Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0079

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0079
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Акционерное общество "ВНИИНЕФТЕМАШ"
Название доклада
Конструкционный биметаллический материал для оборудования по переработке нефти с высокими показателями прочности и коррозионной стойкости и технология его получения
Докладчик
Моляров Валерий Георгиевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель - разработка основ комплексной технологии получения биметаллического конструкционного материала методом наплавки с последующей горячей прокаткой и завершающей термической обработкой.
Задачи исследования: получить экспериментальные образцы биметаллического конструкционного материала с основой из низколегированной стали и плакировкой из двухфазной аустенитно-ферритной стали, легированной азотом, провести комплексное исследование их химического состава, структуры, механических и коррозионных свойств, разработать режимы деформационно-термической обработки образцов.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность работы заключается в разработке новых материалов повышенной прочности для оборудования по переработке нефти и других назначений, гарантирующих стабильность технологических режимов нефтепереработки при повышенных нагрузках (давлении более 10 МПа) и температурах (200-350 °С), более экономичных по сравнению с высоконикелевыми сплавами типа Alloy 600 и сопоставимых с ними по коррозионной стойкости в щелочных, кислых и хлоридных средах.
Новизна работы заключается в разработке комплексной технологии получения биметаллического конструкционного материала с высокопрочной основой и коррозионностойким плакирующим слоем из двухфазной аустенитно-ферритной стали, легированной азотом, путем наплавки, последующей горячей прокатки и завершающей термической обработки.
Описание исследования

В качестве основного слоя экспериментальных образцов (ЭО) биметаллического конструкционного материала (БКМ) была применена малоуглеродистая низколегированная сталь марок S700MC и 09Г2С, выпущенная Индустриальным партнером ПАО «Северсталь». Плакирующий слой был наплавлен на основу, толщиной 45-65 мм, электродами или лентой под под фторидно-основным флюсом в несколько слоев до толщины 15-18 мм. От наплавленной заготовки были отобраны несколько образцов для исследования литой микроструктуры наплавленного слоя и его коррозионной стойкости. Затем заготовки подвергли горячей прокатке на лабораторном стане ДУО-300 в несколько проходов с суммарным обжатием порядка 90 %. Полосы раскатанной стали разрезали на образцы и провели завершающую термическую обработку образцов по различным режимам. После чего готовые экспериментальные образцы подвергли всему комплексу испытаний и исследований. Провели металлографический анализ микроструктуры основного, переходного и плакирующего слоёв ЭО БКМ и определение их химического состава методом спектрального анализа. Образцы были отшлифованы, отполированы. Для травления шлифов применяли традиционные реактивы: 3 % раствор азотной кислоты в спирте, раствор щавелевой кислоты в воде для электролитического травления, смесь соляной и азотной кислот. При металлографическом исследовании при различных увеличениях от 100 до 500 раз оценили морфологию структурных составляющих ферритно-бейнитной, ферритно-перлитной и аустенитно-ферритной стали, определили размеры и анизотропию зерен по ГОСТ 5639, оценили количество неметаллических включений (сульфиды, нитриды, оксиды) по ГОСТ 1778, для стали основы определили количество неметаллических включений КАНВ, влияющих на её локальную коррозионную стойкость. Измерения микротвердости по Виккерсу проводили послойно согласно ГОСТ 9450 с помощью твердомера ПМТ-3 с нагрузкой 0,5 Н и шагом 0,1 мм между уколами алмазным индентором. По изменению микротвердости в слоях БКМ выявляли закономерности формирования структуры. Для определения прочности сцепления слоев БКМ провели испытания на срез по ГОСТ 10885, для определения пластичности основного и плакирующего слоев БКМ провели испытания на загиб до параллельности сторон соответствующим слоем наружу по ГОСТ 14019. С целью определения механических свойств - прочности и пластичности - провели испытания на статическое растяжение по ГОСТ 1479. Предварительную оценку питтингостойкости плакирующих слоев ЭО БКМ производили на основании данных химического состава по результатам расчета эквивалента сопротивления питтинговой коррозии PREN. С целью оценки фактической коррозионной стойкости плакировки БКМ в хлоридсодержащих средах провели испытания на стойкость к питтинговой коррозии электрохимическим методом по ГОСТ 9.912, который заключался в снятии потенциодинамической кривой i=f(E) в режиме развертки потенциала и в определении значений потенциалов коррозии (Екор), питтингообразования (Епо) и репассивации (Ерп), в вычислении базисов питтингостойкости и репассивации. Основной слой был защищен парафином. Размер образцов 20х40 мм, размер контактного окна - 12х12 мм. Также дополнительно по этому методу были испытаны образцы из стали марок 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х22Н6Т, сплавов Alloy 600, Alloy 825. Испытательной средой служил концентрированный водный раствор хлорида натрия. Оценку свариваемости стали основных слоев из стали марок 09Г2С и S700MC ЭО БКМ производили на основании данных химического состава по результатам расчета углеродного эквивалента, оценку склонности к трещинообразованию основных слоев  вследствие структурных превращений после термического воздействия в процессе сваркипо результатам расчета Рсм по формуле Ито-Бессио. Сварные соединения были выполнены на экспериментальных образцах БКМ. Размер каждой части образца: длина 70 мм, ширина 40 мм. Сварка была выполнена послойно без специальных предварительных операций (без удаления плакирующего слоя с последующей наплавкой, без сопутствующего подогрева). Способ сварки – аргонодуговая сварка неплавящимся электродом, диаметр вольфрамового электрода составлял 3 мм, сварочный ток – 80-100 А, напряжение дуги – 10-12 В, расход аргона – 10-12 л/мм. Для сварки основного слоя применяли сварочную проволоку марки ESAB OK Tigrod 13.09 диаметром 2,4 мм, плакирующего слоя – сварочную проволоку марки ESAB OK Autrod 2209 диаметром 3,2 мм. Полученные сварные соединения были разрезаны на образцы для испытаний. Были проведены металлографический анализ микроструктуры сварных соединений, испытания на загиб и испытания на растяжения.

