основы проектирования хим произв дворецкий

62 Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

3.4. Обозначение легирующих элементов в металлах и сплавах

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.

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-

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.

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.

Алюминий высокой технической чистоты марок А995, А99…А95, А8…А5 обладает высокой коррозионной стойкостью, но имеет ограниченное применение для изготовления корпусных деталей, элементов тепломассообменной и емкостной аппаратуры из-за низких механических характеристик.

Легирование алюминия такими элементами, как Cu, Mn, Mg, Ni, Si, Fe и другими, позволяет получить большое число сплавов с более высокими физикомеханическими свойствами, чем чистый алюминий. Поэтому сплавы на основе алюминия нашли широкое распространение при конструировании химического оборудования. В основном в химическом машино- и аппаратостроении применяются деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Деформируемые сплавы применяют для изготовления деталей и элементов оборудования, получаемых обработкой давлением различных полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т.д.). Наибольшее распространение получили следующие марки деформируемых алюминиевых сплавов: АД0, АД00, АД00Е, АД000, АД0Е, АД, АД1, Амц, Амг2… АМг6, не упрочняемые термообработкой, и сплавы марок Д1, Д16, ВД17, В92, АК-4, АК-6, В-95, упрочняемые термообработкой.

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей и элементов химического оборудования, работающих при повышенных температурах, действии больших ударных и статических нагрузок, корпусных деталей. Для фасонного литья наибольшее распространение получили следующие марки сплавов: АЛ2 – АЛ9 (до +250 °С); АЛ20, АЛ33, АЛ34 (до +350 °С).

Медь и ее сплавы

Технически чистая медь применяется в основном в электротехнической промышленности. Для изготовления химической аппаратуры в отдельных случаях находит ограниченное применение технически чистая отожженная медь марок М2 и М3 с содержанием соответственно 99,7 и 99,5% меди. Особенностью меди как конструкционного материала является отсутствие надежных защитных оксидных пленок, обеспечивающих химическую стойкость в большинстве кислот и солей. Многие газы (сероводород, диоксид углерода, пары серы, галоиды, аммиак, сернистый ангидрид) разрушают медь. При низких температурах прочность меди возрастает, при этом сохраняется высокая ударная вязкость. Эти особенности делают ее незаменимым конструкционным материалом для криогенной аппаратуры. Из меди изготавливают также спиртовые ректификационные колонны и кубы-испарители.

Для улучшения свойств меди, как конструкционного материала ее легируют различными элементами, получая сплавы на основе меди. В качестве легирующих элементов используют: цинк, олово, алюминий, никель, железо, кремний, марганец и другие, за счет чего существенно улучшаются механические и технологические свойства получаемых сплавов. По химическому составу сплавы на основе меди подразделяются на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

Латуни – сплавы на основе меди с цинком, обозначаются первой буквой «Л». Латуни, содержащие в сплаве кроме меди до 38% цинка, называются простыми. При содержании цинка до 10% простые латуни называются томпаками. Латуни, содержащие кроме цинка другие легирующие элементы, называются сложными латунями. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 расшифровывается как железомарганцевая латунь. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью и коррозионной стойкостью. Они хорошо поддаются литью, обработке давлением и механическим резанием. По технологическому назначению латуни подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные. Из латуней, обрабатываемых давлением, марок Л70, Л60, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2, ЛО62-1, ЛЖС58-1-1, ЛК80-3, ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 изготавливают полуфабрикаты и элементы оборудования (листы, ленты, полосы, трубы теплообменников, проволоку, поковки, сильфоны, подшипники скольжения, элементы трубопроводной арматуры). Из различных марок литейной латуни – ЛЦ40С; ЛЦ40Мц1,5; ЛЦ40Мц3Ж; ЛЦ40Мц3А; ЛЦ30А3; ЛЦ23А6Ж3Мц2; ЛЦ16К4 изготавливают детали трубопроводной арматуры, выдерживающие нагрев до 250 °С, элементы аппаратов, работающих в морской воде, малонагруженные подшипники скольжения, венцы шестерен, детали баббитовых подшипников, элементы криогенной аппаратуры.

Бронзы – сплавы на основе меди с оловом, в которых в качестве легирующих добавок применяются Al, Pb, Si, Be, Sn, Ti, Ni и другие элементы. Бронзы маркируются буквами «Бр», остальные обозначения аналогичны маркировке латуней.

В химической технике находят применение безоловянные, оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремниевые, свинцовые и марганцевые бронзы.

Из безоловянных литейных бронз марок БрА9Мц2, БрА9Ж3Л, БрА10Ж4Н4Л, БрА9Ж4Н4Мц2, БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 изготавливают антифрикционные детали и арматура для пара, воды и нефтепродуктов, работающих при температурах до 250 °С, арматура для морской воды.

