Основные конструкционные и вспомогательные материалы сооружений и устройств защиты биосферы

Для изготовления аппаратов в промышленности в качестве конструкционных материалов применяют черные металлы и сплавы (стали, чугуны), цветные металлы и сплавы, незащищенные и защищенные с поверхности покрытиями (металлическими и неметаллическими), неметаллические материалы (пластмассы, материалы на основе каучука, керамика, углеграфитовые и силикатные материалы и др.) /4/.

Выбор материалов на изготовление аппаратов, элементов сооружений и других устройств очистки, рекуперации, прежде всего, определяется:

1. параметрами режима работы (температурой, давлением, составом среды и т.д.)

2. требованиями к физическим, химическим, механическим и другим свойствам материалов, в том числе склонности к ингибирующей активности, биообрастанию, адгезии органических и неорганических отложений;

Учет этих требований особенно важен для правильной организации очистки и разделения веществ при использовании технологических рециклов, в частности систем замкнутого водоиспользования.

3. технологичностью изготовления конструкций (легкость обработки);

4. доступностью и стоимостью материала /1/.

При выборе материалов следует учитывать также климатические и температурные условия, в которых будут работать монтируемые на открытом воздухе аппараты и коммуникации /6/, уровень безотходности производств, изготовляющих данный материал и степень использования в нем вторичных материальных ресурсов; возможность и способы утилизации конструкционных материалов после отработки установленного срока, (требование к тектоничности проектируемых сооружений и аппаратов, поскольку совершенность формы и рациональное техническое решение позволит увеличить срок службы объекта) /1/.

Стоимость материала сама по себе недостаточно его характеризует. Так более дорогой материал может оказаться более выгодным с экономической точки зрения, если из него можно выпустить более легкую аппаратуру или если она станет более надежной, долговечной. Фактор технологичности обработки, изготовления также влияет на стоимость. Если материал дешевый, но трудно поддается обработке, то часто экономически целесообразно применить более дорогой, но легче обрабатываемый /Л/.

Выбор материала завершается технико-экономическим сравнением возможных вариантов /1/.

Основными требованиями, которым должны отвечать промышленные аппараты, является механическая надежность, долговечность, конструктивное совершенство, простота изготовления, удобство транспортирования, монтажа и эксплуатации. Поэтому к конструктивным материалам проектируемой аппаратуры предъявляются следующие требования /4/:

1. механическая прочность (предел прочности на растяжение, изгиб);

2. химическая (коррозионная) стойкость к воздействию контактирующих веществ при рабочих параметрах процесса /Л/.

По химическому составу и механическим свойствам конструкционные материалы должны удовлетворять требованиям ГОСТов, ОСТов, ТУ.

Во многих случаях химическая стойкость материалов является основным свойством, определяющим долговечность оборудования или сооружения, безопасные условия работы и сохранения чистоты продукта.

Разрушившийся материал загрязняет продукт, снижает его качество и может проявить каталитические свойства в побочных процессах или, наоборот, может быть каталитическим ядом (например, в процессе окисления аммиака).

Долговечность для большинства типов оборудования химических заводов установлена длительность эксплуатации 7–10 лет. Излишняя долговечность может быть не оправдана, так как оборудование морально устаревает и требует замены /4/.

Следует иметь ввиду что материал не только влияет на прочностные характеристики аппарата, но и оказывает влияние и на сам процесс – загрязнение продукта, изменение его цвета, состава в результате участия материала в химическом превращении /Л/.

Повышение надежности, экологической безопасности технических систем предъявляет жесткие требования к качеству конструкций и их монтажа.

В условиях несовершенства производства, нарушения технологии эксплуатации, износа оборудования вероятность «отказов» и аварий возрастает.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.

Коррозия происходит от латинского слова «corrodere» – разъедать.

Способность материалов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала.

Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда в которой протекает коррозионный процесс – коррозионной средой.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов /7/.

• Химическая коррозия – результат взаимодействия металла с химически активными веществами. Частными случаями химической коррозии являются газовая, водородная, карбонильная, сернистая и некоторые случаи атмосферной коррозии.

• Электрохимическая коррозия заключается в переходе в электролит ионов металлов под действием разности потенциалов, обусловленной химической и структурной неоднородностью отдельных участков поверхности металла и градиента температуры. К частным ее случаям относится некоторые виды влажной атмосферной и почвенной коррозии, протекающей под действием блуждающих токов, а также контактная коррозия /4/.

По виду коррозионной среды различают несколько видов коррозий металлов.

• Газовая коррозия – химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах /7/.

Коррозионные свойства газообразных реагентов зависят от давления. Так если водород и аммиак при при атмосферном давлении не разрушают сталь, то при высоких давлениях вызывают коррозию.

