Мұнай-газ сұрыпындағы болаттардың сыныптамасы

БІРІНШІ ТАРАУ

РЫЛЫМДЫҚ (КОНСТРУКЦИЯЛЫҚ) БОЛАТТАРДЫҢ ЖАЛПЫ СИПАТТАМАСЫ ЖӘНЕ ТАҢДАУЫ

Мұнай-газ сұрыпындағы болаттардың сыныптамасы

Мұнай және газ кәсіпшілігі – өңдіруші, тасымалдаушы және өңдеуші жабдықтар үшін жыл сайын әлемнің дамыған елдерінде шығарылатын болаттың 8% шығындалатын, ең металсыйымды салалардың бірі. Болат пен басқа да қорытпаларды бұндай көп тұтыну кезінде оларды оңтайлы пайдаланумен байланысты проблемалардың маңызы мен актуальдылығы ерекше.

Әртүрлі пайдалану факторларының жиынтығы қолданылатын болаттардың сыныптары мен маркаларының кең тізімін анықтайды. Болаттарды сыныптау қатарына химиялық құрамы, металдың сапасы, тағайындалуы, құрылымдық-фазалық құрамы кіретін белгілер қатарымен жүргізіледі.

Болаттардың химиялық құрамы көміртек мөлшеріжәне қоспаланатын элементтердің(көміртектен басқа) жиынтық шоғырлануымен регламентеледі.

Көміртек мөлшері бойынша бөлінеді:

- аз көміртекті болаттар – көміртек мөлшері 0,025-тен 0,25%-ға дейін;

- орташа көміртекті – көміртек мөлшері 0, 25-тен 0,55%-ға дейін;

- көп көміртекті – көміртек мөлшері 0,55%-дан асады.

Көміртекті болаттарда арнайы енгізілетін қоспаланатын элементтер болмайды және механикалық қасиеттері негізінен көміртек мөлшеріне тәуелді. Оның шоғырлану өскен сайын болаттың беріктік қасиеттері өседі, бірақ ол кезде пластикалық қасиеттері мен пластикалығын жоғалтады.

Қазіргі кезде өндірісте пайдаланылатын болаттардың механикалық, физикалық және химиялық қасиеттерінің кең кешенін қалыптастыруға, болаттардың құрылымы мен қасиеттерін өзгертетін, оларға әртүрлі элементтерді қоспалау арқасында қол жеткізіледі.

Қоспаланатын элементтердің жиынтық мөлшері бойынша болаттар бөлінеді:

- аз қоспаланған – 2,5%-ға дейін қоспаланған элементтер;

- орташа қоспаланған – 2,5-тен 10%-ға дейін қоспаланған элементтер;

- көп қоспаланған – 10%-дан астам қоспаланған элементтер.

Сапасы бойынша болаттарды сыныптаудың негізінде құрамындағы күкірт және фосфор секілді зиянды қоспалардың, сондай-ақ оттегінің болуы жатады. Күкірт қызылдай сыну құбылысын – ыстықтай өңдеу кезінде жоғары мортықты туындатады. Күкірт болаттарда темір сульфиді түрінде бөлініп, түйірлер шекарасында орналасатын, жеңіл ерігіш эвтектиканы түзеді. Фосфор ферритте ериді де, оны беріктендіреді, сонымен қатар бұл кезде температура төмендеген сайын соққылық тұтқырлық та төмендейді. Фосфордың әрбір 0,01% морттықтың сынбағалық температурасын (Т₅₀) 25⁰С арттырады.

Зиянды қоспалардың рауалы шектік мөлшері бойынша болаттар бөлінеді:

- кәдімгі сапалы;

- сапалы;

- жоғары сапалы;

- ерекше жоғары сапалы.

Зиянды қоспалардың азаюы болаттың сапасын жақсартады. Зиянды қоспалардың мөлшерін шарттастыратын, болатты өндіру тәсілдерін құрамындағы зиянды қоспалардың өсуіне тәуелді келесі қатарға орналастыруға болады:

- бессемер конверторында болатты өндіру;

- мартен пештерінде толық емес тотыққан (қайнаулы) болаттарды өндіру;

- оттегі конверторларында (ОК) тыныш (тотыққан) болаттарды өндіру;

- мартен пештерінде (М) тыныш болаттарды өндіру;

- электр доғалық пештерде (Э) болаттарды өндіру.

