Материалы применяемые в трубопроводной арматуре

Материалы, применяемые в трубопроводной арматуре

Почему материал арматуры имеет значение

Материал корпуса, штока, седла, переходника или крепежной детали определяет не только прочность трубопроводной арматуры, но и ее срок службы в конкретной рабочей среде. Одна и та же конструкция может надежно работать с сухим воздухом и быстро коррозировать при постоянном контакте с влажным газом, солевым раствором или конденсатом.

При выборе учитывают давление и температуру, химический состав среды, наличие кислорода и влаги, скорость потока, возможность образования застойных зон, контакт разных металлов и состояние поверхности. Предел прочности показывает нагрузку, при которой образец разрушается, а предел текучести - напряжение, после которого начинается необратимая деформация.

MK_1L20NO_220V_1

Ссылка на электромагнитный клапан серии МК-1 в каталоге товаров

Углеродистая сталь

Углеродистые стали используют для корпусов, фланцев, переходников, шпинделей, крепежа и других деталей, когда требуется сочетание прочности, технологичности и доступной стоимости. Их главный недостаток - низкая собственная коррозионная стойкость. Во влажном воздухе и воде с растворенным кислородом на незащищенной поверхности появляется ржавчина. Соли, кислоты, конденсат и повышенная температура обычно ускоряют разрушение.

В сухих неагрессивных газах, маслах и нефтепродуктах углеродистая сталь может служить долго, если в системе нет воды и агрессивных примесей. Для наружных поверхностей и деталей, контактирующих с влажной атмосферой, применяют оцинковку, окраску, чернение с промасливанием или другие способы защиты.

Ст3

Ст3 - конструкционная сталь обыкновенного качества. Она хорошо сваривается, легко обрабатывается и подходит для ненагруженных и умеренно нагруженных элементов: кронштейнов, рычагов, крышек, опор, фланцев и деталей привода. Для ответственных проточных деталей ее выбирают только после проверки давления, температуры и требований нормативной документации.

Для тонкого проката Ст3сп по ГОСТ 535 ориентировочное временное сопротивление составляет 370-480 МПа, а предел текучести - около 245 МПа. При увеличении толщины минимальный предел текучести снижается. По коррозии Ст3 не отличается принципиально от других обычных углеродистых сталей: без покрытия ржавеет во влажном воздухе, пресной и особенно соленой воде.

Ст20

Ст20 - качественная низкоуглеродистая сталь. По сравнению со Ст3 она имеет более контролируемый химический состав и часто применяется для переходников, штуцеров, патрубков, трубных деталей и сварных узлов. Она хорошо сваривается и пластична, поэтому подходит для деталей со сложной обработкой и для изделий, где нежелательна высокая хрупкость.

Для нормализованных образцов по ГОСТ 1050 минимальный предел текучести составляет 245 МПа, предел прочности - 410 МПа. Коррозионная стойкость остается низкой: Ст20 не следует считать материалом для постоянного контакта с водой, пароводяной смесью, кислотами или растворами солей без оценки припуска на коррозию и защитного покрытия.

Ст45

Ст45 содержит больше углерода и обладает повышенной прочностью и твердостью. Ее применяют для штоков, осей, кулачков, втулок, зубчатых элементов и других деталей механизма, где важны износостойкость и сопротивление нагрузке. Свариваемость хуже, чем у Ст3 и Ст20, а свойства заметно зависят от термообработки.

Для нормализованных образцов по ГОСТ 1050 минимальный предел текучести составляет 355 МПа, предел прочности - 600 МПа. Более высокая прочность не означает лучшую стойкость к ржавлению: Ст45 также нуждается в защите при контакте с влагой, солями и конденсатом.

Нержавеющая сталь

Нержавеющие стали содержат хром, который формирует на поверхности тонкую пассивную пленку. При наличии кислорода она способна восстанавливаться после небольших повреждений и значительно замедляет коррозию. Поэтому нержавеющую сталь выбирают для воды, влажных газов, пищевых сред, моющих растворов и многих химических продуктов.

Однако слово «нержавеющая» не означает абсолютную стойкость. Хлориды могут вызывать точечную и щелевую коррозию, а при повышенной температуре - коррозионное растрескивание под напряжением. Сильные минеральные кислоты, горячие концентрированные щелочи и застойные зоны требуют отдельной проверки.

08Х18Н10 и ближайший аналог AISI 304

08Х18Н10 - аустенитная хромоникелевая сталь общего назначения. Ближайшим зарубежным аналогом считается AISI 304. Материал сочетает пластичность, свариваемость и хорошую стойкость в атмосфере, пресной воде, пищевых продуктах, спиртах, маслах и многих слабых растворах кислот и щелочей.

Для прутков 08Х18Н10 после закалки на раствор по ГОСТ 5949 ориентиром служат предел текучести не менее 196 МПа и предел прочности не менее 470 МПа. Для горячекатаного листа AISI 304 по EN 10088 типовые нормативные значения составляют не менее 210 МПа по пределу текучести и 520-720 МПа по пределу прочности.

