- •Глава 1. Введение в проектирование ………………………... 7
- •Глава 2. Основные этапы и стадии проектирования …….
- •Глава 3. Конструирование химических реакторов и выбор
- •Глава 4. Конструкционные материалы в химическом ма-
- •Глава 5. Технологические трубопроводы и арматура ……..
- •Глава 1.
- •1.1. Положения Единой системы конструкторской
- •1.2. Виды конструкторской документации
- •1.3. Направления проектирования химических производств
- •Глава 2.
- •2.1. Виды проектов и стадии проектирования
- •2.2. Предпроектная разработка
- •2.3. Порядок разработки проектов
- •2.4. Методы проектирования
- •2.5. Системы автоматизированного проектирования
- •2.6. Проектирование генерального плана
- •Глава 3.
- •3.1. Назначения и основные требования, предъявляемые к
- •3.2. Классификация оборудования производств
- •3.3. Технологический расчёт основной и вспомогательной
- •3.4. Элементы механического расчёта основных узлов
- •3.5. Методы контроля и испытания аппаратов
- •3.6. Техническое обслуживание и ремонт химических установок
- •3.7. Монтаж химической аппаратуры
- •Глава 4.
- •4.1. Требования, предъявляемые к конструкционным
- •4.2. Сталь
- •4.3. Чугун
- •4.4. Цветные металлы и сплавы
- •4.5. Неметаллические конструкционные и обкладочные
- •4.6. Прокладочные и набивочные материалы
- •4.7. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы
- •4.8. Коррозионное разрушение химического оборудования
- •4.9. Способы защиты оборудования от коррозии
- •Глава 5.
- •5.1. Классификация трубопроводов
- •5.2. Назначение и основные виды трубопроводной арматуры
- •5.3. Выбор арматуры
Глава 4.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ХИМИЧЕСКОМ
МАШИНОСТРОЕНИИ
4.1. Требования, предъявляемые к конструкционным
материалам
Выбор конструкционного материала для химического обо-
рудования основан на учете ряда его свойств (химическая стой-
кость, прочностные характеристики, стоимость, доступность и
др.) и условий, в которых будет протекать производственный
процесс (температура, давление, вид и концентрация химическо-
го вещества и др.). Нет абсолютно идеальных материалов. Хими-
чески стойкий материал может быть недостаточно прочным или
термостойким. Дорогой, но очень прочный и коррозионно-
стойкий материал, может оказаться выгоднее дешевого из-за воз-
можности изготовления из него более тонкостенных и легких ап-
паратов. Все материалы, как металлические, так и неметалличе-
ские, в той или иной мере подвержены химическому и механиче-
скому разрушению, с чем связаны долговечность и надежность
работы.
69
Конструкционные материалы в силу своих индивидуальных
физико-химических свойств, стоимости и степени дефицитности
предназначены для определенных областей применения. Сниже-
ние стоимости новых перспективных материалов и расширение
их производства приводят к вытеснению ими некоторых старых
конструкционных материалов в тех или иных производствах. При
подборе конструкционных материалов для конкретных случаев
следует пользоваться справочными данными.
4.2. Сталь
В зависимости от условий эксплуатации для изготовления
химического оборудования используют разнообразные материа-
лы. Для аппаратуры, соприкасающейся с неагрессивными или
слабоагрессивными средами, широко используют углеродистые
стали, которые подразделяют на обыкновенные (ГОСТ 380-71) и
качественные (ГОСТ 1050-74). Они содержат от 0,06 до 0,6 % уг-
лерода.
В зависимости от степени раскисления различают три вида
сталей. «Спокойные стали² содержат минимальное количество
FeO, что обеспечивает «спокойное² застывание стали в изложни-
це. «Кипящие стали² полностью нераскислены, поэтому при за-
стывании в изложнице из металла выделяются пузырьки СО, об-
разующиеся за счет реакции FeO с углеродом стали. Эти стали
обладают худшими механическими и технологическими показа-
телями, но наиболее дешевы. «Полуспокойные стали² – это стали
промежуточного типа. Указанные виды сталей в маркировках
обозначают соответственно: сп, кп, пс.
В зависимости от гарантируемых характеристик различают
три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. К группе А
относят стали с гарантированными механическими свойствами, к
группе Б – с гарантированным химическим составом, к группе В
– с гарантированными химическим составом и механическими
свойствами.
Стали обыкновенного качества маркируют следующим об-
разом. Стали группы А обозначают буквами Ст (сталь) и цифра-
ми 0, 1, 2, 3, …, 6 (что отвечает содержанию углерода в десятых
долях процента). Чем больше цифра, тем больше содержание уг-
70
лерода, выше прочность и ниже пластичность. Например, Ст1пс,
Ст3пк, Ст3сп, Ст6сп и т. д. В обозначениях сталей групп Б и В
впереди ставят соответственно эти буквы, например: БСт2кп,
ВСт4сп.
В сталях, предназначенных для изготовления аппаратуры
сваркой, содержание углерода не должно превышать 0,4 %. При
большем содержании углерода стали склонны к воздушной за-
калке, в результате чего в зоне сварки при охлаждении могут
возникнуть высокие напряжения и закалочные трещины.
