Какие стали используются для крепёжных изделий в сосудах под давлением

Производство метизов – настоящая наука, которая сочетает в себе инженерию и металловедение. Крайне важно знание характеристик и свойств металлов, их поведение в той или иной среде. В зависимости от назначения, изготовление крепежа имеет свои особенности. В частности, для сосудов под давлением, разработаны свои ГОСТы, которые позволяют применение различных сталей и сплавов, в зависимости непосредственно от того давления, которое на них будет оказываться.

Общие данные о сосудах под давлением

Сосуды под давлением — это закрытые ёмкости, которые устанавливаются стационарно, или являются передвижными. Они предназначаются для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортировки газообразных, жидких и других веществ. Границами сосудов служат входные и выходные штуцеры.

Такие сосуды очень активно используются и в промышленности, и в быту, и в спорте и других сферах. Они отличаются разнообразием своих размеров, технических характеристик, а также способов применения.  Поэтому и применяются они, начиная от ядерных реакторов и заканчивая домашними отопительными котлами, а также баллонами для дайвинга. Ещё сосуды под давлением используются в качестве паровых котлов, барокамер, автоклавов, ресиверов, цистерн, газовых баллонов и бочек, которые предназначенные для транспортировки или хранения сжатых, сжиженных газов, жидкостей и сыпучих тел.

Требования к ним установлены ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением». Следовательно и изготовления крепежа для сосудов под давлением, должно осуществляться в соответствии всей нормативной документации.

Используемые стали для крепёжных изделий под давлением

Для изготовления крепежных изделий — шпилек, болтов, гаек и хомутов используемое сырьё, должно характеризоваться высоким пределом текучести, хорошо сопротивляться релаксации напряжений, обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений, большой длительной пластичностью, стабильностью структуры и свойств в процессе длительной эксплуатации. А также соответствовать целому ряду других характеристик и коэффициентов.

Такие высокие требования выдвигаются к стали из-за того, что под воздействием высоких температурах в шпильках, болтах и гайках, а также в ряде других деталей, происходит снижение напряжений в результате перехода упругой деформации в пластическую при постоянной суммарной начальной деформации, то есть, наблюдается релаксация напряжений.

Чтобы обеспечить плотность соединений, созданных с использованием крепёжных элементов, шпилькам придают первоначальный натяг. Но стоит учитывать, что напряжения в шпильках, вызванные натягом, постепенно снижаются, так как упругая деформация переходит в пластическую. По этой причине, в шпильках уменьшается удельное давление на прокладку фланцевого соединения, и возникает опасность нарушения плотности. Для того, чтобы нивелировать данный фактор, шпилькам требуется подтяжка, после определенного периода работы. Каждое последующее подтягивание приводит к тому, релаксационная кривая идет более полого, и напряжения в шпильках снижаются не так быстро. Время до последующего подтягивания может быть значительно большим, чем до предыдущего. Также, важно учитывать, что чем выше рабочая температура, тем ниже релаксационная стойкость стали. А вот колебания температуры приводят к резкому снижению релаксационной стойкости. Данный показатель имеет прямую зависимость от марки стали, колебания температуры и продолжительности цикла. При расчете деталей, работающих в условиях релаксации напряжений при изменяющихся температурах, ориентируются по верхней температуре цикла.

Для повышения релаксационной стойкости в сталь вводят Мо, V и Cr. Релаксацнонностойкие стали содержат больше углерода, чем стали для труб, поковок и литья (0,20—О,40 % С). Это возможно, так как крепежные детали не подвергаются сварке.

Требования к материалу шпилек и болтов обычно более жесткие, чем к материалу гаек. На фланцах из перлитных сталей должны применяться шпильки из перлитных или феррито-мартенситных сталей, коэффициенты линейного температурного расширения которых близки. На фланцах из аустенитной стали должны применяться шпильки также из аустенитной стали. Если же коэффициенты линейного расширения разнятся, то возможна либо разгерметизация фланцевого соединения из-за уменьшения давления на прокладку, либо обрыв шпилек из-за их перегрузки.

Для предотвращения заедания резьбовых соединений, работающих при высоких температурах, изготовление крепежа, такого как шпильки и гайки необходимо осуществлять из разных сталей. При этом, используемый для гаек материал, должен быть мягче.

В сосудах, которые работают под давлением, крепежные изделия из сталей обыкновенного качества ВСтЗсп, ВСт4сп, ВСт5сп (ГОСТ 380—71) допускаются к применению в интервале температур от —20 до +350 °С и при условном давлении до 2,5 МПа. Болты и шпильки из качественных углеродистых сталей 20 и 25 (ГОСТ 1050—74) можно применять при температуре от —30 до +425 °С и условном давлении до 2,5 МПа. Более прочные углеродистые качественные стали 30, 35 и 40 по тому же стандарту разрешены к применению для изготовления всех видов крепежных изделий в том же интервале температур от —30 до +425 °С, но до более высокого условного давления 10 МПа. При более высоких температурах и давлениях должны применяться легированные стали. В частности, без ограничения давления до 450 °С можно использовать шпильки и болты из стали марок ЗОХМ, ВОХМА и ЗБХМА по ГОСТ 4543—71; из этих же сталей могут быть изготовлены гайки, работающие до 510 °С в котлах и до 530 °С на трубопроводах.