33.Затворы для аппаратов высокого давления.

Затворы и уплотнения являются ответственными и нагруженными узлами, должны обеспечивать герметичность стыка в рабочем режиме, а также при изменении температуры и давления, обеспечивать простоту и легкость изготовления конструкции, быстроту разборки и сборки аппарата. Подразделяются по различным признакам.

По типу уплотняющего элемента:

– затворы с пластичным обтюратором (прокладкой) из мягкого металла – за счет обжатия при затяжке шпилек или под действием внутреннего давления материал становится пластичным и заполняет все неровности стыка; обтюратор может быть плоским и треугольным;

– затворы с упругим обтюратором (беспрокладочные) – уплотнение достигается за счет сжатия шлифованных поверхностей стальных деталей (например, крышка и корпус по конусной поверхности), либо между ними закладывается стальное кольцо различного по профилю сечения; широко используются в аппаратах сверхвысокого давления, однако они не обеспечивают полной герметизации, так как микроскопические зазоры остаются.

По способу создания обжатия обтюратора:

– затворы принудительного уплотнения – усилие обжатия создается крепежными шпильками или специальными нажимными винтами; достоинство – простота, недостаток – значительное усилие затяжки и чувствительность к колебаниям температуры;

– самоуплотняющиеся затворы – обжатие уплотняемых поверхностей достигается за счет внутреннего давления в аппарате.

По способу крепления крышки к корпусу:

– болтовые, в которых соединение осуществляется шпильками;

– безболтовые – крышка крепится к корпусу муфтами.

34.Эллиптические днища, области применения.

Днища эллиптические состоят из основания и отбортованной части (цилиндрической). В диаметральном разрезе имеют форму эллипса. Благодаря подобной конструкции сварной шок не оказывает усиливающего воздействия и давление распределяется по всей поверхности изделия равномерно.

ГОСТ днищ эллиптических регламентирует размеры изделий, марку стали, толщину стенок.

Область применения

Строительная форма получила широкое распространение в предприятиях, специализирующихся в области производства емкостей, агрегатов, предназначенных для:

Сфер нефтеперерабатывающей/нефтехимической.

Установки в котельных устройствах.

Газовом/химическом секторе.

Фармацевтической и пищевой области.

Энергетической сферы.

Расходным сырьем для эллиптических днищ служит листовой металл. Он проходит несколько этапов обработки, с применением гидравлических прессов. С помощью механической резки лист раскраивается на отдельные заготовки, после чего он нагревается и подается непосредственно на пресс.

Важным этапом производства является выбор расходного материала.

Согласно ГОСТ днища эллиптические производятся с учетом:

Расчетного давления;

Химического состава и особенностей среды;

Температуры нагрева стенки (минимальной, максимальной);

Технологических свойств материала;

Условий эксплуатации.

Технические параметры днищ эллиптических включают показатели наружного диаметра, радиус уклона/днища, толщина стенки, высота цилиндрической части.

35.Металлы и сплавы для химического машиностроения.

Стали делятся на две большие группы:

– углеродистые – применяются для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными или слабоагрессивными средами;

– легированные – предназначены для аппаратов, работающих в агрессивных условиях или при высокой температуре.

Углеродистые стали делятся на обыкновенные, соответствующие ГОСТ 380–71, и качественные, соответствующие ГОСТ 1050–74.

Обыкновенные стали, применяются для изготовления обечаек, днищ, фланцев, люков, лазов и т. д., работающих при температуре от –20 до +425°С и давлении до 5МПа. В зависимости от гарантированных характеристик различают три группы сталей обыкновенных:

А – с гарантированными механическими свойствами;

Б – с гарантированным химическим составом;

В – с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Кроме того, по группам введены категории: для группы А – 3 категории, для группы Б – 2 категории, для группы В – 6 категорий.

Для сталей с номерами марок 1, 2, 3, 4 в зависимости от степени раскисления различают три вида. «Спокойные» стали (маркировка СП) содержат минимальное количество FeO и в изложнице застывают спокойно. «Кипящие стали» нераскислены и при застывании из металла выделяются пузырьки СО (маркировка КП); эти стали наиболее дешевы, но обладают худшими механическими и технологическими показателями. Согласно ГОСТ они не должны применяться для сосудов и аппаратов для сжиженных газов. «Полуспокойные» стали –промежуточный тип (маркировка ПС).