Более дорогие оловянные литейные бронзы марок Бр03Ц12С5, Бр04Ц7С5, Бр06Ц6С3, Бр010Ф1, Бр010С10 используются при изготовлении арматуры, антифрикционных деталей, вкладышей подшипников, венцов шестерен, шнековых приводов, нагруженных подшипников скольжения, элементов винтовых мешалок.

Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением марок БрОФ8-0,3; БрОФ6,5- 0,4; БрОЦ4-3; БрОЦС4-4-4 применяются для изготовления специальных сеток, пружин, лент, подшипников скольжения, сталебронзовых втулок для пар трения и т.д.

Алюминиевые бронзы, деформируемые в холодном и горячем состоянии, марок БрА5; БрАЖМц10-3-1,5; БрАМц10-2 служат для изготовления деталей, работающих в морской воде, трубных досок конденсаторов, износостойких деталей гидравлических систем, шестерен, втулок пар трения и т.п.

Бериллиевые бронзы марок БрБ2; БрБНТ1,9; БрБНТ1,9Мг идут на изготовление пружин ответственного назначения и износостойких деталей различных типов.

Кремниевые бронзы марок БрКМц3, БрКН1-3 являются коррозионностойкими и жаропрочными материалами, применяемыми для изготовления деталей химических аппаратов, пружин, антифрикционных деталей, направляющих втулок штоков и пр.

Свинцовые бронзы марок БрС30; БрСН60-2,5 отличаются высокими антифрикционными свойствами и применяются для изготовления методом литья высоконагруженных подшипников скольжения, направляющих втулок и других деталей, работающих в парах трения скольжения.

Марганцевая бронза марки БрМц5 является пластичным сплавом, обладающим достаточной коррозионной стойкостью и теплостойкостью. Из нее изготавливаются детали и сборочные единицы химической аппаратуры, работающие в условиях нагрева.

Медноникелевые сплавы применяются в химической технике в качестве конструкционных материалов, работающих в агрессивных средах. Основными медноникелевыми сплавами этой группы являются:

−монель-металл (НМЖМц28-2,5-1,5) и «Хастеллой» (Н70МФВ-ВИ, ХН58В, ХН65МВУ) – используются для изготовления элементов химической аппаратуры, работающих в средах – сильных восстановителях;

−мельхиор (МНЖМц30-1), нейзильбер (МНц15-20) – применяется для изготовления химической аппаратуры, работающей с сильными минеральными кислотами, щелочами, растворами, содержащими ионы хлора.

Титан и сплавы на его основе

Чистый титан марок ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-2 и титановые сплавы, обрабатываемые давлением марок ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4 (легированы Mn и Al), ВТ5, ВТ14,

ВТ20 (легированы Al, V, Cr, Mo, Zr, Fe), ПТ-7М, ПТ-3В (легированы Al, V, Zr)

соответствуют по химическому составу ГОСТ19807–91 и используются для изготовления ответственных элементов оборудования, работающих в окислительных средах.

Титан и его сплавы при умеренных температурах превосходят по коррозионной стойкости большинство легированных сталей. Коррозионная стойкость этих конструкционных материалов обусловлена образованием весьма прочной и плотной оксидной пленки TiO2, надежно защищающей эти материалы от взаимодействия с окружающей коррозионной средой. Необходимо отметить, что эта оксидная пленка разрушается в восстановительных средах.

Технический титан и его сплавы обладают и другими ценными технологическими и физико-механическими свойствами: сохраняют работоспособность при нагреве до температур 550…600 °С. Механическая прочность титана и его спла-

вов соизмерима с прочностью конструкционных сталей при существенно меньшей плотности. Для этих материалов характерна хорошая или удовлетворительная свариваемость, подверженность большинству известных видов обработки давлением, особенно в горячем состоянии. Недостатками титана и его сплавов следует считать низкую теплопроводность, малый модуль упругости, трудности обработки резанием и получения фасонных отливок. Из титана и его сплавов изготавливают фильтры, автоклавы, емкостные аппараты, детали насосов и компрессоров, центрифуг, теплообменники, трубопроводы и арматуру для агрессивных сред и т.п.

