Загрузка...Сталь 20, сталь 09Г2С, сталь 12Х18Н10Т
Сталь 20, сталь 09Г2С, сталь 12Х18Н10Т
Самая распространенная марка стали для производства фланцев и фланцевых соединений, сталь конструкционная углеродистая качественная получил самое широкое распространение в производстве трубопроводной арматуры, водо, газо, нефте оборудовании. Фланцы из стали 20 применяются в котлостроении и других элементах тепло газо и нефтеснабжения, работающих при температурах до + 350 С. Ниже мы приводим основные физические, химические, технологические свойства стали 20, применяемой, как основной материал производства стальных фланцев из стали 20.
Химический состав в % материала сталь 20
ГОСТ 1050 — 88
| C | Si | Mn | Ni | S | P | Cr | Cu | As |
| 0.17-0.24 | 0.17-0.37 | 0.35-0.65 | до 0.25 | до 0.04 | до 0.04 | до 0.25 | до 0.25 | до 0.08 |
Температура критических точек материала сталь 20.
| Ac1 = 724 , Ac3(Acm) = 845 , Ar3(Arcm) = 815 , Ar1 = 682 |
Механические свойства (характеристики) при Т=20oС материала сталь 20.
| Сортамент | Размер | Напр. | sв | sT | d5 | y | KCU | Термообр. |
| — | мм | — | МПа | МПа | % | % | кДж / м2 | — |
| Прокат горячекатан. | до 80 | 420 | 250 | 25 | 55 | Нормализация | ||
| Пруток | Прод. | 480 | 270 | 30 | 62 | 1450 | Отжиг 880 — 900oC, | |
| Пруток | Прод. | 510 | 320 | 30.7 | 67 | 1000 | Нормализация 880 — 920oC, |
| Твердость материала сталь 20 после отжига, | HB 10 -1 = 163 МПа |
| Твердость материала сталь 20 калиброванного нагартованного, | HB 10 -1 = 207 МПа |
| Твердость материала сталь 20 , Трубы горячедеформир. ГОСТ 550-75 | HB 10 -1 = 156 МПа |
Физические свойства (характеристики) материала сталь 20 .
| T | E 10- 5 | a 10 6 | l | r | C | R 10 9 |
| Град | МПа | 1/Град | Вт/(м·град) | кг/м3 | Дж/(кг·град) | Ом·м |
| 20 | 2.13 | 52 | 7859 | |||
| 100 | 2.03 | 11.6 | 50.6 | 7834 | 486 | 219 |
| 200 | 1.99 | 12.6 | 48.6 | 7803 | 498 | 292 |
| 300 | 1.9 | 13.1 | 46.2 | 7770 | 514 | 381 |
| 400 | 1.82 | 13.6 | 42.8 | 7736 | 533 | 487 |
| 500 | 1.72 | 14.1 | 39.1 | 7699 | 555 | 601 |
| 600 | 1.6 | 14.6 | 35.8 | 7659 | 584 | 758 |
| 700 | 14.8 | 32 | 7617 | 636 | 925 | |
| 800 | 12.9 | 7624 | 703 | 1094 | ||
| 900 | 7600 | 703 | 1135 | |||
| 1000 | 695 | |||||
| Т | МПа | 1/Град | Вт/(м·град) | кг/м3 | Дж/(кг·град) | Ом·м |
Технологические свойства (характеристики) материала сталь 20 .
| Свариваемость: | без ограничений. |
| Флокеночувствительность: | не чувствительна. |
| Склонность к отпускной хрупкости: | не склонна. |
Литейно-технологические свойства материала сталь 20 .
