Расчет и конструирование типового оборудования (стр. 3 из 35)

–

коэффициент теплопроводности (Вт/м С); – коэффициент линейного расширения ( С^-1). К технологическим свойствам относятся:

– свариваемость;

– обрабатываемость давлением и резанием.

Остановимся подробнее на перечисленных физикомеханических характеристиках материалов.

Предел прочности – механическое напряжение, при превышении которого происходит разрушение тела. Предел прочности определяют как отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению, к исходному сечению образца.

Необходимо также сделать замечание, касающееся термина "временное сопротивление". Прочность является функцией времени нахождения под нагрузкой. При кратковременном воздействии один и тот же образец может выдержать гораздо большие нагрузки, чем при длительном. При низких температурах (<0,3Т_пл) влияние времени менее ощутимо, чем при высоких. Поэтому для низких температур предел прочности можно считать с достаточной точностью характеристикой материала без указания времени испытания. При высоких температурах обязательно указывается время испытания, и термин "временное сопротивление" является более подходящим по смыслу, чем термин "предел прочности".

Предел текучести – механическое напряжение, при превышении которого удлинение образца начинает возрастать без увеличения действующей на него силы. Другими словами, предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором происходит необратимая пластическая деформация образца без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Ярко выраженную площадку текучести имеют, как правило, пластичные металлы и сплавы (рис.2.1). Для материалов, на диаграмме растяжения которых площадка текучести отсутствует

(штриховая линия), определяют условный предел текучести ^R_p0,2 или ^R_p1,0 , который соответствует напряжению, вызывающему остаточное удлинение соответственно 0,2 или 1,0%.

Рис. 2.1. Типичная кривая растяжения с площадкой текучести для конструкционной стали

Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости E и коэффициентом Пуассона

.

Модуль упругости – отношение нормального напряжения в поперечном сечении цилиндрического образца к относительному удлинению при его растяжении. Модуль упругости – это коэффициент пропорциональности между напряжением σ и относительной деформацией δ вдоль оси нагружения при одноосном нагружении. В литературе можно встретить другое название этой характеристики: модуль растяжения, модуль Юнга - в честь английского ученого Томаса Юнга (1773-1829 гг.), изучавшего упругое поведение стержней.

Линейное соотношение между напряжением и деформацией

Е называют законом Гука - в память о работах другого английского ученого - Роберта Гука (1635-1703 гг.), впервые установившего линейную зависимость между нагрузкой и удлинением. Предельное напряжение в области упругой деформации (участок 0A на рис.2.1), где выполняется линейная зависимость между приложенным напряжением и вызываемой им деформацией, т.е. закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Для материалов, работающих в условиях ударных нагрузок, большое значение имеет такая характеристика прочности, как ударная вязкость (сопротивление удару), которая представляет собою отношение величины работы, затрачиваемой на разрушение образца при испытании ударной (динамической) изгибающей нагрузкой, к площади поперечного сечения образца в ослабленном специальным надрезом месте разрушения. Для испытаний изготавливают стандартные образцы квадратного сечения с надрезом (концентратором напряжения) посередине.

Ударная вязкость, в зависимости от вида концентратора напряжения, обозначается символами KCU, KCV или KCT. Первые две буквы КС обозначают ударную вязкость, а буквы U, V и T - вид концентратора напряжения: U - образец с Uобразным надрезом; V - образец с V-образным надрезом; Т - образец с нанесенной трещиной усталости. Испытания образцов с концентраторами напряжений V и T проводят в случае использования металлов и сплавов для ответственных конструкций.

При проектировании теплообменной аппаратуры большое значение имеют коэффициенты теплопроводности и теплового расширения материала. Коэффициент теплопроводности – коэффициент пропорциональности между плотностью теплового потока и градиентом температуры. Характеризует способность вещества проводить тепло; численно равен количеству энергии, проходящей в единицу времени через единичное сечение образца, на концах которого создана разность температур в один градус.

Коэффициент теплового расширения – величина, характеризующая относительное увеличение размеров тела из определенного материала при увеличении его температуры на один градус. Коэффициенты линейного расширения во всех трех направлениях для большинства тел равны.