Основное ограничение 08Х18Н10/AISI 304 - среды с хлоридами. Морская вода, концентрированные рассолы, длительный контакт с солями и горячая хлорированная вода могут вызвать питтинговую и щелевую коррозию. При температурах выше примерно 50 °C в хлоридной среде возрастает риск коррозионного растрескивания под напряжением.

12Х18Н10Т и ближайший аналог AISI 321

12Х18Н10Т - аустенитная сталь, стабилизированная титаном. Ближайший зарубежный аналог - AISI 321. Добавка титана связывает углерод и снижает склонность к межкристаллитной коррозии после сварки или длительного нагрева в опасном температурном диапазоне. Поэтому марку применяют в сварных корпусах, трубопроводных деталях, фланцах и узлах, работающих при повышенной температуре.

Для листа 12Х18Н10Т после термообработки по ГОСТ 7350 ориентировочные минимальные значения составляют около 236 МПа по пределу текучести и 530 МПа по пределу прочности. Для AISI 321 по EN 10088 в зависимости от формы проката предел текучести составляет 200-220 МПа, а предел прочности - 500-720 МПа.

По стойкости к обычной влажной коррозии AISI 321 близка к AISI 304. Титан улучшает устойчивость к межкристаллитной коррозии и работу после нагрева, но не делает материал заметно более стойким к морской воде и хлоридам. Для солевых и морских сред чаще рассматривают стали с молибденом, например 316/316L, если это допускает конструкция.

MK_1H_20_HZ_220_1

Ссылка на электромагнитный клапан МК-1Н20НЗ-220V в каталоге товаров

Латунь

Латунь - медно-цинковый сплав, широко применяемый в муфтовой арматуре небольших диаметров, фитингах, кранах, клапанах, штуцерах и переходниках. Она хорошо обрабатывается резанием, подходит для горячей штамповки и не образует красную железную ржавчину. На поверхности может появляться потемнение или патина, но в обычной атмосфере это не приводит к такому быстрому разрушению, как у незащищенной углеродистой стали.

Точные механические свойства зависят от марки. Для оценки корпусов и поковок можно ориентироваться на ковочную латунь типа C37700, близкую по назначению к свинцовистым латуням для горячего прессования. Для горячепрессованного прутка типичны предел текучести около 140 МПа и предел прочности около 360 МПа. Холодная деформация может заметно повысить прочность, но снизить пластичность.

Латунь устойчива в воздухе, пресной воде, многих маслах, топливах и нейтральных растворах. При этом возможны специфические виды разрушения:

• обесцинкование в горячей или хлоридсодержащей воде, особенно у неподходящих марок;
• коррозионное растрескивание под напряжением в присутствии аммиака и аммонийных соединений;
• ускоренная коррозия в сильных кислотах, окислительных средах и при контакте с некоторыми сернистыми соединениями;
• гальваническая коррозия при электрическом контакте с более благородным металлом в электролите.

Для питьевой воды, горячего водоснабжения и химически активных сред необходимо знать конкретную марку латуни и ее стойкость к обесцинкованию. Формулировки «латунный корпус» недостаточно, если среда содержит аммиак, высокую концентрацию хлоридов или работает при повышенной температуре.

 

Латунь не ржавеет как углеродистая сталь, но может темнеть, обесцинковываться и растрескиваться в специфических средах. Коррозионную стойкость следует оценивать по конкретной марке сплава, температуре и составу воды или газа.

 

Покрытия на металлических деталях

Покрытие позволяет сохранить преимущества недорогого или технологичного основного металла и снизить скорость поверхностной коррозии. Однако покрытие не меняет прочность материала в объеме детали и не всегда подходит для проточной части. При выборе учитывают толщину слоя, пористость, повреждение при монтаже, температуру, состав среды и возможность контакта с другими металлами.

 

Оцинковка стальных деталей

Цинк защищает сталь двумя способами. Неповрежденный слой отделяет металл от влаги и кислорода, а при локальном повреждении цинк работает как более активный металл и жертвенно корродирует вместо стали. Поэтому небольшая царапина на оцинкованной детали не сразу приводит к ржавлению основания.

Оцинковка эффективна в атмосферных условиях, пресной воде и многих нейтральных средах. Срок защиты зависит прежде всего от толщины покрытия и скорости растворения цинка. В сильных кислотах и щелочах цинк разрушается быстро; при постоянном контакте с горячей водой, конденсатом и солевыми растворами ресурс также может сокращаться. Для внутренней проточной поверхности необходимо подтверждение совместимости покрытия с рабочей средой и требованиями к чистоте продукта.

 



10

Ссылка на переходник без покрытия в каталоге товаров

 



10 008 3 S20 3

Ссылка на оцинкованный переходник в каталоге товаров

 

Воронение или чернение стальных деталей

При чернении на поверхности стали формируется тонкий темный слой оксида железа, преимущественно магнетита. Покрытие практически не изменяет размеры детали, уменьшает блик и улучшает внешний вид. Оно часто используется для крепежа, деталей привода, инструмента и механизмов.