Соңғы үш топтың болаттары әрі қарай тазартуға – рафиндеуге ұшырайды. Рафиндеу әдістерін тазартылатын қоспалардың түрі бойынша екі топқа бөледі:

1. Синтетикалық қождармен ожауда (СШ) және электр қождық қайта ерітумен (ЭШП) болаттарды рафиндеу - күкірттің, фосфордың және тотықтардың болаттағы мөлшерін азайтатын, ерітілген металды қожбен қосымша өңдеу тәсілдері.

2. Пештен тыс ожауда вакуумдеу (ВВ), вакуумдық-доғалық қайта еріту (ВВ), вакуумдық-индукциялық қайта еріту (ВИ), электрондық-сәулелік қайта еріту (ЭЛ) – болаттардағы еріген газдар мен олармен байланысқан қосылыстардың мөлшерін азайтатын, сұйық болатты вакуумдық өңдеу тәсілдері.

Болаттарды рафиндеу беріктік сипаттамаларына және пластикалығына мен әсер етпейді, бірақ соққылық тұтқырлығы мен суыққа төзімділігін шұғыл арттырады. Сонмен қатар болаттарды рафиндеу тәсілдері олардың бағаларын қымбаттатады.

Кәдімгі сапалы болаттар күкірт пен фосфордың арттырылған мөлшерімен сипатталады (күкірт 0,05%-дан аспайды, фосфор 0,04%-дан аспайды). Бұл механикалық қасиеттерінің шұғыл төмендеуіне және қолдану обылысын, әсіресе төмен температураларда, шектеуге әкеледі. Тағайындалуы мен сапаның кепілденетін сипаттамаларына тәуелді кәдімгі сапалы көміртекті болаттар МЕСТ 380 сәйкес үш топқа бөлінеді:

- А тобы – болат механикалық қасиеттері бойынша жіберіледі және химиялық құрамы бойынша маңызды ауытқулары болуы мүмкін. Бұл болаттардың химиялық құрамы регламенттелмейді, өйткені бұлардан жасалатын бөлшектер термиялық өңдеуге ұшыратылмайды;

- Б тобы – болат химиялық құрамы бойынша жіберіледі. Бұл топтың болаттары механикалық қасиеттерініің қажетті кешеніні алу үшін болашақта әртүрлі термоөңдеулерге ұшырайды;

- В тобы – болат кепілденген талаптармен және химиялық құрамы мен механикалық қасиеттері бойынша жіберіледі. Бұл болаттардың механикалық қасиеттері А тобындағы ұқсас болаттардыкіне, ал химиялық құрамы – Б тобының ұқсас маркілерінің нормаларына сәйкес келулері керек.

Сапалы болаттардағы зиянды қоспалардың мөлшерлері маңызды төмен (күкірт пен фосфордың әрқайсысы 0,035%-дан аспайды). Олар металл емес қосындалармен аз ластанған, құрамындағы еріген газдар мөлшері де аз. Сондықтан кәдімгі сапалы болаттармен бірдей мөлшерде көміртекті болғанның өзінде олардың пластикалығы мен тұтқырлығы жоғары, әсіресе төмен температураларда. Сапалы көміртекті болаттар химиялық құрамы мен механикалық қасиеттері бойынша жіберіледі.

Жоғары сапалы болаттарды күкірт пен фосфордың мөлшері және төмендеген (әрқайсысы 0,025%-дан аспайды), бұл олардың бағаларын маңызды арттырады. Көміртекті болаттар жоғары сапалы болып сирек балқытылады. Көміртекті болаттан оттегін шығару үшін тотықсыздандырғыш элементтерді – марганец және кремнийді – енгізеді. Олар бұл топ үшін технологиялық қоспалар болып табылады. Болатты балқыту кезінде тотықсыздандыру дәрежесіне тәуелді олар тынышталған (Si – 0,15-0,35%), жартылай тынышталған (Si – 0,05-0,15%) және қайнаулы (Si < 0,05%) болулары мүмкін. Тынышталған, жартылай тынышталған және қайнаулы болаттар көміртек мөлшерлері бірдей кезде іс жүзінде бірдей беріктікке ие. Тотықсыздандыру дәрежесі бойынша негізгі айырмашылықтары олардың пластикалығында, ол кремний мөлшерімен шарттастырылған, неғұрлым ол көбейген сайын пластикалығы да артады. Қоспаланған болаттар тек тыныш болып балқытылады.

