Хладостойкие стали для конструкций, эксплуатирующихся при низкой (криогенной) температуре. Необходимость применения металлических материалов, работоспособных при низкой (криогенной) температуре, продиктована развитием химической и нефтехимической промышленности, а также освоением новых газовых месторождений, что требует осуществлять в широких масштабах транспортировку, переработку и хранение различных газов. Известно, что хранить и транспортировать газы экономически выгодно лишь в сжиженном состоянии, так как, например, регазификация 1 м3 сжиженного природного газа превращает его в 600 м3 газообразного продукта. Металлоемкость хранилищ с переходом на сжиженный газ уменьшается в 1,5-2 раза.

Для хранения сжиженных газов используются изотермические резервуары, имеющие наружную и внутреннюю металлические оболочки с эффективным утеплителем между ними. Хранение осуществляется при давлении, несколько превышающем атмосферное, и температуре, близкой к точке кипения газа при атмосферном давлении. Эта температура, при которой эксплуатируется внутренняя оболочка резервуара, составляет для этилена минус 104 °С, для метана минус 162 °С, для природного газа минус 165 °С, для кислорода минус 183 °С и для азота минус 196 °С. Вместимость применяемых в нашей стране изотермических резервуаров изменяется в пределах 300 - 60000 м3.

Материалы, используемые в конструкциях при указанных температурах, помимо высокой вязкости, необходимой для предотвращения хрупкого разрушения, должны обладать хорошей свариваемостью, достаточной прочностью, обрабатываемостью и не менять своих свойств в процессе изготовления конструкции и эксплуатации, а также быть экономически оправданными. Для этих целей возможно использование аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, медных и никелевых сплавов. Однако наиболее эффективны стали с содержанием 6 и 9 % никеля [3].

При легировании стали никелем с повышением его содержания до 10 - 13 % температура хрупкости монотонно снижается со средней интенсивностью 20 - 30 °С на 1 % NL Это влияние никеля, отличное от действия большинства других легирующих элементов, объясняли рядом причин: измельчением карбидов и более равномерным их распределением, уменьшением энергии взаимодействия атомов примесей внедрения (углерода и азота) с дислокациями и уменьшением их концентрации на дислокациях. Однако преобладает мнение, что основной причиной положительного влияния никеля на хладостойкость является сильное измельчение микроструктуры. Причем это измельчение обусловлено не только малыми размерами зерен, субзерен и других фрагментов микроструктуры, но, главным образом, наличием в ней устойчивых микровыделений остаточного аустенита.

Оптимальные микроструктура и хладостойкость никелевых сталей достигаются после термической обработки, включающей закалку и последующий отпуск или нормализацию с последующим отпуском. Цель - получить мелкозернистую микроструктуру с максимальным содержанием остаточного аустенита. Вместе с тем этот аустенит должен быть устойчивым и не склонным к распаду на мартенсит при охлаждении до низких температур, а также дальнейшей эксплуатации. В этом отношении хорошие результаты дает либо термическое улучшение с нагревом при закалке до 800 °С, либо двойная нормализация с последующим отпуском. Температура нагрева первой нормализации около 900 °С (она призвана устранить появление «камневидного» излома), второй - 780-800 °С . Температура отпуска выбирается в диапазоне 570 - 620 °С. Предлагаются и другие режимы термообработки, более трудоемкие, но ведущие к получению повышенных результатов. Так, в США для достижения наиболее высокой хладостойкости стали с 5 - 9 % Ni используется закалка с нагревом до 800 °С и последующий двухкратный отпуск при 670 °С в течение 1 ч и при 600 °С - 1ч.

Микроструктура после термической обработки состоит из отпущенных продуктов низкотемпературных превращений: мартенсита и бейнита и тонких включений аустенита (10-12 %), расположенных по границам мартенеитных реек и внутри них.

В табл. 1.36 и 1.37 приведен химический состав и механические свойства отечественных хладостойких никелевых сталей марок ОН6 и ОН9. Сталь ОН6 дополнительно легирована ниобием. В табл. 1.37 обращают на себя внимание высокие прочностные характеристики от и ав никелевых сталей. Это благоприятствует снижению металлоемкости и стоимости изготавливаемых из них конструкций.

В сталь вводится алюминий 0,02-0,05 %, цирконий 0,001 %, РЗМ 0,05 %, бор не более 0,003 %.

За рубежом (в США и Японии) разными металлургическими фирмами разработаны и предлагаются потребителям никелевые стали, в которых содержится до 1 - 2 % Мп, до 0,4 % Мо, а также добавки хрома и меди в разных сочетаниях. Это дополнительное легирование позволяет снизить содержание никеля до 5-5,5% при сохранении хладостойкости на уровне стали с 9 % Ni.

У нас и за рубежом для сварки никелевых сталей используют ручную электродуговую сварку покрытыми электродами, электродуговую сварку в среде защитных газов, а также полуавтоматическую и автоматическую сварку под слоем флюса. Основная проблема - получение металла шва с такой же хладостойкостью, что и у основного металла. Однако существуют и другие проблемы: различие в темпера-

поведение при коррозионном воздействии окружающей среды, возможность водородного охрупчивания и т.п.

Обычно для сварки никелевых сталей используются присадочные материалы на основе высоконикелевых сплавов. В частности, в нашей стране, для ручной дуговой сварки стали марок ОН6 и ОН9 используются высоконикелевые электроды марок НИАТ-5 и ОЗЛ-25Б. Их недостатком является низкий предел текучести металла шва. В результате расчетные сопротивления для сварного соединения принимаются в 1,5-2 раза ниже, чем те, что могут быть приняты для основного металла. В связи с этим в последнее время проводятся работы по повышению прочности присадочных материалов, причем получены обнадеживающие результаты. Они основаны на введении в никелевый сплав значительных количеств хрома (до 20 %), молибдена (до 10 %), ниобия (до 4 %), вольфрама и других элементов в различных сочетаниях.

В отечественной практике проектирования металлоконструкций для криогенной техники сталь марки ОН 6 используется до температуры хранения жидкого этилена (минус 104 °С), а сталь марки ОН9 - до температуры хранения жидкого природного газа (минус 165 °С). За рубежом стали указанных типов применяются до более низких температур.

В государствах бывш. СССР для металлоконструкций, эксплуатируемых при более низких температурах, в частности, для внутренних оболочек резервуаров хранилищ жидких кислорода и азота использовались аустенитные стали. Химический состав и механические свойства одной из них - экономно легированной стали марки 10Х14Г14Н4Т также приведены в табл. 1.36 и 1.37. К сожалению, прочностные характеристики этих материалов значительно ниже прочностных характеристик никелевых сталей, что предопределяет их увеличенный расход.