Специфические условия работы производственного оборудования топливно-энергетического комплекса (высокие давление и температура, агрессивная среда, эрозия твёрдыми материалами, вибрация и др.) предъявляют высокие требования к выбору конструкционных материалов при его изготовлении.
Наряду с обычными требованиями высокой коррозионной стойкости в агрессивных средах (например, химический состав), одновременно предъявляются требования высокой механической прочности, жаростойкости и жаропрочности, устойчивости при знакопеременных или повторных нагрузках (циклической прочности), малой склонности к старению.
При выборе материалов для производственного оборудования, работающих под давлением при высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно понижаются.
При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются: предел текучести sТ ; предел прочности sВ ; модуль нормальной упругости Е; коэффициент Пуассона m. Эти характеристики являются основными при расчётах на прочность деталей производственного оборудования, работающего под давлением и при высоких температурах.
При динамических нагрузках кроме указанных выше характеристик необходимо учитывать также и вязкость, которая для многих углеродистых и легированных сталей при низких температурах (< – 40 °С) резко снижается.
Для оборудования, подверженного ударным и пульсирующим нагрузкам при низких температурах, например, следует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью не < 0,2 МДж/м2, а для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болты, шпильки), рекомендуются материалы, у которых ударная вязкость в 2 раза выше.
При высоких температурах значительно снижаются основные показатели прочности металлов и сплавов. Кроме того, поведение металлов под нагрузкой при высоких температурах значительно отличается от такового при обычной температуре. Предел прочности sВ и предел текучести sТ зависят при этом от времени пребывания под нагрузкой и скорости нагружения, т.к. с ростом теипературы металлы из упругого состояния переходят в упругопластическое и под нагрузкой непрерывно деформируются (явление ползучести). Температура, при которой начинается ползучесть, например у обычных углеродистых сталей, составляет ~ 375 °С, для низколегированных сталей ~ 525 °С, для жаропрочных ~ 1000 и >°С.
Поскольку основным способом получения металлических неразъёмных соединений в ПО является сварка, хорошая свариваемость металлов является одним из основных и необходимых условий, определяющих пригодность их для безопасной эксплуатации оборудования.
Учитывая вышеизложенное, при изготовлении оборудования, отвечающего требованиям безопасной эксплуатации, к конструкционным материалам должны предъявляться следующие требования:
– достаточная коррозионная стойкость материала в агрессивной среде;
– достаточная механическая прочность при заданных давлении и температуре;
– наилучшая способность металла свариваться с обеспечением высоких механических и коррозионно-стойких свойств сварных соединений.
Для изготовления производственного оборудования ТЭК, как правило, применяются следующие стали:
– качественные, углеродистые конструкционные – обозначают их двумя цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях %, например, Ст20. Если такие стали можно применять в котельных установках, работающих при высоких температурах, то к этому обозначению добавляется буква К (Ст20К).
– легированные – обозначают комплексом букв и цифр, причём первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях % масс (отсутствие цифр означает, что среднее содержание углерода ~ 0,01), затем последовательно идут буквы, означающие наличие в стали конкретного легирующего элемента, а за каждой буквой одной или двумя цифрами указывается примерное содержание данного элемента в % масс (отсутствие цифр означает, что содержание элемента не > 1,5).
Для обозначения легирующих элементов в марках стали применяются следующие буквенные обозначения: 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 буква А не ставится).
Наличие в конце обозначения марки стали буквы А означает высококачественную сталь, а цифры III (через дефис) – особо высококачественную сталь.
Например, высококачественная сталь марки Х18Н10ТА (нержавеющая) означает состав (% масс): углерода – 0,01; хрома – 18; никеля – 10; титана – 1,5.
8.6 Снижение шума и вибрации производственного оборудования
8.6.1 Снижение шума и вибрации в подшипниковых узлах
Наиболее широкое применение в конструкциях производственного оборудования нашли подшипники качения. Уровни шума и вибрации, генерируемые при работе таких подшипников, зависят от многих факторов (размера, частоты вращения вала, типа тел вращения и др.). При выборе подшипников необходимо учитывать, что уровни шума и вибрации возрастают на 1…2 дБ с увеличением номера, определяющего типоразмер подшипника. Уровень звукового давления от работы роликовых подшипников на 1…3 дБ сильнее такового шариковых подшипников при прочих равных условиях. Уровень виброускорения в роликовых подшипниках превышает таковой у шариковых на 4…6 дБ. Если класс точности изготовления подшипников увеличивается, то уровни шума и вибрации уменьшаются.
