переработка

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ментальные стали) долях процента. Например, конструкционная сталь,

содержащая 0,42…0,5% С; 0,5…0,8% Мn; 0,8…1,0% Сr; 1,3…1,8% Ni; 0,2…0,3% Мо и 0,1…0,18% V, обозначается маркой 45ХН2МФ.

В зависимости от количества легирующего элемента легированная сталь, как было сказано ранее, подразделяется на:

—низколегированные с содержанием легирующего элемента до 2,5%,

—среднелегированные (легированные) с содержанием легирующего элемента от 2,5 до 10%,

—высоколегированные с содержанием легирующего элемента >10%.

Книзколегированным конструкционнымсталямотносятся низ-

коуглеродистые свариваемые стали, содержащие недорогие и недефицитные легирующие элементы (до 2,5%) и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями. В общем объеме производства эти стали составляют 10…15%, их наиболее широко применяют в капитальном строительстве и для изготовления труб магистральных газопроводов, металлоконструкций машин и механизмов, в судостроении и других отраслях народного хозяйства.

Легированные конструкционные стали применяются для наибо-

лееответственныхитяжелонагруженныхдеталеймашин.Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550…680°С (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность, т.е. высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью,вязкостьюималойсклонностьюкхрупкимразрушениям.Ведущая роль легирующих элементов вэтих сталях заключаетсявсущественном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами для этой группы сталей являются хром, марганец, никель, молибден, ванадий и бор, содержание углерода находится в пределах 0,25…0,50%.

Легированным конструкционным сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии свойств достигается металлургическими способами (уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и пр.). Эти стали чувствительны также к образованию флокенов, что требует проведения после ковки специальной термической обработки.

По основным свойствам(по специальным свойствам) в зависимости от назначения легированная сталь разделяется на следующие группы:

Сталь повышенной прочности. Обычно это низколегированные стали (табл. 2.12).

331

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Применяются для аппаратуры, работающей при повышенных давлениях и температуре до 475° С. Легируют в основном Mn от 1 до 2%, введение которого повышает прочность стали и позволяет экономить до 20% металла. Это стали марок 16ГС; 09Г2С; 10Г2С1. Стали неустойчивы во многих агрессивных средах.

Теплоустойчивыестали.Механическиесвойстваэтихсталейизменяются незначительно с повышением температуры: отличаются высоким сопротивлением ползучести и пределом длительной прочности.

Теплоустойчивые стали предназначены для изготовления деталей, работающихвнагруженномсостояниипритемпературеот200до600°С

втечение длительного времени (до 100 000 часов). Основным легирующим элементом является Мо. К этим сталям относятся стали марок: 15М; 20М; 12ХМ; 12МХ; 15ХМ; 15Х5М; 20Х5МЛ; 15Х5ВФ; 20Х8ВЛ.

Обычно это низко- и среднелегированные стали. Коррозионно-стойкие (нержавеющие или кислотостойкие) стали

обладают стойкостью против различных видов коррозии и хорошо сопротивляются воздействию кислых сред.

Во всех сталях, предназначенных работать в агрессивных средах,

впервую очередь содержится Сr. Однако чисто хромистые стали обладают низкой прочностью, поэтому их легируют Ni; Mn; Ti; Mo.

Наиболее распространены стали типа 18-8 (18 % Cr и 8 % Ni); 12Х18Н10Т (Х18Н10Т); 08Х18Н10Т (0Х18Н10Т).

Жаростойкие стали и сплавы (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при t > 550°С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Окалиностойкость сталям придают главным образом Cr; Si; Al; Ni. К окалиностойким относятся стали марки 10Х17; 08Х13 и т.д., хромоникелевые стали типа 18-8 и сплавы типа нихром: с 80% Ni и 20% Cr, сплавы на никелевой основе с высоким содержанием Cr — Н78Т.

Маркировка марок жаропрочных и жаростойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением никеля, после которого указывается цифра, обозначающая его среднее содержание в процентах.

Например,сплав,содержащий<0,07%С;19,0…22,0%Сr;2,4…2,8%Тi; 0,6…1,0 % Аl; <4,0 % Fе, остальное никель, обозначается ХН77ТЮ

(ЭИ437).

Стали для отливок маркируют так же, как и деформируемые, но с добавлением буквы «Л» в конце марки.

Жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагружен-

ном состоянии в течение определенного времени и обладающие при

332

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

этом достаточной жаростойкостью, то есть обладающие одновременно свойствами теплоустойчивости и окалиностойкости (применяются при t>550°С).

Эти стали легируют в основном Cr и Mo; 15Х5М; Cr и Ni; 14Х17Н2; 20Х23Н18; 15Х5ВФ.

При выборе марки легированной стали необходимо тщательно изучить требования, предъявляемые к ней по условиям эксплуатации: прочность при температуре эксплуатации и коррозионную стойкость

вданной среде.

Втабл. 2.12 указаны пределы применяемости легированной стали по назначению.

Таблица 2.12 — Классификация легированной стали

по назначению

333