| Температура плавления, °C: | 1.1 — 2.2 |
| Температура горячей обработки,°C: | 3.3 — 4.4 |
| Температура отжига, °C: | 5.5 — 66 |
Механические свойства материала сталь 20:
sв — Предел кратковременной прочности , [МПа]
sT — Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5 — Относительное удлинение при разрыве , [ % ]
y — Относительное сужение , [ % ]
KCU — Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB — Твердость по Бринеллю , [МПа]
Физические свойства материала сталь 20:
T — Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E — Модуль упругости первого рода , [МПа]
a — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T ) , [1/Град]
l — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
r — Плотность материала , [кг/м3]
C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T ), [Дж/(кг·град)]
R — Удельное электросопротивление, [Ом·м]
Свариваемость материала сталь 20:
без ограничений — сварка производится без подогрева и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая — сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая — для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки — отжиг
Сравнение сталей 20 и 09г2с
Марки металла ст20 и 09г2с востребованы на рынке труб и трубопроводной арматуры. Их используют в отечественной и зарубежной промышленности для производства:
- металлопроката;
- сварных конструкций;
- отводов, опор и запорных механизмов;
- тройников и переходов.
Популярность связана с высокими эксплуатационными характеристиками, которые позволяют использовать их в регионах с критически низкими температурами наружного воздуха, в системах высокого давления и его резкими перепадами.
Несмотря на применение этих марок в одинаковых областях, их тип, отдельные химические и физические параметры различаются. Поэтому подходящий материал выбирает производитель в соответствии с техническими условиями, государственными и отраслевыми стандартами, особенностями транспортируемой рабочей среды.
Сталь 20 — характеристики
Ст20 относится к конструкционной углеродистой стали. Она пластична, ограничения по свариваемости отсутствуют. Детали производят путем волочения, отливки с дополнительной термохимической обработкой, методами горячей и холодной деформации.
Химический состав включает следующие элементы:
- содержание углерода от 0,17 до 0,24% в зависимости от исполнения;
- магний — до 0,65%, кремний — до 0,37%;
- фосфор — до 0,035%;
- другие элементы, в том числе вредные, не более 0,3%.
Легирование металла другими элементами улучшает эксплуатационные особенности материала. Например, добавление хрома объемом до 0,25% увеличивает устойчивость к влаге, поэтому металлопрокат лучше защищен от коррозии.
- Твердость материала зависит от того, была ли проведена термическая обработка. Варьируется в пределах 372–412 МПа для труб и металлопроката, предел текучести — 225–245 МПа.
- Температура эксплуатации от -40 до 450С, поэтому подходит для использования в северных районах страны.
- Обладает средней теплопроводностью, что обеспечивает оптимальную скорость нагрева и охлаждения при транспортировке продукта.
 |  |
Фотографии продукции из ст.20
Сталь 09г2с — характеристики
Расшифровка указывает на состав и особенности материала.
- 09 — объем углерода в химическом составе (0,09%);
- г2 — содержание марганца (варьируется от 1,2% до 2%);
- С — кремний, цифра в конце маркировки указывает на его количество, в данном случае меньше 1%.
Легирование стали не ограничивается этими тремя компонентами. В состав добавляют никель, серу, фосфор и другие элементы, но их содержание в сумме не больше 2%. Плотность около 7800 кг/м3, ее снижают добавлением меди или кобальта, увеличивают — вольфрамом.
Металл легко сваривается, поэтому его используют для организации технологических линий гражданского и промышленного назначения. Отличается устойчивостью к критически низким температурам (до -70С), поэтому применяется в нефтяной и газодобывающей промышленности в северных районах страны.
Твердость определяют по нескольким системам в зависимости от типа изделия. Предельные характеристики регламентированы техническими условиями 14-3-1128-2000.
Химический состав и эксплуатационные свойства продукции зарубежных производителей может отличаться от действующих в России и странах СНГ, что связано с разницей в требованиях государственных стандартов.
Разница в применении
Ст20 отличается низким показателем рабочей температуры. Это значит, что металлические изделия быстро нагреваются, а их пластичность увеличивается. При сильном охлаждении, наоборот, структура становится хрупкой.
