Жароміцні сталі для котельного обладнання та трубопроводів

Котельне обладнання та трубопроводи, що працюють за високих температур, піддаються екстремальним навантаженням: термічним розширенням, високим тискам, окисленню та корозії. Звичайні конструкційні сталі не витримують таких умов, тому в цих областях застосовують жароміцні сталі, які зберігають міцність і стійкість до агресивних середовищ навіть при температурах 500–1100°C.

У цій статті розглянемо:

• Що робить сталь жароміцною?
• Які марки жароміцних сталей застосовуються в котельному устаткуванні та трубопроводах?
• Як вибрати сталь залежно від умов експлуатації?
• Які методи зварювання використовуються для жароміцних сплавів?

Що робить сталь жароміцною?

Жароміцні сталі – це особлива категорія сталей, що має високу термостійкість, механічну міцність і стійкість до агресивних середовищ при температурах вище 500°C. Вони використовуються в середовищах з екстремальними навантаженнями, де звичайні сталі втрачають міцність, стають крихкими або руйнуються через окислення і повзучість.

Жароміцність сталі визначається низкою факторів, включаючи хімічний склад, термообробку, структуру металу та механічні властивості. Від цих параметрів залежить стійкість сталі до корозії, окалиноутворення, тріщиноутворення та пластичної деформації при високих температурах.

Хімічний склад жароміцних сталей

Легування (додавання спеціальних елементів у складі сталі) грає ключову роль її жароміцності. Залежно від концентрації елементів, що легують, стали отримують різні властивості, такі як стійкість до окислення, корозії, термостійкість і механічну міцність.

Основні легуючі елементи та їх вплив

Приклад: Для роботи при температурі до 650°C підходять хромомолібденові сталі (12Х1МФ, 15Х12МФ, 10Х9К3В2МФБР), а для 850–1000°C – аустенітні сплави з високим вмістом нікелю та хрому (20Х10ТН).

ГОСТ та ДСТУ, що регулюють склад жароміцних сталей

Жароміцні сталі в Росії та СНД класифікуються за ГОСТ та ДСТУ (українські стандарти).

1. ГОСТ 5632-2014 – Жароміцні та жаростійкі сталі та сплави: хімічний склад, механічні властивості.
2. ГОСТ 20072-74 – Методика визначення жароміцності сталей.
3. ГОСТ 19282-73 – Листові жароміцні сталі для котельного обладнання.
4. ДСТУ 4093-2002 – Жароміцні сталі для роботи при високих температурах.

Структура та термічна обробка жароміцних сталей

Крім хімічного складу, жароміцність сталі залежить від її металургійної структури, яка формується у процесі виробництва та термообробки.

Основні структури жароміцних сталей

• Феритні сталі (9–13% Cr) – містять низьку кількість вуглецю, мають хорошу термостійкість, але обмежену міцність. Застосовуються в котельних трубопроводах та теплообмінниках. Приклад: 12Х13, 15Х12МФ.
• Мартенситні сталі (9-12% Cr + Mo, V, W) – мають високу міцність і термостійкість, але схильні до загартування. Вимагають попереднього підігріву при зварюванні. Використовуються у парових турбінах, паропроводах. Приклад: 10Х9К3В2МФБР, 12Х1МФ.
• Аустенітні сталі (18-25% Cr, 8-20% Ni) – найбільш жароміцні та корозійностійкі, витримують температури до 1000°C. Відрізняються високою пластичністю та опором повзучості. Використовуються у газових турбінах, камерах згоряння. Приклад: 08Х18Н10Т, 20Х23Н18.
• Дуплексні (двофазні) сталі – поєднують властивості феритних і аустенітних сталей, мають високу корозійну стійкість і міцність при високих температурах.

Методи термообробки жароміцних сталей

Для покращення властивостей жароміцних сталей застосовуються спеціальні режими термічної обробки:

• Відпал (ГОСТ 19282-73) – усуває внутрішні напруження, знижує твердість, покращує пластичність.
• Загартування – підвищує міцність і термостійкість, вимагає подальшої відпустки.
• Відпустка (600-750 ° C) – знижує крихкість, стабілізує структуру після зварювання або механічної обробки.
• Термомеханічна обробка – поєднує пластичну деформацію із термообробкою, покращуючи структуру.

