Материал: основы проектирования хим произв дворецкий
РАСЧЕТ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ |
61 |
|
|
(фаолита, полиэтилена, винипласта и др.) или из углеродистой стали, покрытой кислотостойкими эмалями, резиной или пластмассами.
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)достаточно умеренные химическая и коррозионная стойкости материала
вагрессивной 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)достаточная механическая прочность при заданных значениях давления и температуры технологического процесса, с учетом специфических требований
входе испытаний оборудования на прочность, герметичность и дополнительных нагрузок (ветровой, собственного веса и др.);
3)способность материала хорошо свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их к агрессивным средам, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться изгибу и др.;
4)низкая стоимость материала, недефицитность и освоенность его промышленностью;
5)возможность простой утилизации при выработке сроков эксплуатации оборудования, узлов и деталей.
Металлы и сплавы
Стали и сплавы на основе железа являются наиболее распространенными конструкционными материалами при изготовлении химического оборудования. Сталь обладает хорошей прочностью, низкой стоимостью по отношению к другим конструкционным материалам, весьма технологична при обработке и изготовлении полуфабрикатов и оборудования.
В зависимости от количества примесей и легирующих добавок конструкционные стали подразделяются на следующие основные группы:
–углеродистая сталь обыкновенного качества;
–качественная углеродистая сталь;
–низколегированная сталь;
–легированная сталь;
–высоколегированные жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы;
–двухслойные конструкционные стали.
Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах приведены в табл. 3.4.
62 Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
3.4. Обозначение легирующих элементов в металлах и сплавах
|
|
Обозначение |
|
|
Обозначение |
|||
Легирующий |
Обо- |
в марках |
Легирующий |
Обо- |
в марках |
|||
металлов и |
металлов и |
|||||||
элемент |
значе- |
сплавов |
элемент |
значе- |
сплавов |
|||
ние |
ние |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
черных |
цветных |
|
|
черных |
цветных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюминий |
Al |
Ю |
А |
Ниобий |
Nb |
Б |
– |
|
Азот |
N |
А |
– |
Олово |
Sn |
– |
О |
|
Барий |
Ba |
– |
– |
Свинец |
Pb |
– |
С |
|
Бериллий |
Be |
– |
Б |
Селен |
Se |
Е |
– |
|
Бор |
B |
Р |
– |
Сера |
S |
– |
– |
|
Ванадий |
V |
Ф |
– |
Серебро |
Ar |
– |
Ср |
|
Вольфрам |
W |
В |
– |
Сурьма |
Sc |
– |
С |
|
Железо |
Fe |
– |
Ж |
Теллур |
Te |
– |
– |
|
Кадмий |
Cd |
– |
– |
Титан |
Ti |
Т |
Т |
|
Кремний |
Si |
С |
К |
Углерод |
C |
У |
– |
|
Магний |
Mg |
– |
Мг |
Фосфор |
P |
П |
Ф |
|
Марганец |
Mn |
Г |
Мц |
Хром |
Cr |
Х |
– |
|
Медь |
Cu |
Д |
М |
Церий |
Ce |
– |
– |
|
Молибден |
Mo |
М |
– |
Цинк |
Zn |
– |
Ц |
|
Мышьяк |
As |
– |
Мш |
Цирконий |
Zr |
Ц |
– |
|
Никель |
Ni |
Н |
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Углеродистая сталь обыкновенного качества (Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс,
Ст6кп, Ст6пс и др., ГОСТ 380–2005), поставляемая в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, поковок и т.д., используется для изготовления несущих конструкций, обечаек, днищ, фланцев, люков, штуцеров и других деталей машин и аппаратов, не контактирующих с агрессивными средами. Цифры в наименовании марки стали обозначают условный номер марки в зависимости от химического состава. По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), полуспокойную (пс) и спокойную (сп). Нераскисленные кипящие стали применяются для малонагруженных узлов и деталей химического оборудования, работающего при давлениях не выше 1,6 МПа и температурах до 350 °С. Спокойные стали могут быть использованы для изготовления оборудования, работающем при давлении до 5 МПа и в интервале температур –20…+425 °С.