Маркировка обыкновенных сталей

Стали обыкновенного качества маркируются следующим образом. Стали группы А обозначают буквами Ст и цифрами 0, 1, …, 6. Цифры означают содержание углерода в десятых долях процента, чем выше цифра, тем выше прочность, но ниже пластичность. Для обозначения степени раскисления добавляются индексы, например: Ст 3 КП, Ст 4 ПС. Для маркировки сталей групп Б, В впереди ставится соответствующая буква: БСт 2 КП, ВСт 3 КП 2, где последняя цифра обозначает категорию.

Основными механическими свойствами углеродистых сталей являются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение. Все эти характеристики для различных марок сталей приведены в справочной литературе (Альперт, с. 38)

Качественные стали имеют марки 05, 10, …, 85 (т. е. 0,05, … 0,85% углерода) с шагом 5. Содержат дополнительно марганец (0,25–0,80%), хром и кремний (0,2%). Качественные стали используют для изготовления аппаратуры, работающей при давлении до 20 МПа и температуре от –40 до 450°С.

В кислотных цехах углеродистые стали используют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые футеруются кислотоупорными материалами.

Легированные стали имеют в своем составе легирующие элементы, основными из которых являются никель, хром, вольфрам, титан и другие металлы.

Никель повышает коррозионную стойкость стали, повышает ее механическую прочность.

Хром увеличивает жаропрочность стали, а при содержании 11–14% делает ее устойчивой к атмосферной коррозии (так называемая нержавеющая сталь).

Марганец при содержании 10–15% придает стали высокую сопротивляемость ударам и эрозии; такая сталь используется для изготовления деталей дробилок и мельниц.

Молибден повышает коррозионную устойчивость стали к горячим серной и фосфорной кислотам. Вольфрам повышает стойкость стали к водородной коррозии.

Маркировка легированных сталей

Для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система (пример маркировки: 10Х17Н13М2Т). Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:

Ni	Cr	Mo	W	V	Mn	Cu	Ti	Al	Si
Н	Х	М	В	Ф	Г	Д	Т	Ю	С

Первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв – содержание соответствующих элементов в процентах.

Если в сплаве легирующего элемента менее 2%, то его содержание не указывается.

Низколегированные стали содержат до 2,5% легирующих элементов. К ним относятся марганцовистые (14Г…, 19Г…), кремнемарганцевые (12ГС…, 09Г2С, 16ГС…), марганцево-ванадиевые (16ГФ) и другие.

Наиболее широкое применение в химической промышленности получили кремнемарганцевые стали. Помимо повышенной на 15–35% по сравнению со сталями СТ3, 20 прочностью и надежностью, они обладают хорошей пластичностью, ударной вязкостью и отличной свариваемость. Поэтому при изготовлении аппаратуры, рассчитанной на среднее давление и некоррозионных сред целесообразно использовать высокопрочные низколегированные стали, так как это позволяет уменьшить толщину стенок и, тем самым, сэкономить металл. Применение этих сталей рекомендуется и для изготовления аппаратов, работающих при пониженных до –70°С температурах, поскольку значительно повышается их надежность.

Высоколегированные стали применяют для изготовления аппаратов, предназначенных для работы с коррозионными средами и при высоких температурах. Содержание легирующих веществ в таких сталях превышает 10%. Высоколегированные стали подразделяют на три группы.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии. Наиболее широкое распространение в химической промышленности получила сталь марки 12Х18Н10Т, которая устойчива к воздействию азотной кислоты, нитратов, щелочей и к газовой коррозии, выдерживает воздействие температур до 800°С (одновременно относится и ко второй группе). В производстве фосфорной кислоты используются стали, содержащие молибден и медь, марок ЭИ-943 (ОХ23Н28М3Д3Т).

Жаростойкие стали обладают стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температурах свыше 550°С, работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (марки 12Х17, 15Х25Т).

Жаропрочные стали работают в течение определенного времени при высоких температурах при нагруженном состоянии.

Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до 100 МПа и в интервале температур от –195 до 700°С рекомендуется использовать сталь 10Х17Н13М2Т.

Высоколегированные стали вследствие высоких прочности и коррозионной стойкости широко используются в химическом машиностроении, но они намного дороже углеродистых сталей. Поэтому для снижения расхода дорогостоящих легированных сталей на изготовление аппаратов в настоящее время предлагаются следующие пути.

1. Использование двухслойных металлов. Для защиты от коррозии достаточен слой коррозионно-стойкого материала толщиной несколько миллиметров (обычно от 2 до 5 мм), а для обеспечения условий прочности стенка должна быть значительно толще. Поэтому используют двухслойную листовую сталь, состоящую из основного слоя, выполненного из углеродистой стали, и защитного (плакирующего) слоя из легированных сталей типа 12Х18Н10Т, а также из цветных металлов. В соответствии с ГОСТом 10885–75 двухслойные листы изготавливаются толщиной 4–160 мм. Однако в связи с различием в значениях температурных коэффициентов линейного расширения основного и плакирующего слоев ТУ регламентируют интервалы температур и давлений для работы аппаратов, изготовленных из двухслойных материалов.

2. Использование экономнолегированных сталей, имеющих пониженное содержание остродефицитного никеля. К таким сталям относятся марки 08Х22НGТ, 08Х13Н взамен стали марки 12Х18Н10Т.

3. Использование безникелевых сталей, к которым относятся коррозионно-стойкие аустенитовые стали. Они предназначены для изготовления аппаратов, которые работают в температурном интервале от –210 до 400°С. Такие стали устойчивы к действию разбавленной серной кислоты, 50%-й азотной кислоты, 10%-й уксусной кислоты.

Области применения различных марок сталей приведены в таблице на с. 26 [Тетеревков А. И.].

Чугуны и области их применения

Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий углерода свыше 2%. Кроме указанных элементов в состав чугуна входит 0,5–4,5% кремния, до 1,2% марганца, а также вредные примеси: фосфор, содержание которого не должно превышать 0,2%, и сера – не более 0,1%.

Чугуны обладают удовлетворительными коррозионной стойкостью и механическими свойствами при низкой стоимости чугуна; они хорошо поддаются обработке резанием, но не обладают платичностью.

Металлургическая промышленность выпускает 10 марок серого чугуна от С410 до С445 (цифра указывает среднее значение прочности при растяжении в десятках мегапаскалей).

Однако в химической промышленности серые чугуны используются ограниченно, так как они имеют низкую химическую стойкость, а температура в аппарате из серого чугуна не должна превышать 250°С а давление быть не более 0,6–0,8 МПа.

Для повышения прочности и химической стойкости выпускаются легированные чугуны:

– щелочностойкие чугуны (марки СЧЩ-1, СЧЩ-2) используют для изготовления аппаратов для работы с щелочными растворами и расплавами, для упарки растворов щелочей;

– высокохромистые чугуны (до 0,8% Cr) обладают повышенной жаростойкостью при температурах до 500°С;

– кремнистые чугуны используются для изготовления оборудования, подверженного воздействию азотной и соляной кислот; они содержат 15–17% кремния (ферросилициды С-15, С-17; «Антихлор» МФ-15 содержит 15% кремния и 4% молибдена, устойчив к горячей концентрированной соляной кислоте, отличается жаростойкостью до 900°С).

Однако легированные чугуны не поддаются механической обработке, детали аппаратов из них получают только отливкой, они очень хрупки и чувствительны к перепадам температур, поэтому их использование ограничено.

Цветные металлы и их характеристика

Цветные металлы и их сплавы применяют в химическом машиностроении для изготовления сварной, паяной и литой аппаратуры, работающей в условиях средней и повышенной агрессивности.

Медь, латунь, алюминий и его сплавы – основные конструкционные материалы для аппаратов, работающих при отрицательных температурах до –254°С.

Алюминий образует в окислительной среде на поверхности прочные оксидные пленки, поэтому его широко используют в производстве азотной кислоты и при хранении концентрированной азотной кислоты. Однако он не стоек к щелочам и разбавленным кислотам. К положительным свойствам можно отнести высокую теплопроводность (в 4,5 раза выше, чем у стали), малую плотность (2700 кг/м3), высокую пластичность, обеспечивающую возможность подвергаться штамповке. Однако алюминий обладает низкими литейными качествами, плохо обрабатывается резанием. Сварку ведут в атмосфере аргона или гелия.