Тағайындалуы бойынша болаттар келесі топтарға бөлінеді:

- құрылымдық;

- құралдық;

- ерекше қасиетті болаттар.

Құрылымдық болаттар – көміртекті және қоспаланған – мұнай-газ кешенін жасауға арналған негізгі материал болып табылады. Олардың негізгі тағайындалуы қоспаландыру жүйесімен да, термиялық өңдеумен де (егер қарастырылған болса) қалыптасатын, механикалық қасиеттер кешенімен анықталады. Әдетте құрылымдық көміртекті және аз қоспаланған болаттар беріктік қасиеттерін 350-400⁰С аспайтын температураларға дейін жақсы сақтайды.

Құралдық болаттар – көміртекті, қоспаланған және тез кескіш – кескіш құралдарды, өлшеу құралдарын және штамптарды жасауға қолданылады. Бұл топтың болаттарының негізгі сипаттамасы – жоғарғы қаттылығы. Жоғарғы сырғанау жылдамдықтары кезінде қолданылатын болаттар үшін қаттылығымен қатар жоғарғы температуралар кезіндегі беріктік қасиеттерін сақтау қабілетінің де маңызы зор.

Ерекше қасиетті қоспаланған болаттар жегідеге төзімділікті, ыстыққа төзімділікті, ыстыққа қарсылықты және жылуға тұрақтылықты қамтамасыз етуге арналған.

Негізгі белгілері бойынша болаттардың жалпы сыныптамасы 1.1-кестеде көрсетілген.

Болаттарды маркілеу әріптік-цифрлық жүйеге негізделген және болаттардың әртүрлі топтары үшін жасалған стандарттар қатарымен регламенттеледі. Болаттарды маркілеу кезінде көрсетілетін негізгі сипаттамасы химиялық құрамы болып табылады. Бұдан басқа болаттың маркасы бойынша оның тағайындалуын, балқыту және тотықсыздандыру тәсілін, сондай-ақ сапа параметрлерін анықтауға болады.

Кәдімгі сапалы құрылымдық көміртекті болат (МЕСТ 380) Стәріптерімен және болаттағы көміртек мөлшерін ондық пайызбен көрсететін,1-ден 6-ға дейінгі цифрлармен маркіленеді. Бұл сыныптың болаттары МЕСТ 380 сәйкес тағайындалуы мен кепілдендірілген сапалық сипаттамаларына тәуелді үш топқа – А, Б және В – бөлінеді. Б және В әріптері болаттың белгісінің алдында қойылады және ретіне сәйкес әлде химиялық құрамы бойынша, әлде механикалық қасиеттері мен химиялық құрамы бойынша топтың сапасын анықтайды. А тобы белгілеу кезінде қолданылмайды.

Болаттың тотығу дәрежесі белгілеуде құрамындағы көміртегінен кейін көрсетіледі. Егер болат қайнаушы болса - цифрден кейін кп, жартылай тынышталғанға – пс,тынышталғанға – спәріптері қойылады. Кәдімгі сапалы көміртекті болаттарды конверторлық әдіспен өндіреді.

Бұл топтың болаттарының ең кең қолданылатыны Ст3сп сияқты толық тотыққан – тыныштықтағы болаттар. Одан сәл аз қолданылатыны Ст2сп. Қайнаушы, нашар тотыққан (мысалы, Ст2кп және Ст3кп), сондай-ақ аралық дәрежеде тотыққан – жартылай тынышталған (мысалы, Ст2пс және Ст3пс) болаттар арзан болып келеді. Қайнаушылар 15-20%-ға, жартылай тынышталғандар 6-8% арзан. Олар беріктігі жағынан тынышталған болаттардан кем емес, бірақ қауіпсіз пайдалану тампературасы обылысы тар, сондықтан жауапты пісіру құрылымдарында қоданылмайды. Құрамындағы көміртегі 0,30% аспайтын тынышталған құрылымдық көміртекті болаттар пісірудің барлық түрлерімен жақсы пісіріледі.