Тугоплавкие металлы и их сплавы

Для современного химического машино- и аппаратостроения необходимы материалы, обладающие длительной жаропрочностью и жаростойкостью при нагреве до 1000…1200 °С. Для удовлетворения этих запросов в химической технике находят применение тугоплавкие металлы ниобий и тантал, а также некоторые сплавы на их основе. Тугоплавкими условно считают металлы, имеющие температуру плавления не менее температуры плавления хрома (1875 °С). К этой группе тугоплавких металлов приближается цирконий (температура плавления 1845 °С). Необходимо отметить, что наличие даже малых количеств вредных примесей (O2 , N2 , C, P, Fe, Si) в этих конструкционных материалах существенно ухудшают их свойства и делают их хрупкими. Поэтому применение этих металлов и сплавов на их основе возможно при условии высокой степени их очистки от вредных примесей.

Ниобий и тантал – очень тугоплавкие металлы (температуры плавления Nb – 2415 °С, Ta – 2996 °С), весьма коррозионно стойки, обладают высокой прочностью и пластичностью, поддаются практически всем видам механической обработки. Теплопроводность ниобия при нагреве до 1200 °С повышается, что особенно важно для теплообменной аппаратуры, работающей в этом интервале температур. Ниобий значительно дешевле тантала и в 2 раза легче его, что делает его более перспективным по сравнению с танталом. При легировании этих тугоплавких металлов добавками Mo, W, Zr, V получают сплавы с очень высокой жаростойкостью и жаропрочностью. Например, сплав Ta + 10% W сохраняет работоспособность до 1550…1600 °С. Из ниобия, тантала и сплавов на их основе изготавливают теплообменники, мешалки, нагреватели, реакторы, абсорберы, фильтры, трубопроводы и арматуру. Эти конструкционные материалы в ряде случаев могут служить недорогими заменителями платины, золота, иридия в элементах аппаратуры органического и неорганического синтеза и для изготовления особо ответственных элементов химической аппаратуры, работающей в условиях высоких температур и агрессивных сред. Цирконий и его сплавы находят основное применение в качестве конструкционного материала в ядерной тех-

нике. Однако высокая жаростойкость и жаропрочность, стойкость в очень агрессивных средах, применимость к нему различных видов механической обработки, хорошая свариваемость определяют возможность его широкого применения в качестве конструкционного материала в химическом машиностроении. Из сплавов циркония наиболее применимы сплавы марок Zr + 0,5% Ta, Zr + 2,5% Nb, сплав «оженит» Zr + 5% Nb. Химическая аппаратура из этих сплавов стойка в высокоагрессивных средах с переменным pH, в среде азотной, фосфорной и соляной кислот, не реагирует с аммиаком до 1000 °С. Из циркония и его сплавов изготавливают трубы, листы, сетки, прокат, применяемые при изготовлении трубопроводов, аппаратуры и теплообменников, работающих в высоко агрессивных средах.

Припои

В химической технике паяные соединения составляют ощутимую долю среди других типов неразъемных соединений (сварных, клепаных, клеевых и т.д.). Припоем называется металл или сплав с температурой плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов. Припой вводится или образуется в зазоре (стыке) между соединяемыми деталями в процессе пайки. Припои подразделяют на группы: особо легкоплавкие (145 °С), легкоплавкие («мягкие», 145…450 °С), среднеплавкие («твердые», 450…1100 °С), высокоплавкие (1100…1850 °С), тугоплавкие (1850 °С). Припой, состоящий из порошкообразной смеси расплавляемых металлических частиц и частиц наполнителя, не расплавляющихся при пайке, называется металлокерамическим припоем. Припой, легированный флюсующими элементами, называется самофлюсующим.

Вхимической технике наиболее часто применяются легкоплавкие («мягкие») и среднеплавкие («твердые») припои. В отдельных случаях при пайке деталей из высоколегированных хромоникелевых аустенитных сталей возможно применение высокоплавких припоев.

Вгруппе легкоплавких припоев наибольшее применение нашли оловянносвинцовые припои, в отдельных случаях легированные кадмием и сурьмой.

Взависимости от химического состава оловянно-свинцовые («мягкие») припои, применяемые в химическом машиностроении подразделяются на следующие марки: бессурмянистые (ПОС40, ПОСК50-18, ПОСК2-18 и др.); малосурмянистые (ПОССу40-0,5; ПОССу18-0,5 и др.); сурмянистые (ПОССу40-2, ПОССу5-1, ПОССу4-6 и др.).

Вгруппе среднеплавких («твердые») припоев наибольшее распространение получили серебряные и медно-цинковые припои. Наиболее распространенными марками серебряных припоев являются: ПСр2,5… ПСр72, ПСр50Кд, ПСр12М – применяются для пайки сталей с медью и медно-никелевыми сплавами; ПСрМО68-27-5, ПСр70 – применяются для пайки титана и его сплавов с легированной сталью; ПСр25Ф, ПСр15 – самофлюсующиеся припои для пайки меди и сплавов на основе меди;