содержание углерода (менее 0,27 %). Это способствует предотвращению образования трещин в зоне термического влияния (ЗТВ). Следует отметить, однако, что стандарт A516 распространяется только на листы, а не на прутки. Использование прутков из углеродистой стали вместо них будет несоответствующим требованиям стандарта, если не указана «эквивалентная» марка прутковой стали. При использовании прутковых заготовок в конструкциях, удерживающих давление, применяются другие стандарты ASTM, регламентирующие механические и химические характеристики.

Когда следует избегать применения прутков ASTM A106 и A29 в конструкционных и цилиндрических изделиях

Хотя бесшовные трубы по стандарту ASTM A106 могут быть весьма эффективны для высокотемпературных цилиндрических компонентов, используемых в соплах и аналогичных изделиях, низкое и нестабильное качество химического состава данного продукта, а также отсутствие обязательных испытаний на ударную вязкость делают невозможным его применение в качестве замены конструкционных прутков в основных областях применения, связанных с удержанием давления. Рассмотрим, например, сталь марки A29, класс 1045. Эта марка предназначена для типовых конструкционных применений, однако для неё не установлено нормированное минимальное значение предела текучести; следовательно, в пластичной области предел текучести может оказаться весьма низким, что создаёт риск структурного разрушения в самый неподходящий момент. Кроме того, оба этих стандарта не предусматривают требований к химическому составу, испытаниям на ударную вязкость и ведению документации, предъявляемых разделом VIII Свода правил ASME по сосудам и трубопроводам под давлением (ASME BPVC Section VIII). Поэтому при изготовлении некруглых компонентов, предназначенных для удержания давления, следует использовать углеродистые стальные прутки по стандарту ASTM A696. Эти прутки характеризуются повышенными требованиями к химическому составу, подтверждённой ударной вязкостью, а также результатами испытаний, демонстрирующими возможность их обработки в необходимые фитинги — элементы, имеющие исключительно важное значение в нашей отрасли.

Поведение углеродистой стали при коррозии и экологические ограничения для стальных прутков

Уязвимость к растрескиванию в присутствии влажного H₂S, питтинговой коррозии хлоридами и стратегии её предотвращения

Сосуды под давлением, содержащие влажный сероводород (H₂S) и хлориды, чрезвычайно разрушающе действуют на стальные изделия из углеродистой стали и вызывают быстрое ухудшение состояния металла. В процессе эксплуатации сталь становится склонной к явлению, называемому сульфидным коррозионным растрескиванием под напряжением. При сульфидном коррозионном растрескивании под напряжением водород (H) поглощается металлом и проникает в его структуру. Эта проблема ещё более усиливается при повышении твёрдости стали (более 22 HRC по шкале твёрдости Роквелла). Наличие хлоридов приводит к образованию электрохимических элементов (или локальной питтинговой коррозии) на поверхности, а также к возникновению точек концентрации напряжений, что значительно увеличивает скорость распространения трещин. В связи с этим инженерам следует выбирать материалы с твёрдостью ниже значения 22 HRC, установленного в стандартах NACE MR0175 и ISO 15156. Также следует применять защитные покрытия (например, алюминиевые покрытия, нанесённые методом термического распыления, и эпоксидные покрытия). Необходимо также рассмотреть возможность применения систем катодной защиты. Системы управления, предназначенные для удаления H₂S, снижения уровня pH и введения ингибиторов коррозии, являются эффективными средствами контроля агрессивной среды. С точки зрения проектирования, исключение «мертвых зон» и полостей, в которых может задерживаться вода, является важнейшей мерой предотвращения отказов, вызванных коррозией.

Снижение содержания углерода в прутке из углеродистой стали и его влияние на свариваемость, обрабатываемость и термообработку после сварки

Как снижение содержания углерода и его влияние сказываются на зоне термического влияния (ЗТВ) и требованиях к термообработке после сварки (ТОПС)?

При интеграции углеродистой стали с другими элементами для изготовления сосудов, работающих под давлением, содержание углерода (C) критически важно для определения свариваемости. При содержании углерода выше 0,25 % повышается риск возникновения нежелательных свойств в зоне термического влияния (ЗТВ), что делает эту зону склонной к образованию холодных трещин после сварки. Содержание углерода менее 0,25 %, как правило, благоприятно для сварки, поскольку обеспечивает лучшую стабильность дуги, снижение требований к предварительному подогреву и большую гибкость при квалификации сварочных технологических процессов. Согласно стандарту ASME BPVC Раздел VIII, Подраздел 1, если толщина любого элемента составляет 38 мм или более, требуется проведение термообработки после сварки (ТОПС). Это процедура, направленная на снятие остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки, а также на восстановление необходимого уровня пластичности в компонентах, подвергающихся циклическим нагрузкам, или в компонентах, эксплуатируемых в условиях высоких требований к надёжности. Типичная ТОПС выполняется путём нагрева до заданной температуры 600–700 °C в течение одного часа на каждые 25 мм толщины образца; при этом перед ТОПС обязательным является предварительный подогрев во избежание теплового удара.

Правильное выполнение этих шагов гарантирует сохранение размерной стабильности всех элементов и надёжности конструкции на протяжении всего срока службы без существенного влияния на темпы производства.

Какова минимальная предел текучести для углеродистых стальных прутков, используемых в сосудах под давлением?

Требуемая минимальная предел текучести составляет 205 МПа или 30 000 фунтов на квадратный дюйм (PSI).

Почему сталь марки ASTM A516 класса 70 является предпочтительным материалом для сварных деталей сосудов из углеродистой стали?

Благодаря сбалансированному набору свойств, включающему минимальный предел текучести около 260 МПа, хорошую свариваемость и высокую ударную вязкость.

Какое влияние оказывает температура на ударную вязкость углеродистой стали?

Низкие температуры снижают ударную вязкость углеродистой стали, вследствие чего её эксплуатационные характеристики ухудшаются по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями.

Какие методы применяются для защиты углеродистых стальных прутков от коррозии?

Использование материалов с твёрдостью менее 22 HRC, защитные покрытия, катодная защита и поддержание контролируемой окружающей среды.

Каково значение содержания углерода при сварке стальных прутков из углеродистой стали?

Если содержание углерода остается ниже 0,25 %, это способствует стабильной дуге при сварке, снижает необходимость предварительного подогрева, а сталь становится менее склонной к образованию холодных трещин.