Поэтому в суровых условиях используют сталь 09г2с, которая легко поддается сварке и подходит для применения в областях, где требуется высокая износостойкость. В экономическом плане 20 дешевле, поэтому ее часто выбирают в промышленности, где не важен температурный диапазон.
Фланцы из стали 09Г2С и 13ХФА
Фланцы из стали 09Г2С и 13ХФА: различия механических свойств и областей применения
Наиболее распространенными марками сталей для отрасли являются 09Г2С и 13ХФА, химический состав которых представлен в табл. 1.
Таблица 1 — Химический состав (массовая доля элементов, %)
| Марка, ГОСТ | C | Si | Mn | Cr | V | Ni | Al | P | S | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 09Г2С, ГОСТ 19281-2014 | ≤ 0,12 | 0,5-0,8 | 1,3-1,7 | ≤ 0,3 | ≤ 0,12 | ≤ 0,3 | 0,02-0,06 | ≤ 0,03 | ≤ 0,035 | ≤ 0,03 |
| 13ХФА, ГОСТ 4543-2016 | 0,11-0,17 | 0,17-0,37 | 0,4-0,65 | 0,5-07 | 0,04-0,09 | ≤ 0,3 | 0,02-0,06 | ≤ 0,025 | ≤ 0,025 | ≤ 0,03 |
Сталь 09Г2С: применение и свойства
Марка стали 09Г2С относится к классу низколегированных сталей. Относительно небольшое содержание углерода вместе с легированием марганцем и кремнием способствует сохранению высокого уровня механических свойств при отрицательных температурах. Пластинки цементита в составе перлита обладают низкой пластичностью и служат местами зарождения трещин. При низких температурах границы «феррит-цементит» в перлите играют роль препятствий, у которых скапливаются дислокации при их скольжении. Снижение доли перлита в структуре оказывает положительное влияние на стойкость при отрицательных температурах. Марганец, в общем случае, повышает прочность и при этом не оказывает негативного влияния на пластичность стали, резко снижая ее красноломкость. Также он измельчает зерно феррита, повышает пластичность, что приводит к понижению порога хладноломкости. Стали, содержащие в своем составе количество кремния выше технологической примеси (обычно не превышает 0,37%), при обработке на одинаковую твердость с нелегированными обладают несколько более высоким запасом вязкости, а при равной температуре отпуска превосходят нелегированную сталь по показателям прочности, уступая ей, однако, в вязкости. За счет низкого содержания углерода и легирующих элементов, сталь сваривается без ограничений и широко применяется в сварочных конструкциях.
Ее часто используют при эксплуатации в условиях низких температур (до -70 °С) и при высоких давлениях, а также, благодаря высокой пластичности, активно применяют при изготовлении деталей методом холодной штамповки.
Сталь 13ХФА: применение и свойства
В свою очередь, низколегированная сталь 13ХФА находит широкое применение в качестве материала для нефте- и газопроводных труб и в иных сферах химической промышленности. Наряду с высоким уровнем механических свойств и хладостойкостью, отличительной характеристикой 13ХФА является сопротивляемость образованию коррозии, особенно в присутствии H2S. Прежде всего это обусловлено наличием хрома, который за счет своего химического воздействия препятствует активному развитию данного процесса. Комплексное легирование хромом и ванадием благотворно влияет на сопротивление разрушению при минусовых температурах. Важно отметить, что малые добавки ванадия, высокоактивные по отношению к железу и примесям стали, оказывают комплексное воздействие на структуру и свойства стали благодаря сочетанию рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего эффекта. В свою очередь, добавление хрома повышает способность стали к термическому упрочнению, усиливает стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при низких температурах. При легировании стали небольшим количеством ванадия образуются труднорастворимые в аустените карбиды, способствующие измельчению зерна. Это приводит к понижению порога хладноломкости и уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений. Сталь сваривается с ограничениями.
