WEB-ресурс научно-практических конференций

Д.т.н. Чеботарев Е.А., к.п.н. Шнейдер Е.М.

Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт, Российская Федерация

АНАЛИЗ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СТАЛЕЙ

В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Основу сложившихся на практике требований к конструкционным материалам в химическом машиностроении [1] является обеспечение работы химического оборудования в специфических условиях, характеризуемых диапазоном давлений от глубокого разрежения (вакуума) до избыточного (250 МПа и выше), большим интервалом рабочих температур (от минус 254 до 1000 °С и выше) при агрессивном воздействии обрабатываемой среды.

При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо также учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры в которой детали машин и аппаратов находятся достаточно длительное время.

Проведенный анализ рекомендаций по использованию тех или иных металлов и сплавов в условиях пониженных температур показал, что для работы при низких температурах следует выбирать металлы, у которых порог хладноломкости меньше заданной рабочей температуры. Причем рекомендации охватывают очень широкий диапазон низких температур от минус 40 до минус 253 ^о С. Это усложняет из использование на практике. Предлагается весь диапазон температур от нуля до минус 250 ^о С разбить на три группы: от нуля до минус 50 ^о С – умеренно низкие; ниже минус 50 до минус 100 ^о С – низкие и ниже минус 100 ^о С – особо низкие.

При рабочих температурах до минус 50 °С (по некоторым источникам до минус 40 ^о С), т.е. в диапазоне умеренно низких температур может использоваться оборудование, изготовленных из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна, т.е. из материалов, имеющих ударную вязкость КСU< 20 Дж/см ² при указанной температуре. Но при этом следует учитывать, что 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). Так 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/см ² . Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болтов, шпилек), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость KCU > 40 Дж/см ² [2].

Как известно, при высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и сплавов в сторону их снижения.

С увеличением времени пребывания металла под нагрузкой характеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температура эксплуатации оборудования. Зависимость эта, как правило, носит линейный характер, а потому целесообразно использовать температурный поправочный коэффициент и оговаривать минимальное время пребывания нагруженной детали при высокой температуре.

В этой связи 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.

В процессе окалинообразования рабочее сечение металла детали уменьшается, что приводит к повышению рабочего напряжения и ухудшению условий безопасной эксплуатации оборудования.

Анализ рекомендаций по применению металлов и сплавов в зависимости от диапазона высоких температур показывает некоторую их неконкретность. Поэтому диапазон высоких температур предлагается разбить на группы: от нуля до 100 ^о С – умеренно высокие; выше 100 ^о С до 500 ^о С – высокие и свыше 500  ^о С – особо высокие, а рекомендации формировать соответственно этим диапазонам.

Коррозионная стойкость стали оценивается десятибалльной шкалой, в которой 1 балл соответствует совершенно стойким сталям, а 10 – нестойким [2]. Но шкала эта носит относительный характер в зависимости от вида воздействующей среды и температуры.

Так используемая в химическом машиностроении сталь 08Х18Н10Т имеет 1 балл в 5%-ной уксусной кислоте при температуре 20 ^о С (совершенно стойкая), а в этой же концентрированной при температуре кипения соответствует уже 7 баллам, т.е. имеет сравнительно низкую коррозионную стойкость.

Учитывая, что коррозии обычно подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов, для обеспечения целесообразного 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 которого может быть выполнен из требуемого коррозионно-стойкого металла или сплава.

Например, вместо монолитной толстолистовой стали марок 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т целесообразно применять двухслойную листовую сталь 16ГС+12Х18Н10Т или СтЗсп+10Х17Н13М2Т [2].

Список использованных источников:

1. Поникаров И.И. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки / И.И.Поникаров, М.Г.Гайнуллин. – М.: Альфа-М., 2006. – 608 с.

2. Генералов М.Б. Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Том IV -12 / М.Б.Генералов, В.П.Александров, В.В.Алексеев и др.; под общ. ред. М.Б. Генералова. – М.: Машиностроение, 2004. – 832 с.