РАСЧЕТ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ |
63 |
|
|
Качественная углеродистая конструкционная сталь (сталь 10, сталь 40,
сталь 20К и др.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520–79) и в виде сортового проката и труб (ГОСТ 1050–94), применяется для изготовления корпусов и деталей оборудования, трубных пучков теплообменников, работающих в интервале температур –20…+475 °С с неагрессивными и малоагрессивными средами.
Низколегированная сталь с содержанием легирующих элементов до 2,5% (09Г2, 09ГС1, 09ГС2, 16 ГС и т.д.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520–79), сортового и фасонного проката, труб и поковок (ГОСТ 19281–89), применяется для изготовления нагруженных элементов химического оборудования (крепежных изделий, пружин, элементов арматуры, фланцев, трубных решеток и т.п.), работающего в интервале температур –70…+475 °С с малоагрессивными и неагрессивными средами.
Легированная конструкционная сталь с содержанием легирующих элемен-
тов до 10% (12ХМ, 12МХ, 15Х5М, 30ХМА, 30ХГСА и др.), поставляемая в виде сортового проката, труб и поковок (ГОСТ 20072–74), применяется для изготовления элементов химического оборудования работающих в интервале температур –70…+560 °С в неагрессивных и малоагрессивных средах, а также для изготовления высоконагруженных деталей машин (шестерни, валы, оси, роторы, валки, штоки и т.п.).
Высоколегированные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы содер-
жат более 10% легирующих добавок. В зависимости от структурного класса они могут работать в интервале температур –253…+700 °С. Поставляются данные стали в виде листового проката, труб и поковок.
Стали аустенитного класса (08Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т, 10Х14Г14М4Т, 03Х21Н21М4ГБ и др.) применяются в зависимости от марки для изготовления химической аппаратуры, работающей с сильными минеральными кислотами и щелочами.
Стали ферритного класса (08Х13, 08Х18Т1, 15Х25Т и др.) применяются для изготовления химического оборудования, работающего в средах окислительного характера. Например, они стойки к воздействию фосфорной и уксусной кислот при температуре +70 °С, азотной кислоты концентрацией до 65% при температуре до +40 °С. Однако данные стали обладают низкой ударной вязкостью в зоне сварных швов.
Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т и др.) по коррозионной стойкости аналогичны сталям аустенитного класса, но более экономно легированы никелем, менее склонны к межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию, имеют повышенные механические показатели в состоянии поставки.
Для экономии дорогостоящих высоколегированных сталей при конструировании химического оборудования широко применяются двухслойные стали с ос-
64 |
Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ |
|
|
новным слоем из углеродистых, низколегированных и легированных сталей и плакирующим слоем из высоколегированных сталей (Ст3сп с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т; 20К с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т, 06ХН28МДТ; 16ГС и 09Г2С с плакирующим слоем 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т, 06ХН28МДТ и другие стали).
Двухслойные стали могут работать в зависимости от марки в интервале тем-
ператур –40…+475 °С.
Двухслойные стали поставляются в виде листового проката.
Чугуны
Чугуны, как материалы, обладающие хорошими литейными свойствами, жаростойкостью, коррозионнной стойкостью и антифрикционными качествами, до сих пор находят широкое применение при изготовлении химических и нефтехимических аппаратов, узлов и деталей.
Однако их отличает ряд недостатков: высокая хрупкость, сложность обработки резанием, высокие коэффициенты линейного расширения, сильная зависимость прочностных характеристик от температуры, трудность, а в ряде случаев и невозможность сварки.
Правила Ростехнадзора Российской Федерации регламентируют использование чугунных отливок по температуре и давлению.
В химическом машино- и аппаратостроении наибольшее применение получили следующие виды чугунов.