Сравнительный анализ статей
В ряде случаев встает вопрос о возможности замены марок стали 13ХФА и 09Г2С друг на друга. В комплексном исследовании нефтегазопроводных труб, проведенном А. В. Иоффе с коллегами, представлены механические свойства сталей испытуемых труб.
Таблица 2 — Механические свойства
| Марка стали | Сортамент, мм | Предел текуч σ0,2, МПа | Врем. сопр.разрыву σв, Мпа | Относит. удлин. δs, % | Удар. вязкость KCV-60°C, Дж/см2 |
|---|---|---|---|---|---|
| 09Г2С | 159×8 | 340 | 460 | 32 | 81 |
| 13ХФА | 530×8 | 415 | 520 | 27,5 | 223 |
Из таблицы видно, что сталь 13ХФА имеет значительно более высокое значение ударной вязкости при отрицательной температуре. Снижение значения относительного удлинения для 13ХФА в сравнении с 09Г2С можно объяснить повышением предела текучести и прочности для первой стали. В работе Лапикова С. О. приводилось исследование возможности замены стали 09Г2С на 13ХФА в качестве материала запорной арматуры. Результаты механических испытаний приведены в табл. 3.
Таблица 3 — Механические свойства
| Марка стали | σ0,2, МПа | σв, МПа | δs, % | Относит. суж. ψ, % | KCU-60°C, Дж/см2 | KCV-60°C, Дж/см2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 09Г2С | 285 | 505 | 35,2 | 77,9 | 415 | 167 |
| 13ХФА | 421 | 510 | 30,7 | 79,7 | 375 | 294 |
Полученные данные механических испытаний из таблицы выше представляют большой интерес для анализа. При практически одинаковых значениях предела прочности значение предела текучести для стали 09Г2С значительно ниже, чем для 13ХФА. Значение ударной вязкости при -60 °С при V-образном концентраторе для стали 13ХФА практически в два раза больше, чем для 09Г2С, а при U-образном концентраторе картина меняется на противоположную, хотя разница в значениях уже не столь велика. Стоит отметить, что в ряде исследований наблюдается ситуация, когда на общем высоком уровне значений относительного сужения в шейке и относительного удлинения, резко ниже ожидаемого находится значение ударной вязкости. Такие разрозненные значения не всегда находят объяснение даже после исследования микроструктуры. Значения ударной вязкости из табл. 3 представляют особый интерес для дополнительных исследований и анализа.
Применение фланцев из сталей 13ХФА и 09Г2С
Компания «ОНИКС», специализирующаяся на производстве стандартных фланцев согласно ГОСТ 33259-2015 и нестандартных – по индивидуальному чертежу, провела собственные исследования механических свойств двух одинаковых типов фланцев из марок стали 13ХФА и 09Г2С. Результаты представлены в табл. 4.
Таблица 4 — Механические свойства, испытания фланцев
| Марка стали (сравн. с ГОСТ) | σ0,2, МПа | σв, МПа | δs, % | ψ, % | KCU, Дж/см2 |
|---|---|---|---|---|---|
| КП245 ГОСТ 8479-70 (сеч. до 100 мм) | ≥ 245 | ≥ 470 | ≥ 22 | ≥ 48 | ≥ 49 |
| 09Г2С | 305 | 475 | 37,5 | 79 | 245 |
| 13ХФА | 263 | 472 | 32 | 71 | 164 |
Для фланцев приварных встык ГОСТ 33259-2015 регламентирует использовать в качестве заготовки поковки с уровнем механических свойств не ниже КП245 по ГОСТ 8479-70. В табл. 4 также представлены минимально допустимые значения, на основании которых можно судить о достижении для исследуемых поковок данной категории прочности. Как видно из указанных значений, обе марки в рамках данной работы удовлетворяют КП245. В качестве окончательной термообработки проводилась нормализация. Однако наблюдается существенная разница в значениях ударной вязкости между данными марками стали. На следующем этапе исследования будет полезным проверить значения ударной вязкости при отрицательных температурах, что особенно актуально при эксплуатации фланцев в условиях севера.
