Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

321

пониженных рабочих температурах, но не имеющих дефектов, нарушаю-

щих однородность структуры и способствующих концентрации на

пряжений. Технология изготовления аппаратов из таких материалов

должна исключать возможность возникновения высоких начальных

напряжений в конструкции. К таким аппаратам можно отнести сво

бодно опирающиеся емкости для жидких и газообразных продуктов,

содержащихся в них под небольшим избыточным давлением, метал

локонструкции неответственного назначения и др.

При динамическом приложении нагрузки кроме указанных выше

характеристик необходимо учитывать также и величину ударной вяз

кости

. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная

вязкость при низких температурах (обычно ниже –

10 °С) резко пони-

жается, что исключает применение этих материалов в таких условиях.

Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (медь

и ее сплавы, алюминий и его сплавы, никель и его сплавы), а также

хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температураx,

как правило, уменьшается незначительно и пластические свойства этих

материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что и позволя

ет применять их при рабочих температурах порядка до –254 °С.

Для оборудования, подверженного ударным или пульсирующим на

грузкам и предназначенного для работы при низких температурах, сле

дует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью KCU не ниже

3 Дж/см

при рабочих температурах. Для деталей, имеющих концен-

траторы напряжений (болты, шпильки), рекомендуются материалы,

у которых при рабочей температуре величина ударной вязкости KCU

не менее 4 Дж/см

При высокой температуре наблюдается значительное снижение

основных показателей, характеризующих прочностные свойства метал

лов и сплавов. Кроме того, поведение металлов под нагрузкой при вы

соких температурах резко отличается от их поведения при нормальной

температуре внутри производственных помещений. Предел прочности

и предел текучести зависят от времени пребывания под нагрузкой

и скорости нагружения, так как с повышением температуры металл из

упругого состояния переходит в упругопластическое и под нагрузкой

непрерывно деформируется (явление ползучести). Температуры, при

которых начинается ползучесть, у разных металлов различны. Для угле

родистых сталей обыкновенного качества ползучесть наступает уже

при температурах выше

375 °С, для низколегированных сталей — при

температурах выше

525 °С, для жаропрочных— при еще более высоких

температурах.

322

С увеличением времени пребывания металла под нагрузкой характе-

ристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше темпера

тура эксплуатации оборудования. Поэтому при расчете на прочность ап

паратов, работающих длительное время при высоких температурах, до

пускаемые напряжения определяют по отношению к условному пределу

ползучести от или по пределу длительной прочности. Для химической

аппаратуры допускаемая скорость ползучести принимается в пределах

7...10 мм/мм

⋅ч (5...10 % в год), для крепежных деталей — 9...10 мм/мм⋅ч

(7...10 % в год).

Понижение механических свойств при высоких температурах обу-

словлено происходящими в металле структурными и фазовыми пре

вращениями. К структурным изменениям такого рода можно отнести

явление графитизации углеродистой и молибденовой сталей, образова

ние ферритной фазы в хромоникелевых сталях и др., присущие послед

ним при длительной работе металла в условиях высокой температуры.

В ряде случаев стабильность структуры стали в течение длительного

срока службы оборудования удается обеспечить путем термической

обработки стали. В большинстве случаев для аппаратуры, предназна

ченной для работы при высоких температурах, применяются специ

альные марки жаропрочных сталей, характеризуемых достаточной

механической прочностью и стабильностью структуры при высоких

температурах. Наряду с жаропрочностью эти металлы должны обладать

жаростойкостью, т. е. способностью противостоять коррозионному воз

действию среды в условиях длительной работы материала при высоких

температурах. При непрерывном процессе окалинообразования рабочее

сечение металла уменьшается, что приводит к повышению рабочего

напряжения и ухудшению условий безопасной эксплуатации обору

дования.

Некоторые детали аппаратуры (болты, шпильки, пружины и др.)

вследствие повышения пластичности металла при высоких температу

рах работают в условиях постепенного снижения напряжений, вызван

ных первоначально приложенной нагрузкой (затягом), при сохранении

геометрических размеров (явление релаксации напряжений). Расчет

таких деталей следует производить на предварительную нагрузку (за

тяг), обеспечивающую на заданный период времени остаточную на

грузку, необходимую для нормальной работы конструкции.

При выборе конструкционных материалов для технологической ап

паратуры необходимо также учитывать физические свойства материа

лов (теплопроводность, линейное температурное расширение), а также

некоторые другие соображения технико-экономического порядка, такие

323

как технология изготовления аппаратуры, дефицитность и стоимость

материала, наличие стандарта или утвержденных технических усло

вий на его поставку, освоенность материала промышленностью и др.

Создаваемая конструкция технологической аппаратуры должна

быть не только технически совершенной, отвечающей всем требова

ниям современного уровня машиностроения, но и технологичной в из

готовлении, экономичной. Так как стоимость изделия в значительной

мере определяется стоимостью примененных для его изготовления ма

териалов, то при всех прочих равных условиях предпочтение должно

быть отдано более дешевым и менее дефицитным материалам.

В технологическом аппаратостроении основным способом выполне

ния металлических неразъемных соединений является сварка и в ряде

случаев пайка. Хорошая свариваемость металлов является одним из

основных и необходимых условий, определяющих пригодность мате

риала для создаваемой конструкции. Необходимо также стремиться

к максимально возможному, без ущерба для конструкции, сокращению

номенклатуры применяемых марок материалов и типоразмеров.