Приклад: Сталь 12Х1МФ після зварювання проходить відпустку при 650°C для зняття напруги, а 20Х23Н18 не вимагає термообробки, оскільки має стабільну аустенітну структуру.

Жароміцні сталі для котельного обладнання та трубопроводів

Котельне обладнання та трубопроводи, що працюють в умовах високих температур та тиску, зазнають значних навантажень, включаючи:

• Термічне розширення та деформації при нагріванні.
• Вплив агресивних газів (SO₂, CO₂, H₂S), що призводить до корозії.
• Повзучість металу – поступова деформація матеріалу під тривалим навантаженням.
• Окаліноутворення та вигоряння легуючих елементів при температурах вище 600°C.

Використання жароміцних сталей дозволяє суттєво збільшити термін служби котлів та трубопроводів, мінімізуючи витрати на їх ремонт та заміну.

Основні жароміцні сталі для котельного обладнання

У котельному устаткуванні застосовуються феритні, мартенситні та аустенітні жароміцні сталі. Вибір сталі залежить від температурного режиму, тиску середовища, типу котла (водотрубний, жаротрубний, парогенератор) та характеру нагрівання (прямий чи непрямий контакт із вогнем, парою, газами).

Характеристика та застосування жароміцних сталей для котлів

12Х1МФ (аналог P12, ASTM A335 Gr. P12)

Температура експлуатації: до 580 °C.

Використання: труби, барабани, паропроводи високого тиску.

Особливості:

• Відмінна стійкість до повзучості та термічної напруги.
• Висока довговічність в умовах перегрітої пари (використовується в парових казанах ТЕЦ).
• Потребує термообробки (нормалізація + відпустка) після зварювання.

20Х23Н18 (аналог AISI 310S)

Температура експлуатації: до 1000 °C.

Застосування: жарові труби котлів, газові турбіни.

Особливості:

• Чудова корозійна стійкість.
• Сплав нікель-хром стійкий до окалиноутворення.
• Використовується у середовищах з агресивними газами.

Висновок:

• Для котлів високого тиску оптимальні хромомолібденові сталі (12Х1МФ, 15Х1М1Ф).
• Для екстремально високих температур (800-1000 ° C) застосовують аустенітні сплави з високим вмістом Cr і Ni (20Х23Н18, 08Х18Н10Т).

Жароміцні сталі для трубопроводів

Трубопроводи, що працюють з перегрітою парою та агресивними газами, повинні витримувати:

• Тиск від 50 до 250 атм.
• Температури 500-700 ° C (у котельних системах) і до 850 ° C (в нафтохімії, газотранспортних магістралях).
• Вплив корозії, сірчистих та оксидних газів.

Для таких умов застосовуються феритні та аустенітні жароміцні сталі, які забезпечують довговічність системи.

Характеристика жароміцних трубних сталей

12Х18Н12Т (аналог AISI 321)

Температура експлуатації: до 750 °C.

Застосування: труби парових котлів, теплообмінники, лінії подачі перегрітої пари.

Особливості:

• Висока стійкість до окалиноутворення.
• Стійкість до сірководневої корозії.
• Використовується в енергетиці та металургії.

10Х17Н13М2Т (аналог AISI 316Ti)

Температура експлуатації: до 850 °C.

Використання: нафтохімічна промисловість, газові трубопроводи.

Особливості:

• Висока корозійна стійкість.
• Відмінно працює в агресивних газах (H₂S, CO₂).
• Добре зварюється методом TIG та MIG/MAG.

Вибір сталі залежить від:

1. Температури пари чи газу – що вище температура, то більше вписувалося Cr і Ni у складі.
2. Тиск – для високих тисків вибирають сталі з високою повзучістю (12Х1МФ).
3. Агресивності середовища – за наявності сірчистих газів потрібні сталі з Ni та Mo (10Х17Н13М2Т).

Зварювання жароміцних сталей

Жароміцні сталі вимагають спеціальних технологій зварювання, оскільки мають схильність до:

• Утворенню тріщин (через високу жорсткість та термічну напругу).
• Окаліноутворення (при температурах вище 700°C).
• Вигоряння легуючих елементів (Cr, Ni, Mo, V, Ti), що знижує корозійну та термічну стійкість металу.
• Деформації зварного з’єднання при різких перепадах температури.