Как отмечалось ранее, сталь 13ХФА обладает достаточно высоким уровнем стойкости к образованию и развитию коррозии. А. В. Иоффе, в своей работе проводивший исследования стойкости ряда марок стали к карбонатной коррозии, указывает на то, что традиционно используемые марки стали не пригодны для данных условий. Они образуют рыхлые продукты коррозии, имеющие слабую адгезию с металлом, не замедляют коррозионные процессы, что может привести к смене характера коррозии: с равномерной на локальную мейза-коррозию. Так, например, марганец за счет более высокой активности по сравнению с железом, негативно влияет на коррозионную стойкость, способствуя образованию окислов и сульфидов марганца. Подобные результаты также отмечает В. О. Кученев, проводивший анализ результатов стендовых испытаний, в том числе для марок 09Г2С и 13ХФА. Он указывает на низкую сопротивляемость образованию коррозии для стали 09Г2С. Несмотря на невысокие значения общей скорости коррозии, Кученев подчеркивает язвенный характер коррозионных повреждений, который не позволяет рекомендовать данную сталь к использованию в коррозионно-агрессивных средах. Например, в воде с высоким содержанием ионов растворенных солей, растворенных агрессивных газов сероводорода и углекислого газа.
| Стандарт | Наименование |
|---|---|
| ГОСТ 19281-2014 | Прокат повышенной прочности |
| ГОСТ 4543-2016 | Металлопродукция из конструкционной легированной стали |
| ГОСТ 33259-2015 | Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов на номинальное давление до PN 250 |
| ГОСТ 8479-1970 | Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали |
Важно отметить, что продукты углекислотной коррозии на сталях, микролегированных хромом, не приводят к пассивации поверхности стали в классическом смысле, однако обладают определенными защитными свойствами, защищая металл от проникновения к нему хлоридов. В своей работе Е. А. Борисенкова и М. К. Ионов представили результаты лабораторных испытаний образцов из стали 13ХФА в СО2-содержащей модельной среде. В ходе комплексного исследования морфологии и химического состава продуктов коррозии, а также замеров основных параметров модельной среды были выявлены основные этапы формирования защитного слоя продуктов коррозии на стали с 1% Cr. Кроме того, благодаря полученным результатам, описана стадийность углекислотной коррозии на стали с 1% хрома. Основным фактором формирования защитных свойств продуктов коррозии, по мнению авторов, является насыщение продуктов коррозии хромом. Процентное содержание хрома в продуктах коррозии увеличивается со временем за счет того, что образовавшаяся фаза Cr(OH)3 не растворяется и остается в приповерхностном слое, а ионы железа Fe2+ продолжают выходить в раствор.
На замену традиционно используемой марке стали 09Г2С, все чаще приходит 13ХФА. В общем случае 09Г2С при отрицательных температурах имеет выше значения по ударной вязкости, относительному удлинению и сужению в шейке. Трубопроводы из данной марки выдерживают высокие давления в условиях эксплуатации севера, а за счет своей неприхотливости при сварке она широко распространена на территории Российской Федерации. Трубы, изготовленные из 09Г2С, не всегда готовы к долговечной и безотказной службе. В случае транспортировки коррозионно-агрессивных сред часто развивается коррозия язвенного характера. В отдельных исследованиях отмечается значительно более низкая стойкость к водородному растрескиванию и сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением 09Г2С по сравнению с 13ХФА. Сохранение хладостойкости, высокий уровень механических свойств при низких температурах и высокая сопротивляемость развитию коррозии позволяют в ряде случаев использовать сталь 13ХФА взамен 09Г2С. Благодаря увеличению срока службы трубопровода при использовании 13ХФА нивелируется разница в стоимости между данными марками стали.
