Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

пониженныхрабочихтемпературах,нонеимеющихдефектов,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 динамическом приложении нагрузки кроме указанных выше характеристик необходимо учитывать также и величину ударной вязкости 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 условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (медь

иее сплавы, алюминий и его сплавы, никель и его сплавы), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температураx, как правило, уменьшается незначительно и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что и позволяет применять их при рабочих температурах порядка 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 не ниже 3 Дж/см2 при рабочих температурах. Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болты, шпильки), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре величина ударной вязкости KCU не менее 4Дж/см2.

При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и сплавов. Кроме того, поведение металлов под нагрузкой при высоких температурах резко отличается от их поведения при нормальной температуре внутри производственных помещений. Предел прочности

ипредел текучести зависят от времени пребывания под нагрузкой

искорости нагружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в упругопластическое и под нагрузкой непрерывно деформируется (явление ползучести). Температуры, при которыхначинаетсяползучесть,уразныхметалловразличны.Дляуглеродистых сталей обыкновенного качества ползучесть наступает уже при температурах выше 375°С, для низколегированных сталей — при температурах выше 525°С, для жаропрочных— при еще более высоких температурах.

321

Сувеличениемвременипребыванияметаллаподнагрузкойхарактеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температураэксплуатацииоборудования.Поэтомуприрасчетенапрочностьаппаратов, работающих длительное время при высоких температурах, допускаемыенапряженияопределяютпоотношениюкусловномупределу ползучести от или по пределу длительной прочности. Для химической аппаратуры допускаемая скорость ползучести принимается в пределах 7...10мм/мм ч (5...10% в год), для крепежных деталей — 9...10мм/мм ч

(7...10% в год).

Понижение механических свойств при высоких температурах обусловлено происходящими в металле структурными и фазовыми превращениями. К структурным изменениям такого рода можно отнести явление графитизации углеродистой и молибденовой сталей, образование ферритной фазы в хромоникелевых сталях и др., присущие последним при длительной работе металла в условиях высокой температуры. В ряде случаев стабильность структуры стали в течение длительного срока службы оборудования удается обеспечить путем термической обработки стали. В большинстве случаев для аппаратуры, предназначенной для работы при высоких температурах, применяются специальные марки жаропрочных сталей, характеризуемых достаточной механической прочностью и стабильностью структуры при высоких температурах.Нарядусжаропрочностьюэтиметаллыдолжныобладать жаростойкостью, т.е. способностью противостоять коррозионному воздействию среды в условиях длительной работы материала при высоких температурах.Принепрерывномпроцессеокалинообразованиярабочее 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 (явление релаксации 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 технологической аппаратуры необходимо также учитывать физические свойства материалов (теплопроводность, линейное температурное расширение), а также некоторыедругиесоображениятехнико-экономическогопорядка,такие

322

как технология изготовления аппаратуры, дефицитность и стоимость материала, наличие стандарта или утвержденных технических условий на его поставку, освоенность материала промышленностью и др.

Создаваемая конструкция технологической аппаратуры должна быть не только технически совершенной, отвечающей всем требованиям современного уровня машиностроения, но и технологичной в изготовлении, экономичной. Так как стоимость изделия в значительной мере определяется стоимостью примененных для его изготовления материалов, то при всех прочих равных условиях предпочтение должно быть отдано более дешевым и менее дефицитным материалам.

Втехнологическом аппаратостроении основным способом выполнения металлических неразъемных соединений является сварка и в ряде случаев пайка. Хорошая свариваемость металлов является одним из основных и необходимых условий, определяющих пригодность материала для создаваемой конструкции. Необходимо также стремиться

кмаксимально возможному, без ущерба для конструкции, сокращению номенклатуры применяемых марок материалов и типоразмеров.

Аппаратуру не рекомендуется изготовлять целиком из дорогостоя- щихидефицитныхматериалов.Технико-экономическаянецелесообраз- ность применения монолитных толстолистовых высоколегированных сталей и цветных металлов не вызывает сомнения. Коррозии обычно подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспечения амортизационного срока службы аппарата достаточен слой коррозионностойкого 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 коррозионностойкого металла или сплава. Например, вместо монолитной толстолистовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т или 10X17Н13М2Т целесообразно применять двухслойную листовую сталь 16ГС+12Х18Н10Т или Ст3сп5+10Х17Н13М2Т.

Внастоящеевремяметаллургическойпромышленностьюосвоенряд новых марок высоколегированных сталей с малым содержанием никеля, которые и рекомендуется применять в технологическом аппаратостроении 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 технологической аппаратуры из неметаллических материалов: природных кислотоупоров, керамики, фарфора, стекла, углеграфито-

323

выхматериалов,пластическихмасс(фаолита,полиэтилена,винипласта

идр.) или из углеродистой стали, покрытой кислотостойкими эмалями, резиной или пластмассами (для соответствующих сред, давления

итемпературы).

