МАШИНОСТРОЕНИЕ

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ

Специфические условия работы химиче­ского оборудования, характеризуемые диапа­зоном давлений от глубокого разрежения (ва­куума) до избыточного (250 МПа и выше), большим интервалом рабочих температур (- 254...+ 1000 °С и выше) при агрессивном воздействии среды, предъявляют высокие тре­бования к выбору конструкционных материа­лов проектируемой аппаратуры.

Наряду с обычными требованиями высо­кой коррозионной стойкости в определенных агрессивных средах к конструкционным мате­риалам, применяемым в химическом машино­строении, одновременно предъявляются также требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, сохранения удовлетворительных пластических свойств при высоких и низких температурах, устойчивости при знакопеременных или повторных одно­значных нагрузках (циклической прочности), малой склонности к старению и др.

Для изготовления технологической аппа­ратуры химических и нефтехимических произ­водств используют конструкционные материа­лы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах. Материалы пониженной стойкости применяют в исключительных случаях.

При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и вы­соких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов суще­ственно изменяются в зависимости от темпера­туры.

При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки проч­ности материала являются предел текучести

GT (или условный предел текучести <Jq 2 ИЛИ

Gj о ) и временное сопротивление GB. Упру­гие свойства металлов характеризуются значе­ниями модуля упругости Е и коэффициентом Пуассона \х.

Эти характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппарату­ры, работающей под давлением при низких (-40...-254 °С), средних (+ 200...-40 °С) и высоких (выше -1- 200 °С) температурах.

Для работы при низких температурах по нормам Госгортехнадзора РФ следует выби­рать металлы, у которых порог хладоломкости меньше заданной рабочей температуры. Следу­ет отметить, что в химической промышленно­сти на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих температурах до - 40 °С большое количество аппаратов, трубо­проводов, арматуры, насосов и другого обору­дования, изготовленных из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковко­го чугуна, т. е. из материалов, имеющих удар­ную вязкость KCU < 20 Дж/см2 при указанной температуре. Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует исхо­дить не только из его ударной вязкости, но и учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статический, динамический, пульси­рующий), наличие и характер концентраторов напряжений и чувствительность металла к над­резам, начальные напряжения в конструкции, способ охлаждения металла (хладоносителем или окружающей средой).

При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается изготовление аппара­тов из металлов, приобретающих хрупкость при пониженных рабочих температурах, но не имеющих дефектов, нарушающих однород­ность структуры и способствующих концен­трации напряжений. Технология изготовления аппаратов из таких материалов должна исклю­чать возможность возникновения высоких на­чальных напряжений в конструкции. К таким аппаратам можно отнести свободно опираю­щиеся емкости для жидких и газообразных продуктов, содержащихся в них под неболь­шим избыточным давлением, металлоконст­рукции неответственного назначения и др.

При динамических нагрузках кроме ука­занных выше характеристик необходимо учи­тывать также ударную вязкость ан . Для мно­гих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже - 10 °С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в та­ких рабочих условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (ме­ди, алюминия, никеля и их сплавов), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температурах, как правило, умень­шается незначительно и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что позволяет применять их при рабочих температурах до - 254 °С.

Для оборудования, подверженного удар­ным или пульсирующим нагрузкам и предна­значенного для работы при низких температу­рах, следует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью KCU > 30 Дж/см2. Для де­талей. имеющих концентраторы напряжений (болтов, шпилек), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость KCU > 40 Дж/см2.

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства ме­таллов и сплавов. Временное сопротивление GB и предел текучести ат зависят от времени

Пребывания под нагрузкой и скорости наг - ружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в уп- ругопластическое и под действием нагрузки непрерывно деформируется (ползучесть). Тем­пература, при которой начинается ползучесть, у разных металлов различная: для углероди­стых сталей обыкновенного качества ползу­честь наступает при температуре выше 375 °С, для низколегированных - при температуре выше 525 °С, для жаропрочных - при более высокой температуре.

С увеличением времени пребывания ме­талла под нагрузкой характеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температура эксплуатации оборудования. По­лому при расчеіе на прочность аппаратов, работающих длительное время при высоких температурах, допускаемые напряжения опре­деляют по отношению к условному пределу ползучести апл или по пределу длительной прочности адл. Для химической аппаратуры

Допускаемая скорость ползучести принимается < Ю-7 мм/(мч) (10'5 % в год), для крепежных деталей - < Ю-9 мм/(мч) (Ю-7 % в год).

Понижение механических свойств при высоких температурах обусловлено происхо­дящими в металле структурными и фазовыми превращениями. К структурным изменениям такого рода можно отнести графитизацию уг­леродистой и молибденовой сталей, образова­ние ферритной фазы в хромоникелевых сталях при длительной работе металла в условиях высоких температур. В ряде случаев стабиль­ность структуры стали в течение длительного срока службы оборудования удается обеспе­чить путем термической обработки. В боль­шинстве случаев для аппаратуры, предназна­ченной для работы при высоких температурах, применяют жаропрочные стали специальных марок, характеризуемые достаточной механи­ческой прочностью и стабильностью структу­ры. Наряду с жаропрочностью металлы долж­ны обладать жаростойкостью. При непрерыв­ном процессе окалинообразования рабочее сечение металла уменьшается, что приводит к повышению рабочего напряжения и ухудше­нию условий безопасной эксплуатации обору­дования.