Сам по себе черный оксид дает лишь небольшую защиту. Основной эффект достигается после пропитки маслом, воском или другим герметизирующим составом. Чернение подходит для сухих помещений и умеренной влажности, но не заменяет оцинковку, окраску или нержавеющую сталь при постоянном контакте с водой, конденсатом, солями и химически активными жидкостями.

 

Никелирование латунных деталей

Никелирование латуни выполняет декоративную и защитную функцию. Никелевый слой делает поверхность светлой, повышает износостойкость, замедляет потемнение и уменьшает прямой контакт латуни со средой. Покрытие удобно для штуцеров, переходников, крепежных и наружных деталей, где важны внешний вид и стабильность поверхности.

Никель действует в основном как барьер. Если слой пористый, слишком тонкий или поврежден, электролит достигает латуни, и под покрытием может развиваться локальная коррозия. Стойкость зависит от технологии и толщины: химическое никелирование обычно дает более равномерный слой на сложных поверхностях, а гальваническое - более выраженный декоративный эффект. В сильных кислотах, горячих хлоридных растворах и абразивном потоке совместимость должна подтверждаться отдельно.



10

Ссылка на никелированный переходник в каталоге товаров

 

Стойкость материалов в разных средах

Таблица дает общую инженерную оценку. Концентрация, температура, скорость потока, наличие кислорода, зазоров и примесей могут полностью изменить результат. Для опасных, пищевых и химических сред материал подтверждают по паспорту, таблицам коррозии и опыту эксплуатации.

 

Среда	Углеродистая сталь	08Х18Н10 / 304	12Х18Н10Т / 321	Латунь
Сухой воздух и сухие неагрессивные газы	обычно пригодна	стойкая	стойкая	стойкая
Влажный воздух и конденсат	ржавеет без покрытия	обычно стойкая	обычно стойкая	стойкая, возможно потемнение
Пресная вода	корродирует	обычно стойкая	обычно стойкая	обычно стойкая при подходящей марке
Горячая вода и пар	коррозирует; нужен расчет	пригодность зависит от хлоридов и температуры	лучше после сварки/нагрева, но ограничения по хлоридам сохраняются	риск обесцинкования у неподходящих марок
Масла и углеводороды без воды	часто пригодна	стойкая	стойкая	обычно стойкая
Слабые кислоты и моющие растворы	обычно не рекомендуется	стойкость зависит от состава и температуры	аналогично 304; лучше по межкристаллитной коррозии	ограниченно, требуется проверка
Хлориды, рассолы, морская вода	быстрая коррозия	риск питтинга и щелевой коррозии	аналогичный риск; титан не решает проблему хлоридов	риск обесцинкования и локальной коррозии
Аммиак и аммонийные соединения	зависит от влаги и концентрации	требуется проверка	требуется проверка	опасность коррозионного растрескивания
Сильные кислоты и горячие щелочи	нестойкая	может корродировать	может корродировать	обычно не рекомендуется без специальных данных

 

Что ржавеет, а что нет: углеродистая сталь образует красно-бурую ржавчину при наличии влаги и кислорода. Нержавеющая сталь обычно сохраняет пассивное состояние, но может локально разрушаться в хлоридах. Латунь не образует железную ржавчину, однако может темнеть, обесцинковываться или растрескиваться в неблагоприятной среде.

Как выбрать материал для арматуры

• Определить точный состав рабочей среды, включая воду, кислород, хлориды, сернистые соединения и моющие реагенты.
• Учесть рабочую и максимальную температуру: нагрев ускоряет коррозию и меняет механические свойства.
• Сопоставить давление с пределом текучести, прочностью и нормативами для конкретной формы детали.
• Проверить совместимость всех смоченных деталей, а не только корпуса: штока, пружины, седла, крепежа, покрытия и уплотнений.
• Исключить застойные зоны, щели и гальванические пары разных металлов либо предусмотреть электрическую изоляцию.
• Для покрытых деталей оценить не только тип покрытия, но и толщину, качество подготовки поверхности и риск повреждения при монтаже.

 

Заключение

Ст3 и Ст20 удобны для сварных, корпусных и соединительных деталей, но требуют защиты от влаги. Ст45 прочнее и подходит для нагруженных элементов механизма, однако также ржавеет. Нержавеющая 08Х18Н10/AISI 304 является универсальным вариантом для влажных и умеренно агрессивных сред, а 12Х18Н10Т/AISI 321 лучше сохраняет стойкость к межкристаллитной коррозии после сварки и нагрева. Обе марки имеют ограничения в хлоридных средах.

Латунь технологична, устойчива в воде, воздухе и углеводородах, но ее марку необходимо проверять по обесцинкованию и стойкости к аммиаку. Оцинковка дает стали жертвенную защиту, чернение подходит главным образом для умеренных условий с промасливанием, а никелирование улучшает поверхность латунных деталей при условии сплошного и качественного слоя.

Окончательный выбор делают по паспорту конкретного изделия, составу среды, давлению, температуре и требуемому сроку службы. Универсального материала для всех условий не существует: надежность арматуры определяется правильным сочетанием основного металла, покрытия, уплотнений и конструкции узла.