Кәдімгі сапалы көміртекті (жалпы құрылыстық) болаттардың химиялық құрамы мен қасиеттері 2п-қосымшасында келтірілген.

Көміртекті құрылымдық сапалы болаттар (МЕСТ 1050) құрамындағы көміртегін пайыздың жүздік үлесімен көрсететін 05-тен 85-ке дейінгі екі цифрмен белгіленеді. Егер болат қайнаушы болса, цифрдан кейін кп, жартылай тынышталған болса – пс әріптерін қояды. Бұл болаттар алдындағы топтағы болаттардан қасиеттер кешенінің жоғарылығымен, әсіресе тұтқырлығымен, және төмен температураларда пайдаланылу мүмкіншілігімен ерекшеленеді.

Әртүрлі машина бөлшектерін жасауға пайдаланылады және ыстықтай созылған және иленген қалыңдығы 250 мм дейінгі сұрыпты прокат түрінде шығарылады.

Бұл топтан мыналарды атауға болады:

- төмен көміртектенген құрылымдық сапалы болаттар, ыстықтай созылған немесе қалпына келген күйінде пісірілетін құрылымдар үшін қолданылады (мысалы, 08, 10, 15, 20 болаттары). Олар жылу алмастырғыштар корпусын, жоғары қысымдық өндірістік құбырөткізгіштерді, жұмыс температурасы -40⁰С-ден +475⁰С-ге дейінгі кішігірім ыдыстар мен аппараттардың корпустарын жасауға пайдаланылады.

1.1-кесте

Болаттардың сыныптамасы

Көміртегінің шамасы	Қоспаланған элементтердің шамасы	Болаттың құрылымдық сыныбы (қалпына келгеннен кейін)	Сапасы	Тағайындалуы
Төмен көміртектенген (0,025-0,25%)	қоспаланбаған	ферритті, ферритті-перлитті	Кәдімгі сапалы	А	Көміртекті құрылымдық: -құрылысқа -қазандыққа -пісірілетін құрылымдар үшін
Б
В
сапалы
төмен қоспаланған (2,5% дейін)	ферритті-перлитті	сапалы	Қоспаланған құрылымдық: -пісірілетін құрылымдар үшін -машина жасауға (жылулық беріктендірілетін)
жоғары сапалы
орташа қоспаланған (2,5-10,0%)	ферритті, ферритті-мартенситті	сапалы	Қоспаланған құрылымдық: -жылуға төзімді -жегіге төзімді
жоғары сапалы
аса жоғары сапалы
жоғары қоспаланған (10% астам)	ферритті, аустенитті, мартенситті, аралас	сапалы	Ерекше қасиетті: -жегіге төзімді -ыстыққа төзімді -ыстыққа берік
жоғары сапалы
аса жоғары сапалы
Орташа көміртектенген (0,25-0,55%)	қоспаланбаған	перлитті	Кәдімгі сапалы	А	Көміртекті құрылымдық. -машина жасауға
Б
В
сапалы
төмен қоспаланған (2,5% дейін)	перлитті	сапалы	Қоспаланған құрылымдық: -машина жасауға (жылулық беріктендірілетін) -рессорлық-серіппелік -штамптық
жоғары сапалы
орташа қоспаланған (2,5-10,0%)	перлитті, мартенситті	сапалы
жоғары сапалы
аса жоғары сапалы
жоғары қоспаланған (10% астам)	мартенситті, мартенситті-аустенитті	сапалы
жоғары сапалы
аса жоғары сапалы
Жоғары көміртектенген (>0,55%)	қоспаланбаған	мартенситті	сапалы	Көміртекті құрылымдық. Көміртекті құралдық: -өлшеу құралдары үшін -штапмтық
жоғары сапалы
орташа қоспаланған (2,5-10,0%)	аса жоғары сапалы	Қоспаланған құралдық
жоғары қоспаланған (10% астам)	мартенситті-аустенитті-карбидті		Тез кесуші