Результаты исследования

Разработана и опробована в лабораторных условиях технология получения биметаллического материала, включающая наплавку под флюсом двухфазной аустенитно-ферритной стали на основу из малоуглеродистой стали ферритно-перлитного и ферритно-бейнитного классов, последующую горячую прокатку, завершающую термическую обработку. По этой технологии получены экспериментальные образцы биметаллического материала с плакирующими слоями толщиной 2-3 мм из двухфазной аустенитно-ферритной стали, легированной азотом от 0,005 до 0,300 %, и с основными слоями из стали марок 09Г2С и S700MC, последняя из которых микролегирована молибденом, ванадием, титаном, ниобием. Основа выпущена Индустриальным партнером ПАО «Северсталь». Проведено комплексное исследование химического состава, структурного состояния, механических, технологических и служебных свойств изготовленных экспериментальных образцов. Режим отжига при температуре 1200 °С в течение 1-2 ч, последующая многопроходная горячая прокатка с суммарным обжатием порядка 90 % и с температурой конца прокатки 880-900 °С обеспечивают устранение дендритной структуры с размежеванием фазовых составляющих и образованием зёренной слоистой аустенитно-ферритной структуры в плакирующем слое биметаллического материала. Однако медленное естественное охлаждение биметаллического проката не способствует увеличению коррозионной стойкости, а даже, наоборот, плакирующий слой практически полностью теряет свою коррозионную стойкость – уровень её снижается в 5-6 раз по сравнению с наплавкой, имеющей дендритную структуру. Предположительно, это происходит в результате выделения в диапазоне температур 900-980 °С частиц нитридов хрома и интерметаллидов типа FeCr. Лучшие значения механических и коррозионных свойств наблюдаются на образцах биметаллического материала термически обработанных после горячей прокатки по режиму «закалка: нагрев до 1050 °С, выдержка 15 мин, охлаждение на воздухе ускоренное, и отпуск: нагрев до 600-650 °С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе ускоренное». Результаты механических испытаний экспериментальных образцов биметаллического материала подтверждают, что прочность биметаллического материала с основой из стали бейнитного класса S700MC выше в 1,45 раза, чем прочность биметаллического материала с основой из стали 09Г2С. В связи с этим, применение биметаллического материала с основой из S700MC и плакировкой из двухфазной аустенитно-ферритной стали, имеющих схожие значения прочности, позволит за счет увеличения прочности металла снизить металлоемкость оборудования примерно на 25-30 %. Способ изготовления биметаллического материала, включающий наплавку под флюсом, горячую прокатку, термическую обработку обеспечивает получение биметалла с высокой прочностью сцепления слоев (более 460 Н/мм2) и отличной сплошностью сцепления слоев, соответствующую 0 классу по результатам ультразвукового контроля. Образцы сварных соединений успешно прошли испытания на загиб и на растяжение, металлографический анализ не выявил дефектов структуры.

Практическая значимость исследования
Результаты работы будут использованы передовыми металлургическими предприятиями, а также машиностроительными заводами нефтеперерабатывающей отрасли промышленности для освоения производства биметаллических коррозионностойких конструкционных материалов повышенной прочности и изготовления из них оборудования, работающего в агрессивных средах. Повышение прочности, качества соединения слоев и коррозионной стойкости такого биметаллического материала в 1,5-2,0 раза способствует снижению металлоемкости оборудования, изготовленного из него, не менее чем на 30 % снижению стоимости материала и удешевлению технологии производства биметалла на 10-15 %, замещению импортных дорогостоящих материалов.