2.2. Влияние различных факторов на свойства материалов. Влияние свойств рабочей среды на выбор материала

В большинстве случаев основным фактором для выбора материалов химических аппаратов являются свойства рабочей среды. Коррозионная стойкость материала при заданной концентрации среды, температуре и давлении определяет долговечность химического оборудования.

Коррозионную стойкость оценивают в основном количественными показателями в зависимости от вида коррозии. Для сплошной коррозии основные количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости: глубина проникновения коррозии, линейная скорость коррозии и время проникновения коррозии на допустимую глубину.

При невозможности или нецелесообразности определения количественных показателей коррозионной стойкости допускается использовать качественные показатели, например, изменение внешнего вида поверхности. На основе качественного показателя дают оценку "стоек-не стоек" или "годен-не годен".

В общем случае для изготовления химической аппаратуры должны использоваться конструкционные материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1 мм/год.

Эрозионное воздействие среды (разрушение поверхностного слоя металла под действием ударяющихся в него твердых частиц, капель или потока жидкости или газа) учитывают при значительных скоростях движения среды: жидкостей – более 20 м/с, газов – более 100 м/с или при наличии в среде абразивных частиц.

При конструировании химической аппаратуры необходимо учитывать также и другие виды коррозионного разрушения материалов: коррозионное растрескивание, межкристаллитную, водородную и карбонильную коррозию, азотирование и графитизацию стали.

Коррозионное растрескивание металла наблюдается в ряде случаев в аппаратах, выполненных из легированных сталей и работающих при повышенных давлении и температуре, при совместном действии коррозионной среды и растягивающих напряжений. Разрушение металла при коррозионном растрескивании происходит с образованием трещин внутри кристаллов и по их границам. При наличии в металле напряжений сжатия коррозионное растрескивание не происходит.

Ускоренное растрескивание аппаратов из хромоникелевых сталей с содержанием хрома около 18 % и никеля около 8 % , находящихся под постоянно действующей нагрузкой, имеет место в растворах NaCl, MgCl₂, ZnCl₂, LiCl, H₂S, морской воде.

Латуни обнаруживают склонность к коррозионному растрескиванию в среде аммиака. Хромомолибденовые стали подвержены коррозионному растрескиванию при повышенном содержании кислорода и щелочей в питательной воде. Питательная вода обычного состава (содержание кислорода не более 0,15 мг/л; хлоридов – не более 0,03 мг/л; концентрация щелочей – не более 5 %) не вызывает коррозионного растрескивания. Основные меры защиты металла от коррозионного растрескивания: сведение к минимуму уровня напряжений, снижение местной концентрации напряжений, подбор соответствующих материалов, систематический анализ и контроль содержания кислорода, хлоридов, щелочей в составе рабочей среды.

Межкристаллитная коррозия свойственна аустенитным хромоникелевым сталям. При работе их при температурах выше 400 С по границам зерен образуются карбиды хрома. В результате границы зерен обедняются хромом, что приводит к снижению коррозионной стойкости и ударной вязкости. Склонность стали к межкристаллитной коррозии можно предотвратить ограничением в стали содержания углерода до величины менее 0,04 % и добавлением легирующих элементов, предотвращающих образование карбида хрома (титана, ниобия).

Явление водородной коррозии наблюдается в аппаратах высокого давления при контакте со средой, содержащей газообразный водород. Водородная коррозия стали происходит в результате гидрогенизации ее карбидной фазы водородом, поглощенным металлом при контакте с водородсодержащей технологической средой:

Fe₃C H₂ CH₄ Fe

В результате водородной коррозии изменяется структура стали, происходит межкристаллитное растрескивание; прочностные и пластические характеристики стали необратимо ухудшаются, приводя к преждевременным поломкам и разрушениям. Интенсивность химического взаимодействия водорода с карбидной составляющей стали зависит от температуры и давления водорода, а также от степени легирования стали карбидообразующими элементами. Основной способ защиты стали от водородной коррозии – введение сильных карбидообразующих элементов, повышающих устойчивость карбидной составляющей (хрома, молибдена, титана, ванадия). Однако следует учитывать, что применение сталей, легированных дорогостоящими компонентами, может существенно повысить стоимость оборудования и не всегда может быть приемлемо по техническим причинам, например, из–за отсутствия поковок необходимых размеров из легированной стали. Для защиты стали от водородной коррозии можно футеровать или плакировать сталь материалом, обладающим низкой водородопроницаемостью.