- орташа көміртектенген құрылымдық сапалы болаттар, жоғары беріктікті, кейбір жағдайларда жоғары тұтқырлықты да қажет ететін бөлшектерді жасау үшін шыныққан-жасытылған, әлде қалпына келтірілген күйінде қолданылады (мысалы, 30, 35, 40, 45, 50 болаттары). Шығыр серіппелерін, ұршықтарды, сорап штангасының жалғастырғыштарын, сорап, комперссор, ротор біліктерін, лай сораптарының штоктарын, ұршық оқшантайы мен өтпе тетіктерін, жұмыс және бұрғылау құбырларының аудармаларын, тізбектік қашау корпусын, бұрғылау шығырларының фиксаторлары мен шпонкаларын жасауға пайдаланылады. Жергілікті және беттік шынықтырудан кейін беті жоғары тозуға шыдамдылықты талап ететін бөлшектерді жасауға қолданылады. Орташа көміртектенген құрылымдық сапалы болаттардың химиялық құрамы мен қасиеттері 3п-қосымшасында келтірілген.

- құрамындағы көміртегі 0,55-тан 0,85%-ға дейінгі жоғары көміртектенген құрылымдық сапалы болаттар жоғары беріктігі мен тозуға төзімділігімен қатар жақсы серпімділік қасиеттерін сақтау талап етілетін жағдайларда жиі қоданылады (мысалы, 60, 70, 75, 85 болаттар). Талап етілетін қасиеттер кешеніне 820-840⁰С шынықтырумен және 550-650⁰С жоғары жасытумен қол жеткізіледі. Бұлар жылжымалы құрамның бөлшектерін, рессорларды, серіппелерді, амортизаторларды жасауда пайдаланылады.

Қоспаланған құрылымдық болаттар төмен көміртектенген, төмен және орташа қоспаланған болаттарға жатады. Олардың белгіленуіндегі алдыңғы екі цифр пайыздың жүздік үлесімен құрамындағы көміртегін сипаттайды, бұл цифрлардың оң жағындағы әріптер болатқа қоспаланған элементтерді көрсетеді (1.2-кесте).

Егер құрамындағы қоспаланған элемент мөлшері 1,5%-дан асса, онда сәйкес әріптерден кейін 2 және одан жоғары цифрлармен белгіленеді. Мұнай-газ саласында жауапты құрылымдарды жасауға болаттың 09Г2, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 15ГФ, 10ХСНД маркалары көп қолданыс тапты. Бұл болаттарға негізгі қоспаланатын элементтер кремний мен марганец. Олар тұтқырлығы мен беріктігін арттырады. Басқа қоспаланатын элементтер арнайы қасиеттерді беру үшін қосылады.

Бұл топтың болаттарын құрылымдық белгілері бойынша былай бөлуге болады:

- ферритті-перлиті құрылымды төмен қоспаланған болаттар – термиялық өңдеусіз алынған немесе термиялық өңдеу нәтижесінде қалыптасқан;

- ферритті-бейнитті құрылымды төмен қоспаланған болаттар – шынықтыру және жасыту режимдері бойынша термиялық өңдеу нәтижесінде алынған;

- бейнитті құрылымды төмен қоспаланған болаттар – шынықтыру мен жасытудан кейін алынған.

1.2-кесте

Болаттарға қоспаланатын элементтердің белгіленуі

Элемент	Символы	Белгіленуі	Элемент	Символы	Белгіленуі
Азот	N	А	Марганец	Mn	Г
Алюминий	Al	Ю	Мыс	Cu	Д
Бериллий	Be	Л	Молибден	Mo	М
Бор	B	Р	Никель	Ni	Н
Ванадий	V	Ф	Ниобий	Nb	Б
Висмут	Bi	Ви	Сирек элементтер	-	Ч
Вольфрам	W	В
Галий	Ga	Гл	Титан	Ti	Т
Кадмий	Cd	Кд	Көміртек	C	У
Кобальт	Co	К	Фосфор	P	П
Кремний	Si	С	Хром	Cr	Х
Магний	Mg	Ш	Цирконий	Zr	Ц

Қоспаланған құрылымдық машина жасауға арналып жалпы тағайындалған болаттарға (МЕСТ 4543) төмен және орташа көміртектенген болаттар жатады. Белгіленуінің алдыңғы топтардан айырмашылығы жоқ. Егер болат жоғары сапалы болса, онда белгілеудің соңында А әріпі болады.

