Явище водневої корозії спостерігається в апаратах високого тиску при контакті із середовищем, що містить газоподібний водень. Воднева корозія сталі відбувається в результаті гідрогенізації її карбідної фази з воднем, поглиненим металом при контакті з воднемістким технологічним середовищем. В результаті водневої корозії змінюється структура сталі, відбувається міжкристалічне розтріскування; міцність та пластичні характеристики сталі незворотно погіршуються, приводячи до передчасних поломок і руйнувань. Інтенсивність хімічної взаємодії водню з карбідною складовою сталі залежить від температури та тиску водню, а також від ступеня легування стали карбідоутворюючими елементами. Основний спосіб захисту сталі від водневої корозії – введення сильних карбідоутворюючих елементів, які підвищують стійкість карбідної складової (хрому, молібдену, титану, ванадію). Проте необхідно враховувати, що застосування сталей, легованих дорогими компонентами, може істотно підвищити вартість обладнання і не завжди бути прийнятно з технічних причин, наприклад, через відсутність поковок необхідних розмірів з легованої сталі. Для захисту стали від водневої корозії можна футерувати або плакувати сталь матеріалом, який має низьку водневу проникність.
Карбонільна корозія спостерігається в середовищах, що містять значну кількість оксиду вуглецю. Оксид вуглецю, взаємодіючи з металевою поверхнею деталей, утворює карбонільне з’єднання з залізом – пентакарбоніл заліза. Продукти корозії поступово переходять з поверхні металу в газову фазу. Карбонільна корозія є різновидністю поверхневої корозії матеріалу в газовому технологічному середовищі і супроводжується зменшенням товщини стінки. Основними факторами, що визначають стійкість сталі в середовищі окису вуглецю, є парціальний тиск окису вуглецю, температура та хімічний склад сталі. Найстійкіші до карбонільної корозії є сталі, що містять не менше 18 % хрому. Високу стійкість мають кольорові метали і сплави. Алюміній практично не піддається карбонільної корозії.
Азотування сталі спостерігається в установках синтезу аміаку, де атомарний азот дифундує в поверхневий шар металу і взаємодіє із залізом та легуючими елементами, утворюючи нітриди, які додають крихкість азотизованому шару. Азотування сталі супроводжується значним збільшенням об’єму шару металу, насиченого азотом, що призводить до появи значних напружин розтягненні в матеріалі під азотизованим шаром. Дослідження показали, що помітне азотування вуглецевих та низьколегованих сталей спостерігається при температурах понад 300 °С, середньолегованих – при температурах понад 380 °С, високолегованих аустенітних – при температурах понад 400 °С.
Графітизація – явище, пов’язане з руйнуванням карбіду заліза та утворенням ланцюжків вільного графіту в основному в зоні зварних швів. Це явище характерне для вуглецевомолібденових сталей в області температур 475-600 °С і призводить до зниження ударної в’язкості. Для запобігання графітизації в сталь вводять добавки хрому (не менше 0,6-0,8 %).
При вибору матеріалів для виготовлення апаратів, які працюють під тиском при низьких та високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості матеріалів істотно змінюються залежно від температури. Міцностні властивості металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих. Зниження міцностних властивостей при високих температурах обумовлено структурними і фазовими перетвореннями, які відбуваються в металі. Для хімічної апаратури, призначеної для роботи при високих температурах, застосовують спеціальні марки жароміцних сталей, які характеризуються достатньою механічною міцністю та стабільністю структури при високих температурах. Поряд із жароміцністю ці метали повинні бути також і жаростійкими, тобто здатні протистояти корозійному впливу середовища в умовах тривалої роботи при високих температурах.
При статичному навантаження важливими характеристиками для оцінки міцності матеріалу є границя міцності чи тимчасовий опір Rm і границя текучості Re (або умовна границя текучості Rp0,2 ). Пружні властивості металів характеризуються модулем подовжньої пружності E і коефіцієнтом Пуассона . Зазначені характеристики є основними при розрахунках на міцність деталей апаратури, яка працює під тиском при низьких (від мінус 254 до мінус 40 °С), середніх (від мінус 40 до плюс 200 °С) та високих (понад 200 °С) температурах.