Вибір методу зварювання залежить від типу сталі (феритна, мартенситна, аустенітна), товщини деталі та умов експлуатації.

Основні методи зварювання жароміцних сталей

Приклад:

• При зварюванні жароміцної сталі 12Х1МФ (труби котла) застосовують MMA з електродами УОНИ-13/55, попередній підігрів до 250 ° C, повільне охолодження.
• Для зварювання нержавіючої сталі 08Х18Н10Т (паропроводи) використовують TIG з аргоновим захистом, дріт Св-08Х18Н10Т.

Особливості зварювання жароміцних сталей

Щоб уникнути розтріскування та зниження жароміцності зварного з’єднання, необхідно суворо дотримуватись температурних режимів, підбору присадкових матеріалів та методів термічної обробки.

Попередній підігрів перед зварюванням

Деякі жароміцні сталі, особливо мартенситні та феритні, вимагають підігріву перед зварюванням, щоб знизити швидкість охолодження шва та уникнути утворення загартованих структур.

Порада: Для мартенситних та феритних сталей перед зварюванням рекомендується повільне нагрівання (20–30°C/хв) до 250–400°C з наступною витримкою.

Повільне охолодження після зварювання

Жароміцні стали чутливі до різкого охолодження, що може спричинити тріщини та зниження пластичності.

1. Феритні та мартенситні сталі охолоджують повільно (до 100°C/год), часто під теплоізоляційними матеріалами (азбестові мати, пісок).
2. Аустенітні сталі охолоджують природним чином, але уникають тривалих температур 600-850 ° C, де можливе зростання зерна та виділення карбідів.

Приклад:

• Після зварювання 12Х1МФ труби ізолюють мінеральною ватою та витримують протягом 6–12 годин.
• Для 08Х18Н10Т охолодження відбувається природним шляхом, але контроль температури зварного шва є обов’язковим.

Вибір присаджувальних матеріалів

При зварюванні жароміцних сталей важливо використовувати жаростійкі електроди, дріт і флюси, щоб уникнути зміни хімічного складу шва.

Приклад:

• При зварюванні труб з 12Х1МФ застосовують дріт Св-08Х1МФ, який зберігає жаростійкість з’єднання.
• Для зварювання 20Х23Н18 використовують аргонодугову зварювання (TIG) з дротом Св-07Х25Н13.

Загальні рекомендації щодо зварювання жароміцних сталей

1. Контролюйте температуру зварювання – занадто високе нагрівання веде до вигоряння легуючих елементів, а надто низьке – до крихкості.
2. Застосовуйте підігрів та повільне охолодження для мартенситних та феритних сталей.
3. Вибирайте спеціальні жаростійкі електроди та присадки – наприклад, для аустенітних сталей лише нікелеві дроти (Св-08Х18Н10Т).
4. Використовуйте аргон або захисні гази при зварюванні нержавіючих жароміцних сталей, щоб запобігти окисленню.
5. Після зварювання перевіряйте шви методом УЗК (ультразвукового контролю) – особливо для зварних з’єднань котлів та паропроводів.

Жароміцні сталі для котельного обладнання та трубопроводів

Жароміцні сталі незамінні для котельного обладнання та трубопроводів, оскільки забезпечують термостійкість, стійкість до корозії та механічну міцність при високих температурах.

• Для роботи при температурах 500-650 ° C оптимальні мартенситні та феритні сталі (12Х1МФ, 15Х12МФ, 12Х18Н12Т).
• При температурах 700-1000 ° C застосовують аустенітні сплави з високим вмістом Cr і Ni (20Х23Н18, 08Х18Н10Т).
• Вибір способу зварювання залежить від складу сталі: аргонодуговое зварювання (TIG) підходить для нержавіючих сталей, а зварювання під флюсом – для товстостінних деталей.

При проектуванні котелень важливо враховувати не тільки термічну стійкість сталі, але і її стійкість до корозії та механічних навантажень. Грамотний підбір марки сталі та технології зварювання гарантує надійність та довговічність котельного обладнання та трубопроводів!