Бұл топтың болаттары әртүрлі машиналар мен механизмдер жұмыс істейтін пайдалану шарттарының кең спектрін қамтамасыз ету үшін пайдаланылады, талап етілетін қасиеттер кешенін қамтамасыз ету үшін химиялық құрамы әртүрлі болады және өңдеу технологиясы да түрлі болады. Қажет етілетін қасиеттер кешенін қамтамасыз ету технологиясы бойынша машина жасау болаттарын термиялық өңделген (термиялық жақсартылған), цементелетін және азотталатын деп бөлуге болады.

15Х, 20Х, 15Н2М, 12Х2НА маркілі төмен көміртектенген қоспаланған құрылымдық болаттар үйкелісе тозу шартында, айнымалы таңбалы күшсалмақ кезінде жұмыс істейтін, ауыр жүктелген бөлшектер үшін қолданылады және қаттылығын арттыру үшін беттік қабатын цементтейді. Бұл болаттардан жауапты бөлшектер – тісті доңғалақтар, өстер, поршень саусақтары – жасалады. Бұл топшаның құрамындағы көміртек мөлшері 0,20%-дан аспайды, негізгі қоспаланатын элемент – хром.

Термиялық өңделген күйде (көбіне шынықтыру мен жоғары жасытудан кейін) қолданылатын, орташа көміртектенген қосапаланған құрылымдық болаттардың беріктігі, пластикалығы жоғары, шыдамдылық шегі биік, жасыту морттығына сезімділігі азайған, жақсы күйдіріледі. Олардың құрамына 0,30%-дан 0,50%-ға дейінгі көміртек болуы тән және қоспалану жүйесінің ауқымы да кең (30Х, 40Х, 25ХГМ, 40ХН, 30ХГТ типті болаттар). Бұлар жүктелетін көлік механизмдерінің біліктерін, тісті біріктіру жалғастырғыштарын, төлкелі-роликті шынжыр роликтерін, өстерін және жоғарылатылған беріктік және тұтқырлық талаптары қойылатын, дірілдік және динамикалық күшсалмақтарға ұшырайтын, басқа да жауапты бөлшектерін жасау үшін қолданылады.

Ауыр жүктелген, жауапты бөлшектер (әртүрлі серпімді элементтер, сораптарға арналған жүктелген серіппелер, сақтандыру клапандары және т.б.) үшін құрамындағы көміртегі 0,50-0,70% қоспаланған құрылымдық болаттар (60С2, 55Г, 50ХГ, 50ХФА) термиялық өңделген күйде қолданылады. Бұндай болаттардың механикалық қасиеттеріне қойылатын негізгі талаптар: серпімділік шегінің жоғарғы мәндерін қамтамасыз ету, жоғарғы шаршаулық беріктік және +350⁰С-ге дейінгі жұмыс температураларында қирауға қарсыласу.

Жылуға төзімді болаттар (МЕСТ 20072) ерекше қасиетті төмен және орташа қоспаланған болаттарға жатады. Бұл топтың болаттарының белгіленуі қоспаланған құрылымдық болаттардың белгіленулерімен ұқсас. Бұлар құрамындағы көміртегі 0,08-0,15% (кейде оны 0,2-0,3% дейін көтереді), хроммен, молибденмен және ванадиймен қоспаланған, құрамындағы қоспаланған элементтері 3-5% төмен көміртектенген болаттар, мысалы 12МХ, 12Х1МФ, 18Х3МВ, 20Х1М1ФТР. Жоғарылатылған температураларды бұл болаттардың беріктігін сақтауы қатты ерітіндіні хроммен, бастысы молибденмен қоспалаумен, сондай-ақ еруі қиын карбидтердің болуымен түсіндіріледі. Мұнай-газ кешенінде негізгі қолданылу обылысы – қысым астында 510-540⁰С дейінгі температурада жұмыс істейтін, ыдыстар мен аппараттардың корпустары.

Ыстыққа төзімді, ыстыққа берік және жегідеге төзімді болаттар (МЕСТ 5632) тағайындалуы мен жұмыс қасиеттеріне талаптарға тәуелді түрлі жүйелі қоспаланған төмен көміртектенген жоғары қоспаланған болаттар тобына жатады. Бұл топтағы бүкіл болаттар да қоспаланған құрылымдық болаттар секілді белгіленеді. Бұл топтың негізгі қоспаланушы элементтері никель мен хром болып табылады.