При газовой коррозии разрушение может происходить как на поверхности, так и в глубине металла вследствие проникновения газов внутрь сплавов.

– Водородная коррозия

При высоких давлениях водород оказывает разрушающее воздействие на металл. Водород проникает внутрь стали, где происходит его растворение с образованием гидридов металлов. Кроме того водород взаимодействуя с карбидами металлов образует метан, выводя углерод из сплава. Метан накапливается в порах и из-за образования внутреннего давления образуются трещины по границам зерен металла, которые уменьшают прочность и увеличивают хрупкость металла.

Fe₃C + 2Н₂ → 3Fe + CН₄

С кислородсодержащими примесями водород образует водяной пар.

– Карбонильная коррозия

Диоксид углерода при высоких температурах и давлениях взаимодействует с железом с образованием карбонилов:

Fe + nСО → Fe(CО)_n

n = 4,5,9

Карбонильная коррозия вызывает разрушение и разрыхление поверхностного слоя металлов на глубину до 5 мм.

Также различают сернистую коррозию, короззию вызванную хлором и хлористым водородом и др. /Л,7/.

В химической и нефтехимической промышленности газовая коррозия коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

Обезуглероживание стали. При высоких температурах многие технологические процессы в газовой фазе сопровождаются обезуглероживанием сталей. Процесс наблюдается в атмосфере содержащей кислород, углекислый газ и пары воды. В основе обезуглероживание стали лежит процесс восстановления карбида углерода:

Fe₃C + 1/2О₂ → 3Fe + CО

Fe₃C + СО₂ → 3Fe + 2CО

Fe₃C + Н₂О → 3Fe + CО + Н₂ /7/.

При контакте стали с топочными газами следует учитывать жаростойкость стали, т.е. устойчивость к окислению при высоких температурах, которая оценивается привесом образца на см² металла. Чем он меньше, тем выше жаростойкость сплава /Л/.

Не следует путать с жаропрочностью, определяющей способность материала в условиях высокотемпературного воздействия сохранять хорошие механические свойства (прочность, сопротивление ползучести).Металл может быть жаростоек, но не жаропрочен и наоборот.

• Атмосферная коррозия – коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.

• Подземная коррозия – коррозия металлов в почвах и грунтах.

• Биокоррозия – коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

• Контактная коррозия – вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих различные потенциалы в данном электролите.

• Коррозия под напряжением – коррозия, вызванная одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений.

• Коррозионная кавитация – разрушение металла, обусловленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды.

• Фреттинг-коррозия – коррозия, вызванная одновременно вибрацией и воздействием коррозионной среды.

Также различают радиационную коррозию, коррозию внешним током, коррозию блуждающим током, суть которых обусловлена названием /7/.

Для металлов и сплавов различают следующие виды коррозионного разрушения:

1. Поверхностную (сплошную) коррозию, протекающей с одинаковой скоростью по всей поверхности металла (равномерная коррозия) или с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности (неравномерная коррозия);

2. местную коррозию, при которой поражаются лишь некоторые участки поверхности металла (точечная коррозия, коррозия язвами, коррозия пятнами, структурно-избирательная коррозия);

3. межкристаллическую коррозию – частный вид местной коррозии, которая распространяется по границам кристаллов (зерен) металлов. Она особенно опасна, тем, что внешний вид металла не изменяется, но он быстро теряет прочность, пластичность и легко разрушается;

4. подповерхностная коррозия начинающаяся на поверхности, но затем распространяющаяся в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металл и вызывают вспученность и расслоение металлических изделий.

5. прочие специфические виды коррозионного разрушения – щелевая коррозия, «ножевая» коррозия сварных швов и другие /5,7/.

Обычно скорость растворения металлов при равномерной коррозии выражают потерей массы с единицы поверхности в единицу времени – К, г/(м²·ч). При конструировании аппаратов удобнее оценивать возможную коррозию по глубинному показателю (проницаемости П, мм/год), который связан с массовым показателем К зависимостью:

П=8,76К/ρ,

где ρ – плотность металла, г/см³ /4/.

Оценка коррозионной стойкости черных, цветных металлов и сплавов осуществляется по десятибалльной шкале. Баллы стойкости устанавливаются по величине скорости коррозии, выражающиеся в уменьшении толщины образца данного материала в данных условиях в мм в год.

Совершенно стойкие материалы имеют балл стойкости 1 при скорости коррозии менее 0,001 мм/год, а нестойкие – 10 при скорость коррозии более 10 мм/год /1/.