При динамічному навантаженні крім зазначених вище характеристик необхідно враховувати також і величину ударної в’язкості. Для багатьох вуглецевих і легованих сталей ударна в’язкість при низьких температурах (звичайно нижче мінус 40 °С) різко знижується, що виключає застосування цих матеріалів у таких умовах. Ударна в’язкість для більшості кольорових металів і сплавів (міді та її сплавів, алюмінію та його сплавів, нікелю та його сплавів), а також хромонікелевих сталей аустенітного класу при низьких температурах, як правило, зменшується незначно, і пластичні властивості цих матеріалів зберігаються на досить високому рівні, що дозволяє застосовувати їх при робочих температурах до мінус 254 °С.
Крім зазначених механічних характеристик при вибору матеріалу для посудин та апаратів, що працюють під тиском і при високих температурах, враховують такі властивості як повзучість, тривала міцність матеріалу, релаксація, стабільність структури, теплова крихкість, а для посудин та апаратів, що працюють при знижених температурах, – схильність до холодноламкості.
Явища повзучості та релаксації спостерігаються в сталях при довготривалій роботі і високих температурах в умовах напруженого стану. Повзучістю називають здатність сталі повільно і безперервно деформуватися під дією постійного навантаження при високих температурах. Границею повзучості Rp1,0 / 105 називають напружину, що викликає загальну деформацію 1 % за 105 годин. Опір сталі повзучості – основний критерій, за яким судять про теплотривкість сталі. Теплотривкість – це здатність сталі протистояти повзучості. У розрахунковій практиці границю повзучості враховують при визначенні допустимих напружин, якщо необхідно обмежити деформацію деталі, наприклад, при розрахунку кріпильних виробів.
Якщо загальна деформація повзучості несуттєва, але деталь працює при високій температурі під навантаженням, то допустимі напружини визначають по границі тривалої міцності. Границею тривалої міцності
Rm/ 105 називають відношення навантаження, під дією якого зразок доводиться до розриву за 105 годин при заданій температурі до початкової площі поперечного перерізу зразка.
Релаксацією називають процес самовільного зменшення механічних напружин у деформованих тілах, що не супроводжується зміною деформації. При релаксації деформація деталі не зростає, а напружини в ній знижуються. Це пояснюється переростанням пружної деформації в пластичну при незмінній загальній деформації. Явище релаксації необхідно враховувати при розрахунках величини зусилля затягування болтів для забезпечення тривалої герметичності фланцевого з’єднання при високих температурах.
Важливим фактором для оцінки властивостей сталей при виборі їх для роботи в області високих температур є стабільність структури. Порушення стабільності структури полягає в схильності деяких сталей до графітизації, міжкристалічної корозії та теплової крихкості.
Явища графітизації і міжкристалічної корозії та методи боротьби з ними були розглянуті вище. Тепловою крихкістю сталі називають зниження ударної в’язкості при тривалій роботі в області температур 450-600 °С. При цьому інші показники механічних властивостей практично не змінюються. Теплова крихкість характерна для низьколегованих хромонікелевих сталей. Для запобігання теплової крихкості хромонікелеві сталі стабілізують добавками молібдену, вольфраму ванадію тощо.
Зниження ударної в’язкості спостерігається і при роботі сталей в області мінусових температур, яке одержало назву холодноламкості. При цьому границя міцності, границя текучості та модуль пружності сталей зростають. Проте збільшення значення границі міцності та границі текучості при зниженні температури не враховується при визначенні допустимих напружин. За розрахункову температуру при температурах нижче 20 °С приймають температуру 20 °С. При виборі матеріалу для роботи в області мінусових температур необхідно враховувати критичну температуру холодноламкості, при якій величина ударної в’язкості складає 60 % від початкового значення при нормальній температурі.
Вимоги до основних матеріалів, межі і умови їх застосування та призначення наведені в додатку А.
При виборі матеріалів для виготовлення посудин та апаратів, що працюють під тиском, і призначених для установки на відкритому майданчику або у неопалювальних приміщеннях, повинна враховуватися абсолютна мінімальна температура зовнішнього повітря для даного району (СНиП 2.01.01-82) у випадку, якщо температура стінки посудини може стати мінусовою від дії навколишнього повітря, коли посудина знаходиться під тиском.
В інших випадках необхідно враховувати середню температуру найхолоднішої п’ятиденки із забезпеченістю 0,9 (СНиП 2.01.01-82) і перевірити, щоб якість обраного за обов’язковими додатками галузевого стандарту [28] матеріалу відповідала таблиці 2.2.