Коррозионностойкие стали и сплавы, наиболее широко применяемые в теплоэнергетике

Наибольший интерес в теплоэнергетике с учетом эксплуатационных условий, представляют металлы и сплавы, работающие при высоких температурах в агрессивных средах, так называемые коррозионностойкие стали.

Коррозионная стойкость – сопротивление разрушению металла в результате химического или электрохимического воздействия внешней среды. Коррозия возникает по причине окисления металла, за счет действия которого может произойти частичное или окончательное разрушение поверхностного слоя.

По механизму протекания процесса различают 2 вида коррозии:

• химическую, когда коррозия происходит в неэлектролитах и в сухой газовой среде
• электрохимическую – коррозия возникает при взаимодействии с жидким электролитом, влажным газом и сопровождается протеканием электрического тока. Протеканию электрохимической коррозии очень активно способствуют влажная атмосфера, почва, вода, водные растворы солей, щелочей, кислот.

С учетом условий работы теплоэнергетического оборудования (температура эксплуатации превышает 550°С, возможная среда – кислородосодержащая газовая; воздух, при наличии углекислого газа; сухой водяной пар, чистый кислород) наиболее популярной и проблемной в котельном оборудовании является газовая коррозия.

Газовой коррозии подвергаются змеевики пароперегревателей со стороны топочных газов, подвески пароперегревателей и т. д.

Электрохимической коррозии подвержены трубки конденсаторов паровых турбин, экономайзерные и экранные трубы паровых котлов.

В зависимости от характера поражения поверхности в теплоэнерегетике различают несколько разновидностей процесса коррозии (рис. 1).

Рис. 1. Виды коррозионных разрушений: а – сплошная коррозия; б – коррозия пятнами; в – язвенная коррозия; г – межкристаллитная коррозия

Сплошная коррозия (рис. 1,а) – поверхность равномерно поражена. Процесс коррозии в таких случаях редко приводит к неожиданному разрушению, он хорошо заметен изначально.

Коррозия пятнами (рис. 1,б) – коррозия распространяется не равномерно по всей поверхности, а пятнами.

Язвенная коррозия (рис. 1,в) – процесс интенсивно развивается только в отдельных точках поверхности металла, где в последующем образуются язвины, которые могут привести к свищам.

Межкристаллитная коррозия (рис. 1,г) – разрушению подвергаются избирательно только границы зерен металла.

Критерий оценки коррозионной стойкости – уменьшение детали или размеров изделия, а также изменение физико-механических свойств металла.

Рассмотрим основные группы коррозионностойких сталей и сплавов

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали – это стали, стойкие к электрохимической коррозии. Стойкость стали к коррозии может быть достигнута за счет внедрения элементов, образующих на поверхности плотные защитные пленки или за счет повышения ее электророхимического потенциала (например, при легировании хромом в количестве 12–14%). Хромистые нержавеющие стали, содержащие более 12% Cr, стойки против газовой коррозии, но без дополнительного легирования обладают низкой прочностью при высоких температурах. Для улучшения эксплуатационных свойств в коррозионностойкие стали кроме хрома вводят элементы, расширяющие область феррита: Al, Si, W, Mo, Nb, Ti, V или область аустенита: Ni, Mn, Co, Cu.

Коррозионностойкие стали как отмечают авторы [1, 2] делятся на две основные группы: хромистые и хромоникелевые.

Хромистые коррозионностойкие стали

В зависимости от основной структуры, получаемой при охлаждении на спокойном воздухе, хромистые стали делятся на три основные группы:

• ферритные;
• ферритно-мартенситные;
• мартенситные.

Хромистые стали ферритного класса. Типичные представители – 08Х13; 12Х17; 15Х25Т, из которых изготавливают теплообменное оборудование, длительно работающие при температурах до 450°С. При нагреве, например, свыше 650°С зерна этих сталей значительно увеличиваются, наряду с этим ухудшается свариваемость и коррозионная стойкость сварных швов. Для измельчения зерна и повышения сопротивления межкристаллитной коррозии сталь легируют титаном (15Х25Т). При низком содержании углерода (08Х13 и 12Х17) стали весьма пластичны и хорошо обрабатываются давлением.

При увеличении содержания хрома (от 13 до 25%) коррозионная стойкость значительно повышается.

Хромистые стали ферритно-мартенситного класса. Типичные представители – 12Х13; 20Х13. Сталь 12Х13 имеет высокие характеристики пластичности, с учетом невысокого содержания углерода хорошо сваривается и, в связи с этим, основная область применения – сварные конструкции. Сталь 20Х13, в основном, используется для изготовления лопаток паровых турбин (рис. 2), компрессоров. Стали ферритно-мартенситного класса с более высокими прочностными свойствами, по сравнению с ферритными сталями, также, в основном, применяются в оборудовании, работающем при температуре до 450°С.