Впоследнее время в конструировании технологической аппаратуры все большее применениенаходяткомпозиционныематериалы, которые по механической прочности превосходят даже качественные стали, а по коррозиционной стойкости не уступают керамике, стеклу и эмалям.

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

1) достаточная общая химическая и коррозионная стойкость материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитная коррозия, электрохимическая коррозия сопряженных металлов в электролитах, коррозия под напряжением и др.);

2) достаточная механическая прочность при заданных давлении и температуре технологического процесса, с учетом специфических требований, предъявляемых при испытании аппаратов на прочность, герметичность и т.п. и в эксплуатационных условиях при действии на аппараты дополнительных нагрузок различного рода (ветровая нагрузка, прогиб от собственного веса и т.д.);

3) наилучшая способность материала свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивной среде, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться сгибу и т.п.;

4) низкаястоимостьматериала,недефицитностьиосвоенностьегопромышленностью. 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 заводах-изготовителях инструкциями;

5) качество, химический состав и механические свойства материалов и полуфабрикатов должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и ТУ и быть подтверждены сертификатами заводов-поставщиков. При отсутствии сертификатов все необхо-

324

димые испытания должны быть проведены на заводе-изготовителе аппарата;

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

2.8.2. Основные конструкционные материалы

Основным конструкционным материалом для аппаратуры нефтехимии является сталь, поставляемая в виде листового и сортового проката, труб или отливок.

Применяют также чугун и цветные металлы. Неметаллические материалы; в том числе полимерные, в качестве конструкционных применяют редко; они служат в основном для облицовки или футеровки оборудования и отдельных узлов и деталей.

2.8.2.1.Сталь

Сталь обладает хорошей прочностью, весьма технологична при обработке и изготовлении полуфабрикатов, обладает низкой стоимостью по отношению к другим конструкционным материалам, выдерживает высокие температуры и агрессивное воздействие коррозионно-актив- ных сред.

Промышленность выпускает разнообразные по назначению стали, отличающиеся по химическому составу и свойствам. Многообразие сталей необходимо в связи с тем, что машины и аппараты, отдельные их узлы и детали работают в различных условиях: при высоких и низких температурах ( от –250 до +1100 °С) в вакууме и при повышенных давлениях, в коррозионной и абразивной среде, в условиях трения скольжения и качения, в условиях ударных, температурных и знакопеременных нагрузок и т.д.

Сталь— сплав железа с углеродом (до 2,1% ) и другими химическими элементами (примесями и легирующими добавками).

Легирующие элементы — химические элементы, специально введенныевстальдляполучениятребуемыхстроения,структуры, физикохимических и механических свойств.

Основнымилегирующими элементами всталяхявляются Мn, Si,Сr, Ni, Мо, W, Со, Сu, Тi, V, Zr, Nb, Аl, B. В некоторых сталях легирующими элементамимогутбытьтакже Р,N,S,Рbидр.Перечисленныеэлементы, а также Н, O, Sn, Sb, Вi могут быть и примесями в стали. Содержание легирующих элементов может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

325

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Их содержание обычно ограничивается следующими пределами: Мn 0,8%, Si 0,4%, Сr 0,3%, Ni 0,3%, Сu 0,3%, Мo 0,1%, W 0,2%, Р 0,025…0,04%, S 0,015…0,05%. В литейных марках в качестве примесей может со-

держаться до 0,9% Мn, до 0,5% Si, до 0,06% S и до 0,08% Р.

Отнесение химических элементов к примесям или легирующим элементам зависит от их количества и роли в стали.

КЛАССИФИКАЦИЯСТАЛЕЙ

Единой классификации сталей практически не существует, так как многие из них можно применять в самых различных областях техники, поэтому стали обычно классифицируют по наиболее общим признакам.

Похимическомусоставустали и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (без легирующих элементов), низколегированные, среднелегированные, высоколегированные, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5% (кроме углерода), в среднелегированных — от 2,5 до 10%, в высоколегированных — более 10% при содержании в них железа не менее 45%. Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количество больше, чем любого другого элемента.

Взависимости от количества легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми либо хромоникелевыми, хромомарганцовистыми и т.д.

По назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. Внутри классификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

По структуре классификация в значительной степени условна.

Вравновесном состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

После охлаждения на воздухе образцов небольшого сечения с температуры приблизительно 900°С стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

326

Покачествустали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками по качеству стали являются более жесткие требования по химическому составу, и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфор и сера. Содержание фосфора и серы в сталях разной категории качества представлены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 — Категории качества сталей

Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям, все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

2.8.2.1.1. Углеродистые стали

Углеродистые стали подразделяются на две подгруппы – стали углеродистые конструкционные обыкновенного качества и стали углеродистые качественные.