Некоторые детали аппаратуры (болты, шпильки, пружины и др.) вследствие повыше­ния пластичности металла при высоких темпе­ратурах работают в условиях постепенного снижения напряжений, вызванных первона­чально приложенной нагрузкой (затягом), при сохранении геометрических размеров (релак­сация напряжений). Расчет таких деталей сле­дует производить на предварительную нагруз­ку (затяг), обеспечивающую на заданный пери­од времени остаточную нагрузку, необходи­мую для нормальной работы конструкции.

При выборе конструкционных материа­лов для химического оборудования необходи­мо также учитывать физические свойства ма­териалов (теплопроводность, линейное темпе­ратурное расширение), технологию изготовле­ния аппаратуры, дефицитность и стоимость материалов, наличие стандартов или техниче­ских условий на его поставку, освоенность материала промышленностью и др. Так как стоимость изделия в значительной мере опре­деляется стоимостью примененных для его изготовления материалов, при всех прочих равных условиях предпочтение следует отдать более дешевым и менее дефицитным материа­лам.

В химическом аппаратостроении основ­ным способом выполнения металлических неразъемных соединений является сварка, а в ряде случаев - пайка. Хорошая свариваемость металлов является одним из основных необхо­димых условий, определяющих пригодность материала для создаваемой конструкции. Сле­дует стремиться к максимально возможному, без ущерба для конструкции, сокращению но­менклатуры применяемых марок материалов и типоразмеров.

Аппаратуру не рекомендуется изготов­лять целиком из дорогостоящих и дефицитных материалов. Коррозии обычно подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспечения амортизационного срока службы аппарата достаточен слой коррозионно-стойко­го металла толщиной в несколько миллимет­ров. Таким образом, представляется целесооб­разным изготовлять аппаратуру для активных коррозионных сред из двухслойного проката, облицовочный слой которою может быть вы­полнен из требуемого коррозионно-стойкого металла или сплава. Например, вместо моно­литной толстолистовой стали 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т целесообразно применять двух­слойную листовую сталь 16ГС + 12Х18Н10Т или СтЗсп+ 10Х17Н13М2Т.

В настоящее время металлургической промышленностью освоен ряд новых марок высоколегированных сталей с малым содержа­нием никеля, которые рекомендуется приме­нять в химическом машиностроении в качестве заменителей дефицитных хромоникелевых сталей или сталей с большим содержанием никеля. К таким сталям относятся 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т и др.

Для активных коррозионных сред наибо­лее целесообразно изготовление химической аппаратуры из неметаллических материалов: природных кислотоупоров. керамики, фарфора, стекла, углеграфитовых материалов, пластиче­ских масс (фаолита, полиэтилена, винипласта и др.) или из углеродистой стали, покрытой ки­слотостойкими эмалями, резиной или пласт­массами (для соответствующих сред, давления и температуры).

В последнее время в конструировании химической аппаратуры все большее примене­ние находят композиционные материалы, ко­торые по механической прочности превосходят даже качественные стали, а по коррозионной стойкости не уступают керамике, стеклу и эма­лям.

Таким образом, при конструировании химической аппаратуры к конструкционным материалам должны предъявлять следующие требования:

1) достаточной общей химической и кор­розионной стойкости материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температу­рой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионно­го разрушения (межкристаллитной, электрохи­мической сопряженных металлов в электроли­тах, под напряжением и др.);

2) достаточной механической прочности при заданных значениях давления и темпера­туры технологического процесса, с учетом специфических требований, предъявляемых при испытании аппаратов на прочность, герме­тичность и других видах в эксплуатационных условиях при действии на аппараты различного рода дополнительных нагрузок (ветровой, соб­ственного веса и др.);

3) наилучшей способности материала свариваться с обеспечением высоких механи­ческих свойств сварных соединений и корро­зионной стойкости их в агрессивной среде, обрабатываться резанием, давлением, подвер­гаться изгибу и др.;

4) низкой стоимости материала, недефи­цитностью и освоенностью его промышленно­стью. Необходимо стремиться применять двух­слойные стали, неметаллические материалы, стали с покрытиями из неметаллических мате­риалов. Номенклатура применяемых материа­лов как по наименованию, маркам, так и по сортаменту должна быть минимальной с уче­том ограничений, предусматриваемых ведом­ственными нормами и действующими на заво - дах-изготовителях инструкциями;

5) качества, при этом химический состав и механические свойства материалов и полу­фабрикатов должны удовлетворять требовани­ям соответствующих стандартов;

6) возможности простой утилизации при выработке сроков эксплуатации оборудования, узлов и деталей.