Рис. 2. Лопатки газовых и паровых турбин

Хромистые стали мартенситного класса. Типичные представители – 30Х13; 40Х13. Стали данной группы наделены характерными «плюсами» и «минусами». Основное достоинство в том, что после основной термической обработки (закалки при температуре 1000–1050°С и высокого отпуска) сталь сохраняет мартенситную структуру с высокой твердостью и коррозионной стойкостью. Один из главных недостатков – невысокая пластичность, подвергаются только горячей обработке давлением и показывают низкие технологические свойства при сварке, что подтверждается образованием трещин. Более широкое применение находит сталь 30Х13 – для изготовления болтов, валов, шестерен, пружин и др. деталей, условия эксплуатации которых: высокие напряжения, коррозия, нагрев изделий до 450°С.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали, в свою очередь, также классифицируются на основные группы:

• аустенитные;
• аустенитно-ферритные;
• аустенитно-мартенситные.

Хромоникелевые аустенитные стали. Типичные представители – 17Х18Н9; 08Х18Н10Т; 12Х18Н9; 17Х18Н9. Высокое содержание хрома и, главным образом, никеля способствуют тому, что стали данной группы обладают высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах в окислительных средах. Высокая коррозионная стойкость в сочетании с механическими свойствами обусловлена тем, что легирование аустенитообразующим элементом никелем в количестве больше 9-10% приводит к образованию аустенитной структуры после закалки. Наряду с этим эти стали хорошо свариваются, обрабатываются давлением, однако плохо обрабатываются резанием.

Необходимо учитывать и еще один недостаток некоторых марок, например, 12Х18Н9; 17Х18Н9 – это склонность к межкристаллитной коррозии. Эта опасность может возникать из-за уменьшения по границам зерен хрома, который выделяется в виде карбидов при нагреве закаленных сталей до рабочих температур порядка 400°С. В результате концентрация хрома от исходных 18% уменьшается до 11%, при которых не обеспечивается необходимая коррозионная стойкость.

На практике реализуются различные методы борьбы с межкристаллитной коррозией: легирование более активным, чем хром, карбидообразующим элементом – титаном, проведение закалки сталей при 1050–1100°С, что обеспечивает переход хрома в твердый раствор и применение стабилизирующего отжига при температуре порядка 850°С для выделения карбидов титана и сохранения хрома в твердом растворе.

Хромоникелевые аустенитно-ферритные стали. Типичные представители – 08Х22Н6Т; 08Х2Н6М2Т. Снижение никеля до 5,5–6,5% приводит к образованию аустенитно-ферритных сталей. После соответствующих режимов термической обработки (закалки в воде при нагреве до 1000–1050°С) стали этой группы имеют структуру с равномерно распределенными зернами аустенита и феррита, при его концентрации 40–60%. Незначительные недостатки сталей этой группы (такие как нестабильность свойств при небольшом изменении химического состава в пределах одной марки стали и охрупчивание при нагреве) перекрываются основными достоинствами – высоким сопротивлением коррозии, более высоким пределом текучести, чем у аустенитных сталей, хорошей свариваемостью, способностью деформироваться в режиме сверхпластичности.

Однако, указанное нами охрупчивание при нагреве, которое возникает лишь при длительном нагреве выше 400°С, определило условия эксплуатации сварных соединений из хромоникелевых аустенитно-ферритных сталей – предельная рабочая температура при длительной эксплуатации не должна превышать рубеж в 400°С. Но, следует отметить, что кратковременные нагревы выше указанной температуры для данных сталей не опасны.

Хромоникелевые аустенитно-мартенситные стали. Типичные представители – 09Х17Н7Ю; 07Х16Н6; 08Х16Н9М2. Для того, чтобы обеспечить высокие механические и коррозионные свойства, эти стали обрабатывают по индивидуальному режиму: закалка при температуре 945°С, в результате которой сталь приобретает аустенитную структуру с высокой пластичностью и способностью деформироваться, плюс обработка холодом при температуре –70°С, при которой около 80% аустенита переходит в мартенсит, плюс старение при температурах порядка 350–450°С, при котором происходит дополнительное упрочнение стали за счет выделения в мартенсите упрочняющих дисперсных фаз типа Ni₃Al.

Основные характерные свойства аустенитно-мартенситных сталей – более высокие прочностные свойства при температурах 450–480°С, чем у аустенитных сталей, хорошая свариваемость, но они несколько уступают последним по коррозионной стойкости.

Таким образом, в работе рассмотрены основные коррозионностойкие стали и сплавы в теплоэнергетике и их классификация с учетом легирования.