Статья подготовлена по материалам, опубликованным в журнале «ТПА 5 (110) 2020» — скачать электронную версию статьи
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Сравнение сталей 20 и 09г2с
При изготовлении различных металлоконструкций, труб и трубопроводной арматуры на российском рынке чаще всего используются две марки стали: ст.20 и 09г2с. Популярность материалов вызвана их эксплуатационными свойствами, хорошей свариваемостью, широким диапазоном рабочих температур.
Стали применяют в машиностроении, нефтегазовом секторе, химической промышленности и других сферах для производства:
- отводов, переходов, тройников и пр. фитингов;
- труб;
- запорно-регулирующей арматуры;
- сварных конструкций;
- машин и прицепов;
- различных деталей.
Несмотря на схожие области применения, стальные марки различаются составом, а, следовательно, технологическими и механическими свойствами. Поэтому материал выбирают, отталкиваясь от государственных и отраслевых стандартов, технических условий и проектной документации.
Характеристика стали 20
Ст.20 ‒ качественная углеродистая конструкционная сталь, которую используют для производства деталей, работающих при температуре от -40 до +450 °C.
Материал пластичен, не имеет ограничений в сварке, не склонен к отпускной хрупкости, не чувствителен к флокенам. Средняя теплопроводность обеспечивает равномерный нагрев и охлаждение во время транспортировки изделия. После термохимической обработки подходит для изготовления деталей с невысокой прочностью сердцевины при высокой твердости поверхности (шестерни, червяки и пр.).
Химические элементы, входящие в состав марки:
- С (углерод) ‒ 0,17-0,24%.
- Si (кремний) ‒ 0,17-0,37%.
- Mn (марганец) ‒ 0,35-0,65%.
- Ni (никель) ‒ до 0,3%.
- Р (фосфор) ‒ до 0,03%.
- S (сера) ‒ до 0,035%.
- Fe (железо) ‒ ∼98%.
- Концентрация др. элементов, в т.ч. вредных ‒ менее 0,3%.
Допускается снижение содержания кремния при использовании ванадия, алюминия, титана или ниобия. Количество марганца также может быть уменьшено при удовлетворении требований к механическим свойствам.
Легирование стали повышает прочность, стойкость к коррозии, снижает опасность хрупкого разрушения. Основные легирующие элементы: Cr (хром), Ni (никель), Cu (медь), N (азот), V (ванадий), Ti (титан) и пр.
Материал изготавливают волочением, отливкой, ковкой, горячей или холодной деформацией.
Характеристика стали 09г2с
Марка 09г2с ‒ конструкционная низколегированная. Ее используют для изготовления деталей и сварных металлоконструкций, работающих под давлением при температуре от -70 до +425 °C, что позволяет выдерживать сильные температурные деформации при длительной эксплуатации. Другими словами, материал морозоустойчив.
- 09 ‒ содержание углерода (C) ‒ 0,09%.
- г2 ‒ показывает наличие марганца (Mn) до 2%.
- с ‒ присутствие кремния (Si), отсутствие цифр после «с» определяет его содержание ‒ до 1%.
Химический состав стали не ограничен указанными тремя элементами, он может быть дополнен серой (S), никелем (Ni), фосфором (P), азотом (N) и др. При этом общий процент легирующих добавок не должен превышать 2%.
- не деформируется при эксплуатации;
- выдерживает нагрузки с переменным вектором силы;
- легко подвергается термической обработке;
- пластичная;
- устойчива к образованию флокенов;
- не склонна к отпускной хрупкости;
- не имеет ограничений в свариваемости;
- в сварном шве не образуются микропоры.
Отличия
Стали различаются содержанием химических элементов, что влечет за собой разницу в применении.
Ст20 расширяется под воздействием высоких температур, становится пластичной. При низких температурных значениях становится хрупкой. Является более дешевой маркой в сравнении с 09г2с.
Ст.09г2с сохраняет свои первоначальные характеристики, она более износостойкая. Поэтому ее используют для производства стальных элементов, к которым предъявляются повышенные требования к стойкости и температурным изменениям.
