сталь для корпусов реакторов гидрокрекинга и другого нефтехимического оборудования

Формула изобретения

Сталь для корпусных конструкций и сосудов давления нефтехимического оборудования, в том числе для корпусов реакторов гидрокрекинга нефти, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, никель, медь, алюминий, азот, кальций, серу, фосфор, олово, сурьму, мышьяк, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий, ниобий, натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,10-0,28

Кремний 0,05-0,37

Марганец 0,17-0,50

Хром 2,50-3,30

Молибден 0,60-0,80

Ванадий 0,20-0,40

Никель 0,05-0,40

Медь 0,03-0,30

Алюминий 0,01-0,10

Азот 0,005-0,02

Кальций 0,001-0,005

Сера 0,002-0,015

Фосфор 0,002-0,015

Олово 0,001-0,004

Сурьма 0,001-0,005

Мышьяк 0,002-0,040

Цирконий 0,003-0,010

Ниобий 0,001-0,030

Натрий 0,001-0,005

Железо Остальное

при следующих ограничениях по соотношению элементов в стали:

1) J=(%Si +% Mn) (%P+%Sn) 10⁴ 120,

2) X=%Р 10+%Sb 5+%Sn 4+%As 0,15,

3) %Mn+%Si 0,7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с различным сочетанием легирующих элементов, и может быть использовано в химическом машиностроении при изготовлении корпусов реакторов гидрокрекинга нефти и другого нефтехимического оборудования.

Известны стали, применяемые в указанной области техники (например, стали типа 2,25Cr-1Mo, 3Сr-1Mо), а также другие аналоги, указанные в патентной и научно-технической литературе [1-5]. Однако известные материалы не обеспечивают требуемого высокого уровня и стабильности физико-механических и служебных свойств, что снижает эксплуатационную надежность и ресурс изготовленного из них нефтехимического оборудования.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является сталь феррито-перлитного класса по патенту РФ №2139952 [6], содержащая компоненты в следующем соотношении (мас.%):

Углерод 0,10-0,28

Кремний 0,03-0,42

Марганец 0,17-0,70

Хром 2,0-3,3

Молибден 0,6-0,8

Ванадий 0,20-0,40

Никель 0,05-0,40

Медь 0,03-0,30

Кобальт 0,005-0,025

Алюминий 0,05-0,10

Азот 0,005-0,08

Церий 0,002-0,05

Кальций 0,001-0,005

Сера 0,002-0,020

Фосфор 0,002-0,020

Олово 0,001-0,005

Сурьма 0,001-0,005

Мышьяк 0,002-0,040

Железо Остальное

при этом суммарное содержание углерода и азота не превышает 0,3%, суммарное содержание никеля, меди и кобальта не превышает 0,5%, суммарное содержание сурьмы, олова, фосфора и мышьяка не превышает 0,05%.

Данную марку стали рекомендуется использовать для производства корпусов водоохлаждаемых атомных реакторов, сосудов давления и нефтехимического оборудования. Однако известная сталь характеризуется недостаточно высоким сопротивлением водородному охрупчиванию и уровнем длительной прочности, что ограничивает температурные пределы ее применения.

Задачей настоящего изобретения является создание стали, обладающей более высоким сопротивлением воздействию водорода и длительной прочностью по сравнению с известным материалом, что обеспечивает возможность применения ее при более высоких температурах и давлении водорода и повышает эксплуатационную надежность и ресурс работы нефтехимического оборудования.

Поставленная в заявке цель достигается изменением соотношения легирующих элементов и введением в состав заявляемой композиции оптимальных количеств ниобия, циркония и натрия.

Предлагается сталь, содержащая (мас.%):

Углерод 0,10-0,28

Кремний 0,05-0,37

Марганец 0,17-0,50

Хром 2,50-3,30

Молибден 0,60-0,80

Ванадий 0,20-0,40

Никель 0,05-0,40

Медь 0,03-0,30

Алюминий 0,01-0,10

Азот 0,005-0,02

Кальций 0,001-0,005

Сера 0,002-0,015

Фосфор 0,002-0,015

Олово 0,001-0,004

Сурьма 0,001-0,005

Мышьяк 0,002-0,040

Цирконий 0,003-0,010

Ниобий 0,001-0,030

Натрий 0,001-0,005

Железо Остальное

Соотношение указанных легирующих элементов и принятое ограничение суммарного содержания некоторых из них (см. формулу изобретения) выбраны таким образом, чтобы сталь после соответствующей термической обработки обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших физико-механических свойств, определяющих работоспособность материала в условиях эксплуатации нефтехимического оборудования.

Введение в заявляемую композицию микролегирующих добавок ниобия и циркония при наличии азота улучшает структурную стабильность стали, способствует измельчению зерна и образованию при отпуске достаточного количества мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале температур технологических, сварочных и эксплуатационных нагревов. При этом повышается длительная прочность, сопротивление ползучести, а также сопротивление тепловому и водородному охрупчиванию при эксплуатационных температурах.

Введение расчетных добавок натрия наряду с кальцием создает возможность дополнительного рафинирования металла от неметаллических включений и газов, за счет чего улучшается однородность материала, уменьшается количество внутренних дефектов и повышаются механические свойства стали.

При легировании стали вне заданных пределов в соответствии с заявленными состав стали становится неоптимальным, что проявляется в усилении склонности к тепловому и водородному охрупчиванию и снижении длительной прочности при некотором снижении также характеристик прочности, пластичности и вязкости в исходном состоянии.

ДГУП ИЦ КМ "Прометей-Атом" совместно с ОАО "Ижорские заводы" и другими предприятиями в соответствии с планом научно-исследовательских работ отрасли проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам осваиваемой марки стали. Металл выплавлялся в основных мартеновских и электродуговых печах с вакуумированием при разливке в слитки массой до 147,5 т. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения необходимых механических и служебных свойств представлены в табл. 1-5. Термическая обработка была сделана по оптимальным для данных составов режимам и с учетом реальных технологических нагревов при изготовлении сосудов.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования новой марки стали выразится в повышении эксплуатационной надежности и безопасности, а также общего ресурса работы корпусов нефтехимических реакторов нового поколения.

Результаты сравнительных испытаний механических и служебных характеристик стали заявленного состава и прототипа (табл. 2-5) показывают существенные преимущества заявленной стали по сравнению с прототипом.

Источники информации

l. ASTM A387 гр. 22.

2. ASTM A 387 гр. 21.

3. I.Imanaka, S.Sato и дp. Improvement in elevated temperature strenght, hydrogen attack resistivity and stress relief cracking susceptibility of Cr-Mo steel. Nuclear Engineering and Design, 96/1986/, p.195-207.

4. Сталь №7797 20CrMoV13,5 DIN №17006.

5. Сталь №7767 17CrMoV10 DIN №17006.

6. Патент на изобретение №2139952, РФ.