Серый чугун (ГОСТ1412–85) марок СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ30 и
СЧ35. Цифры обозначают предел временного сопротивления на растяжение
(МПа·10–1).
Из чугуна СЧ10 изготовляют корпусные и ненагруженные детали простой конфигурации, а из чугуна остальных марок – ответственные корпусы и детали сложной конфигурации, работающие в слабоагрессивных средах. При расчете деталей на растяжение коэффициент запаса прочности для серого чугуна прини-
мают 6...8.
Щелочестойкие чугуны СЧЩ1 и СЧЩ2 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов машин и аппаратов, работающих в водных растворах щелочей NaOH и KOH при давлении до 1 МПа и температуре –15...+300 °С.
Ферросилиды С15, С17 и антихлор МФ15 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов простой конфигурации для работы с сильноагрессивными средами (растворами солей, азотной и серной кислотами) при давлении до 0,25 МПа и температуре 0...+700 °С. При разработке конструкции следует учитывать, что кремнистые чугуны очень хрупкие, чувствительны к колебаниям температуры и трудно обрабатываются резанием. Поэтому изделия из них получают отливкой, предусматривая плавные переходы. Ферросилиды широко применяют при изготовлении арматуры.
РАСЧЕТ НЕСТАНДАРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ |
65 |
|
|
Следует иметь в виду, что ферросилиды легко корродируют под воздействием соляной кислоты, крепких щелочей и фтористых соединений.
Жаростойкие чугуны, содержащие до 32% Cr и 1...2% Si, применяют в ко- тельно-топочном оборудовании. Чугуны марки ЖЧХ0,8; ЖЧХ1,5; ЖЧ6 5,5 (ГОСТ 7769–89) используют при изготовлении узлов и деталей, работающих при температуре соответственно 550, 600 и 800 °С, а чугуны марок ЖЧХ16 и ЖЧХ340 обладают хорошей жаростойкостью до температур 1000...1200 °С при действии дымовых газов, содержащих зернистые соединения.
Жаростойкий и коррозионно-стойкий чугун ЧН15Д7Х2 применяют при из-
готовлении узлов и деталей, работающих при температуре +100...+600 °С и агрессивных средах.
Антифрикционный чугун АЧС-1, АЧС-2 (ГОСТ 1585–85) используют для изготовления узлов и деталей, испытывающих трение (подшипников, шарниров, направляющих и др.).
Ковкие чугуны (ГОСТ 1215–79) КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7,
КЧ50-5, КЧ55-7, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5 применяют в основном для небольших отливок. Основным преимуществом отливок из ковкого чугуна является однородность их свойств по сечению, практически отсутствие внутренних напряжений. С целью исключения напряжений в конструкциях отливки получают со стенками толщиной до 50 мм.
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293–85) ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60,
ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 применяют для изготовления узлов и деталей с повышенными механическими свойствами. Они имеют высокую жидкотекучесть, незначительную склонность к образованию горячих трещин. Вместе с тем их склонность к образованию усадочных раковин и литейных напряжений выше, чем у серого чугуна. Кроме того, они имеют удовлетворительную коррозионную стойкость (не ниже, чем чугун марок СЧ), жаростойкость, хладостойкость, антифрикционные свойства, обрабатываемость резанием и могут подвергаться сварке и автогенной резке.
Цветные металлы и их сплавы
Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий и сплавы на его основе нашли широкое применение в химической технике для изготовления тепло- и массообменной и емкостной аппаратуры, труб, трубопроводной арматуры благодаря своим физико-механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам. Алюминий и его сплавы по плотности почти в 3 раза легче стали или чугуна, обладают высокой пластичностью, тепло- и электропрововодностью, хорошо свариваются в инертной атмосфере аргона, удовлетворительно обрабатываются резанием. Кроме того, они обладают высокой коррозионной стойкостью в целом ряде агрессивных сред, благодаря образованию на поверхности тонкой оксидной пленки.