Оборудование из алюминия допускается к работе при давлении не более 600 кПа и температуре не более 70°С или при температуре не более 200°С при отсутствии давления.

Алюминиевые сплавы литейные и деформируемые выпускаются 37 марок от АДО чистотой 99,5% до АД чистотой до 99,3%. Для повышения прочности алюминий модифицируют медью или марганцем (дюралюминий), прочность после модифицировании возрастает в 4–5 раз, но при этом падает сопротивление коррозии, так как снижается стойкость пленки оксида алюминия. Поэтому для повышения коррозионной стойкости на листы дюралюминия при прокате наносят плакирующий слой чистого алюминия. Используются также сплавы алюминия с кремнием – силумины, содержащие до 9–13% Si и обладающие высокой стойкостью к азотной кислоте.

Свинец обладает высокой устойчивостью в слабых растворах кислот, в частности, серной кислоты при  80%, за счет образования PbSO4. Обладает высокой пластичностью, но низкой прочностью, имеет высокую стоимость. Для повышения механической прочности в него вводят 4–12% сурьмы. Этот сплав (гартблей) используют для изготовления насосов и труб. Он устойчив к соляной кислоте. В настоящее время его использование ограничено, в том числе и в производстве соляной кислоты.

Титан – один из перспективных металлов для изготовления химической аппаратуры. Марки титана ВТ 1-00, ВТ 1-0 и другие отличаются содержанием титана. Например, марка ВТ 1-1 содержит 99,44% Ti. Производят 14 марок титановых сплавов.

Титан химически стоек к кипящей азотной кислоте, растворам нитратов, хлоридов, карбамида, морской воде. Так, выпарные аппараты в производстве KCl, выполненные из легированной стали, требуют ремонта через 3–4 месяца, а титановые аппараты работают без ремонта 3–4 года. Титановая запорная аппаратура служит в 5–10 раз дольше, чем стальная, облицованная эмалью или резиной.

Однако титан разрушается в серной, соляной, плавиковой и фосфорной кислотах, в щелочах. В азотной кислоте с концентрацией 98% он возгорается со взрывом.

Из-за высокой стоимости титан большей частью используется в качестве плакирующего материала с толщиной листа 0,3–10,5 мм.

В настоящее время начинают использовать сплавы титана с цирконием и танталом. Сплав титан – тантал по коррозионной стойкости приближается к платине.

Никель и его сплавы. Никель широко используется по причине высокой коррозионной устойчивости в ряде агрессивных сред при хороших механических свойствах. На воздухе и в среде водяного пара никель можно использовать до 450°С, в расплавах щелочей – до 500°С; он устойчив в серной кислоте, растворах органических кислот и щелочей, но неустойчив в азотной кислоте и соляной кислоте, имеющей концентрацию более 10%.

Из-за высокой стоимости чистый никель используют редко. В частности, никель марок НПЧ, содержащий 99,5% Ni, применяют для облицовки аппаратов из углеродистой стали. Более высокой концентрацией обладают сплавы никеля с медью (монель), молибденом (хастеллой, марка Н70 МФ), хромом (инконель).

Медь и ее сплавы. Медь является ценным конструкционным материалом. Важнейшая ее характеристика – максимальная среди всех конструкционных материалов теплопроводность. Кроме того, медь способна сохранять прочность, теплопроводность и вязкость при низких температурах, поэтому она незаменима для аппаратов глубокого холода и теплообменников. Температурный интервал эксплуатации изделий из меди составляет ±250°С. Она стойка в растворах аммиака, соляной кислоты, щелочей при отсутствии окислителей.

Латунь – сплав меди с цинком (марки Л 68, Л 62 и др.). Ее коррозионная стойкость и прочность выше, чем у меди.

Бронзы – сплавы меди с оловом или другими металлами. Они обладают хорошими прочностными и антикоррозионными показателями в условиях сильного эрозионного износа, применяются для изготовления сальников, деталей центробежных насосов, червячных колес.