Сталь, предназначенная для изготовления котлов и аппара-
тов, работающих при повышенных давлениях и температурах,
должна иметь относительное удлинение не менее 17 %. Это вы-
звано, в частности, тем, что при гибке и вальцовке обечаек мате-
риал подвергается большим пластическим деформациям. Следует
учитывать, что эти стали могут надежно работать в диапазоне
температур от –30 до 200 ÉС и при давлениях не выше 1,6 МПа
(16 кгс/см2).
Аппаратуру, работающую при давлении до 20 МПа и в ин-
тервале температур от –40 до 450 ÉС, изготавливают из конструк-
ционных качественных сталей марок 10, 15, 20. Эти стали выпу-
скают следующих марок: 05, 08, 10, 15, 20, 25 и далее с шагом 5
до стали марки 85. Они содержат марганец (0,25–0,80 %), хром и
кремний (0,2 %). Содержание углерода в них пропорционально
номеру стали. Так, сталь марки 25 содержит 0,25 % С.
Углеродистые стали достаточно устойчивы к серной кисло-
те концентрацией 70–95 % до 60 ÉС, к слабощелочным растворам
и к растворам некоторых солей. Поэтому они получили широкое
применение в производствах серной кислоты, щелочей и ряда ми-
неральных солей. В кислотных цехах углеродистые стали исполь-
зуют в основном для изготовления корпусов аппаратов, которые
футеруют кислотоупорными материалами.
Для изготовления оборудования, работающего в более аг-
рессивных условиях и при высоких температурах, используют
легированные стали, содержащие никель, хром, ванадий, титан и
другие металлы.
Никель и хром – основные легирующие элементы. Никель
повышает коррозионную стойкость и механическую прочность
сталей и улучшает их обрабатываемость. Хром увеличивает жа-
71
ропрочность сталей и при содержании 11–14 % делает её устой-
чивой к атмосферной коррозии (нержавеющая сталь),
Марганец незначительно влияет на коррозионную устойчи-
вость стали. При увеличении его содержания до 10–15 % полу-
чается сталь с высокой сопротивляемостью к ударам и эрозии. Из
этих сталей изготовляют детали дробилок и мельниц.
Молибден повышает коррозионную устойчивость сталей к
горячим серной и фосфорной кислотам и к хлоридам. Ванадий
повышает стойкость стали к водородной коррозии. Титан и нио-
бий делают сталь малочувствительной к межкристаллитной кор-
розии.
В марках сталей легирующие элементы обозначают сле-
дующими буквами: никель – Н, хром – X, марганец – Г, титан –
Т, молибден – М, вольфрам – В, ванадий – Ф, ниобий – Б, крем-
ний – С, медь – Д, алюминий – Ю. Цифры, стоящие справа от
букв, означают содержание легирующего элемента. Если его со-
держание менее 1,5 %, то цифру не ставят. Двузначные цифры,
приводимые в начале марки, показывают среднее содержание уг-
лерода в сотых долях процента. Например, сталь 12Х18Н10Т со-
держит 0,12 % С, 18 % Сr, 10 % Ni и до 1,5 % Ti.
Сталь 12Х18Н10Т получила широкое применение в химиче-
ской промышленности. Она устойчива к азотной кислоте, к ще-
лочам, нитратам, к газовой коррозии. Благодаря высокому со-
держанию хрома эта сталь может работать при температуре до
800 ÉС. Однако с повышением температуры прочность стали по-
нижается, что следует учитывать при расчетах аппаратов на
прочность. В производстве фосфорной кислоты используют ста-
ли, содержащие молибден и медь, например, 0Х23Н28МЗДЗТ
(ЭИ-943).
Хромистые стали 15Х25Т, 15Х28Т и 15X28 отличаются вы-
сокой стойкостью к окислению и при нагреве открытым пламе-
нем в условиях слабоагрессивной среды выдерживают темпера-
туры 1000–1100 ÉС.
Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до
100 МПа и интервале температур от –196 до 700ÉС можно ис-
пользовать сталь 10Х17Н13М2Т.
Благодаря повышенной химической стойкости высоколеги-
рованные стали находят широкое применение в различных отрас-
72
лях химической промышленности: в производстве сложных
удобрений, фосфорной кислоты, соды и щелочей, в азотной про-
мышленности и в производстве большинства солей. Вследствие
высокой прочности этих сталей аппараты, изготовленные из них,
более легки и надежны, чем изготовленные из углеродистых ста-
лей для тех же условий работы. Однако легированные стали на-
много дороже углеродистых. Поэтому для изготовления химиче-
ской аппаратуры промышленность выпускает двухслойную лис-
товую сталь, состоящую из основного материала (углеродистая
сталь), и защитного (плакирующего) слоя из стали 12Х18Н10Т,
08X13 и др. Но согласно техническим условиям применение
двухслойной стали ограниченно, в частности, для материала, со-
стоящего из ВСтЗсп и 12Х18Н10Т, температурой стенки аппарата
250 ÉС и давлением 5 МПа. Это вызвано различием в значениях
температурного коэффициента линейного расширения основного
и плакирующего слоев.