Увеличение частоты вращения вала подшипников ведёт к увеличению уровня звукового давления на величину DL, дБ, определяемую по формуле:
DL=23.3 lg(n2/n1), (11)
где n1, n2 - соответственно начальная и конечная частоты вращения вала, с -1.
Значительное влияние на генерацию шума и вибрации оказывает тип и качество смазки.
Шум и вибрация в подшипниковых узлах значительно снижаются при применении специальных вкладышей с высоким коэффициентом затухания колебаний (металловолокнистые, резиновые, пластмассовые). Это происходит благодаря компенсации несовершенства геометрии посадочных мест и виброизоляции корпуса оборудования от подшипника. Суммарный эффект при этом достигается ~ 12…15 дБ.
Значительное влияние на генерируемые уровни шума и вибрации оказывают условия монтажных работ, так различные осевые сдвиги и перекосы установки подшипников в оборудование могут увеличить уровни звукового давления и виброскорости на 13…16 дБ.
Для снижения уровней шума и вибрации в ПО с опорными узлами на основе подшипников качения рекомендуются следующие меры:
– выбирать подшипники минимально необходимых размеров;
– применять однорядные шарикоподшипники;
– применять самоустанавливающиеся опоры;
– применять упругие вкладыши из вибродемпфирующих материалов;
– обеспечивать соосность посадочных мест на валу и в корпусе подшипникового узла;
– обеспечить минимальный радиальный зазор между подшипником и корпусом узла;
– обеспечить параметры шероховатости посадочных мест в соответствии с классом точности выбранного подшипника;
– заполнять камеры подшипниковых узлов смазочным материалом (на 50 %).
8.6.2 Снижение уровней шума и вибрации в зубчатых передачах и редукторах
Шум и вибрация в таких системах возникают как в результате деформации сопрягаемых зубьев под действием передаваемой мощности, так и вследствие динамических процессов, обусловленных дефектами, допущенными при изготовлении и монтаже зубчатых передач. На величину излучаемых шума и вибрации здесь влияют частота вращения валов и передаваемая мощность. Так, например, при двукратном увеличении этих параметров уровень звукового давления возрастает на 5…7 дБ. Снижение уровня генерируемого шума в этом случае возможно за счёт применения: двухступенчатых передач той же мощности; косозубых передач; уменьшения диаметра шестерен и др. Эти меры могут дать снижение уровня звукового давления на 3…6 дБ.
Большое значение для генерации шума имеет материал зубчатых колёс и его термообработка. Например, замена стали на чугун снижает уровни звукового давления на 3…5 дБ; закалка и другие виды термообработки, наоборот, ведут к увеличению уровня звукового давления на 4…6 дБ, т.к. при этом возрастают деформации зубчатых колёс. На величину генерируемого шума также влияет наличие смазочного материала (отсутствие его или наличие могут изменять величину уровня звукового давления в диапазоне ± 10…15 дБ).
Ориентировочно уровень звукового давления L, дБ, генерируемый силовой зубчатой передачей можно определить по формуле:
L= L0 + 20 lgu,(12)
где L0 – поправка на уровень звукового давления, зависящая от качества изготовления зубчатых колёс, дБ (40…55 дБ);
u – окружная скорость вращения зубчатых колёс, м/с.
Шум в редукторах складывается из шума, возникшего в результате колебаний корпусов под действием вибрации, генерируемой при работе зубчатых передач, и шума, производимого воздухом, проникающим через неплотности в корпусе. Для снижения шума редукторов кроме выше приведенных рекомендаций целесообразно покрывать их корпуса звукопоглощающими материалами, а весь редуктор накрывать звукоизолирующим кожухом.
8.6.3 Снижение шума и вибрации, вызванных неуравновешенностью масс вращающихся деталей
Одной из причин возникновения вибрации и шума при работе производственного оборудования является неуравновешенность масс вращающихся деталей. При этом, в зависимости от взаимного расположения осей инерции и вращения, различают статическую и динамическую неуравновешенность.
Статическая неуравновешенность вызвана разностью масс конструктивных элементов, находящихся на диаметрально противоположных сторонах детали, а также кривизной вала, несоосностью поверхности детали с поверхностью шеек вала. При этом суммарная ось инерции и ось вращения параллельны.