СТАЛИКОНСТРУКЦИОННЫЕУГЛЕРОДИСТЫЕ ОБЫКНОВЕННОГОКАЧЕСТВА

Широко применяются в строительстве и машиностроении, как наиболее дешевые, технологичные и обладающие необходимым комплексом свойств при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой. Ранее в зависимости от назначения эти стали подразделяли на 3 группы: А, Б и В (табл. 2.11).

Стали группы А поставляют с регламентированными механическими свойствами. Химический состав их не регламентируется. Стали применяют в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке – ковке, штамповке, термической обработке, в связи с чем механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

327

Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава сталей, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

СталигруппыВпоставляют с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Они применяются для изготовления сварных конструкций, так как их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы В применяют для более ответственных деталей.

В настоящее время углеродистые стали не подразделяются на группы и при маркировке не ставятся буквы Б и В.

Углеродистые стали обыкновенного качества, бывают спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп). В их составе разное содержание кремния: спокойные содержат 0,12…0,3%Si, полу-

спокойные 0,05…0,17% Si, кипящие <0,07%Si.

Таблица 2.11 — Углеродистая сталь обыкновенного качества.

* в обозначении марки стали стоит буква «Г».

328

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст», за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера от Ст1 до Ст6 содержание углерода в стали увеличивается. Буквы «Б» и «В» указывают перед маркой. Для стали группы А — «А» перед маркой не ставилась. Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют один из индексов – сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойные стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2%). В этом случае после номера стали ставится буква «Г». Так, ВСт3сп5 означает, что сталь Ст3, спокойная, группы В, категории 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивление при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб, ударная вязкость при 20°С); Ст2кп означает, что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемыепоказатели:временноесопротивлениеприрастяжениии относительное удлинение); БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержание С, Мn, Si, Р, S, As, N, Сr, Ni, Сu).

СТАЛИУГЛЕРОДИСТЫЕКАЧЕСТВЕННЫЕ

Углеродистыеконструкционныекачественныестали обознача-

ют двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода

всотых долях процента (например, 05, 10, 15, 80, 85) для обозначения котельных марок в конце ставится буква К (например 20К ).

Качественные углеродистые стали — стали марок 08, 10, 15, 20, …, 75, 80, 85. К этому классу относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г, ..., 65Г, имеющих повышенную прокаливаемость. Низкоуглеродистые стали марок 08, 08кп, 08пс относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего

вотожженном состоянии для изготовления деталей методом холодной штамповки — глубокой вытяжки. Стали марок 10, 15, 20, 25 обычно используют как цементуемые, а высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 в основном применяют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью. Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца 30Г, 40Г, 50Г применяют для изготовления самых разнообразных деталей машин. При этом в зависимости от условий работы деталей применяют различ-

329

ные виды термической обработки: нормализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др. Механические свойства каждой стали можно изменять в широком диапазоне в зависимости от режима термической обработки и для каждой конкретной детали, условий ее эксплуатации должны быть выбраны оптимальный комплекс механических свойств и соответствующая обработка.

2.8.2.1.2. Легированные стали

Легированныестали— это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства. В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем этих же элементов в виде примесей.

Такие легирующие элементы, как V, Nb, Тi, Zr, В, могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при их содержании в стали в сотых долях процента. Иногда такие стали называют микролегированными.

Легированные сталимаркируютсякомплексомцифрибукв,при-

чемпервыедвецифрыуказываютнасодержаниеуглеродавсотыхдолях процента (отсутствие цифр означает, что среднее содержание углерода составляет около 0,01%), затем последовательно указываются буквы, означающие наличие в стали того или иного легирующего элемента, за каждой из букв одной или двумя цифрами указывается примерное содержание данного элемента в процентах (отсутствие цифр означает, что содержание данного элемента составляет до 1,5%).

Обозначениявмаркахстали:Г—марганец,С—кремний,Х—хром,

Н — никель, М — молибден, В — вольфрам, Ф — ванадий, Т — титан, Д — медь, Ю — алюминий, Б — ниобий, Р — бор, А — азот (в конце обозначения не ставятся). Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относитсяккатегориивысококачественной (30ХГСА),еслитажебуква

всередине марки – сталь легирована азотом (16Г2АФ), в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь повышенной обрабатываемости (автоматная)—А35Г2.Индекс«АС»вначалемаркиуказывает,чтосталь повышенной обрабатываемости (автоматная) со свинцом (АС35Г2), а Ш (через дефис) означает особо высококачественную.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5% цифру забуквенныминдексомнеприводят.Содержаниеуглеродауказывается

вначале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инстру-

330