Весьма стойким и стойким материалам присваиваются баллы 2–3 и 4–5, что соответствует скорости коррозии 0,001–0,01 и 0,01–0,1 мм/год соответственно. Понижено стойкие и малостойкие имеют балл 6–7 и 8–9 при скорости коррозии 0,1–1 и 1–10 мм/год соответственно.

Для изготовления химической аппаратуры должны использоваться материалы скорость коррозии которых не превышает 0,1–0,5 мм/год (баллы стойкости 1–5). Но чаще применяются материалы стойкие (скорость коррозии 0,01–0,05 мм/год).

Разрушение не металлических материалов представляет собой химическое их разрушение, происходящее в результате воздействия внешней среды (жидких и газообразных реагентов, нагрева и охлаждения), метеорологических условий и микробиологического процесса. Воздействие водных растворов веществ на неметаллические материалы неорганического происхождения приводит к их растворению или выщелачиванию.

Органические конструкционные материалы – органические полимеры (пластмассы) – обладают высокой химической стойкостью ко многим агрессивным средам, но подвержены термической и фотохимической деструкции, биологической коррозии в результате действия жидких и газообразных агрессивных сред /4/.

На химическую стойкость материалов, кроме их природы существенное влияние оказывают реагенты, конструкционные особенности аппарата, частота обработки поверхности, температура /?/.

Затраты на защиту от коррозии составляют примерно 20% затрат на производство стальных конструкций /1/.

Стали

Наибольшее распространение при выполнении аппаратуры нашли черные металлы: стали, чугуны, их сплавы. Это объясняется высокой механической прочностью, физическими характеристиками (высокой теплопроводностью, малой теплоемкостью), относительно низкой стоимостью. 85–90 % по весу всего оборудования в химической промышленности выполнено из чугуна и стали.

Единственным недостатком является низкая коррозионная стойкость, однако применение легирования, т.е. введение легирующих добавок во время плавления позволяет существенно снизить коррозию.

Сталь является железоуглеродым сплавом, в котором наряду с углеродом (до 2%) имеют примеси марганца (0,8%), кремния (0,5%), серы (0,05%), фосфора (0,05%) /Л/.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества (содержание S≤0,06% и Р≤0,04%), качественные (содержание S≤0,04% и Р≤0,04%) и высококачественные (содержание S≤0,03% и Р≤0,03%) /2/.

В зависимости от содержания углерода и других элементов различают марки стали. С ростом марки стали в ней увеличивается содержание углерода.

Наибольшее распространение находят стали марок Ст0, Ст2, Ст3, Ст4.

Ст0 обладает мягкостью, малой прочностью на разрыв. Хорошо варится, прокатывается, куется. Из нее изготавливают различные сосуды, котлы, работающие в мягких температурных условиях и без давления (емкости, мерники, хранилища).

Ст2 имеет большую прочность при температурном воздействии (по сравнению со Ст.0). Применяется при более значительных тепловых нагрузках и напряжениях. Идет на изготовление фланцев, заклепок, болтов анкерных, аппаратов.

Ст3 прочнее, тверже. Из нее изготавливают аппараты работающие при избыточном давлении. Но не выше 16 атмосфер при температуре 15–350°С.

Ст4 еще более прочная и твердая. Из нее изготавливают ответственные детали (валы, шпонки, детали насосов и компрессоров).

Ст5 Она не подлежит сварке в обычных условиях. Из нее изготавливают фланцы, решетки /Л/.

Стали нашли широкое применение благодаря своей прочности, вязкости, способности выносить динамические нагрузки, свариваться, хорошо обрабатываться резанием и прокаткой, низкой стоимости и доступности.

Стали с содержанием углерода меньше 0,25% называются низкоуглеродистыми, с 0,25–0,6% – среднеуглеродистыми, 0,6–2% – высокоуглеродистыми /4/.

С увеличением содержания углерода в стали падает ее мягкость, ковкость, свариваемости; возрастает механическая прочность на разрыв, твердость, хрупкость.

Большое влияние на механические свойства сталей оказывает микроструктура /Л/.

Различают следующие структуры черных металлов:

• феррит – это структура, состоящая из чистого железа, придающая сплаву вязкость, пластичность;

• цементит – состоит из карбида железа, придающая сплаву твердость, хрупкость;

• перлит – эвтектическая смесь (т.е. сплав механической смеси) феррита и цементита, придающий сплаву прочность и жесткость;

• аустенит – твердый раствор (т.е. сплав, который при переходе из жидкого состояния в твердое сохраняется однородность элементов) углерода в железе, придающая сплаву особенную твердость и жесткость /Л,2/.

Существенное влияние на структуру стали оказывает термообработка. При закалке стали возрастает содержание цементита, а, следовательно, растет твердость сплава /Л/.