Аппаратуру не рекомендуется изготовлять целиком из дорогостоя

щих и дефицитных материалов. Технико-экономическая нецелесообраз

ность применения монолитных толстолистовых высоколегированных

сталей и цветных металлов не вызывает сомнения. Коррозии обычно

подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспече

ния амортизационного срока службы аппарата достаточен слой корро

зионностойкого металла толщиной в несколько миллиметров. Таким

образом, представляется целесообразным изготовлять аппаратуру для

активных коррозионных сред из двухслойного проката, облицовочный

слой которого может быть выполнен из требуемого коррозионностой

кого металла или сплава. Например, вместо монолитной толстолисто

вой нержавеющей стали 12

Х18Н10Т или 10X17Н13М2Т целесообраз-

но применять двухслойную листовую сталь 16ГС + 12Х18

Н10Т или

Ст3сп5 + 10Х17Н13М2Т.

В настоящее время металлургической промышленностью освоен ряд

новых марок высоколегированных сталей с малым содержанием нике

ля, которые и рекомендуется применять в технологическом аппарато

строении в качестве заменителей дефицитных хромоникелевых сталей

или сталей с большим содержанием никеля. К таким сталям относятся

08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т и др.

Для активных коррозионных сред наиболее целесообразно изготов

ление технологической аппаратуры из неметаллических материалов:

природных кислотоупоров, керамики, фарфора, стекла, углеграфито

324

вых материалов, пластических масс (фаолита, полиэтилена, винипласта

и др.) или из углеродистой стали, покрытой кислотостойкими эмаля

ми, резиной или пластмассами (для соответствующих сред, давления

и температуры).

В последнее время в конструировании технологической аппаратуры

все большее применение находят композиционные материалы, которые

по механической прочности превосходят даже качественные стали, а по

коррозиционной стойкости не уступают керамике, стеклу и эмалям.

Таким образом, при конструировании технологической аппарату

ры к конструкционным материалам должны предъявлять следующие

требования:

1) достаточная общая химическая и коррозионная стойкость материа-

ла в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой

и давлением, при которых осуществляется технологический про

цесс, а также стойкость против других возможных видов коррозион

ного разрушения (межкристаллитная коррозия, электрохимическая

коррозия сопряженных металлов в электролитах, коррозия под на

пряжением и др.);

2) достаточная механическая прочность при заданных давлении и тем

пературе технологического процесса, с учетом специфических тре

бований, 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 вы

соких механических свойств сварных соединений и коррозионной

стойкости их в агрессивной среде, обрабатываться резанием, давле

нием, подвергаться сгибу и т. п.;

4) низкая стоимость материала, недефицитность и освоенность его про

мышленностью. Необходимо стремиться применять двухслойные

стали, неметаллические материалы, стали с покрытиями из неме

таллических материалов. Номенклатура применяемых материалов

как по наименованию, маркам, так и по сортаменту должна быть

минимальной с учетом ограничений, предусматриваемых ведом

ственными нормами и действующими на заводах-изготовителях

инструкциями;

5) качество, химический состав и механические свойства материалов

и полуфабрикатов должны удовлетворять требованиям соответ

ствующих стандартов и ТУ и быть подтверждены сертификатами

заводов-поставщиков. При отсутствии сертификатов все необхо

325

димые испытания должны быть проведены на заводе-изготовителе

аппарата;

6) возможность простой утилизации при выработке сроков эксплуата

ции оборудования, узлов и деталей.

2.8.2. Основные конструкционные материалы

Основным конструкционным материалом для аппаратуры нефтехи

мии является сталь, поставляемая в виде листового и сортового про

ката, труб или отливок.

Применяют также чугун и цветные металлы. Неметаллические ма

териалы; в том числе полимерные, в качестве конструкционных при

меняют 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 об

работке 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 низ

ких температурах ( от –

250 до + 1100 °С) в вакууме и при повышен-

ных давлениях, в коррозионной и абразивной среде, в условиях трения

скольжения и качения, в условиях ударных, температурных и знакопе

ременных нагрузок и т. д.

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,1 % ) и другими химически

ми элементами (примесями и легирующими добавками).

Легирующие элементы — химические элементы, специально вве

денные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-

химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Мn, Si, Сr,

Ni, Мо, W, Со, Сu, Тi, V, Zr, Nb, Аl, B. В некоторых сталях легирующими

элементами могут быть также Р, N, S, Рb и др. Перечисленные элементы,

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.

326

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав

стали в процессе ее производства как технологические добавки или как

составляющие шихтовых материалов. Их содержание обычно ограни

чивается следующими пределами: Мn

⇐ 0,8 %, Si ⇐ 0,4 %, Сr ⇐ 0,3 %,

⇐ 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 эле

ментам зависит от их количества и роли в стали.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

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 призна

кам.

По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно

подразделяют на углеродистые (без легирующих элементов), низко

легированные, среднелегированные, высоколегированные, сплавы на

основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирую

щих 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 же

леза содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого

другого элемента.

В зависимости от количества легирующих элементов стали называ

ют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми либо

хромоникелевыми, хромомарганцовистыми и т. д.

По назначению стали разделяют на конструкционные, инструмен

тальные 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.

В равновесном состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные,

эвтектоидные и заэвтектоидные.

После охлаждения на воздухе образцов небольшого сечения с тем

пературы приблизительно 900

°С стали подразделяют на перлитные,

бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

327

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества,

качественные, высококачественные и особо высококачественные. Глав

ными признаками по качеству стали являются более жесткие требова-

ния по химическому составу, и прежде всего по содержанию вредных

примесей, таких как фосфор и сера. Содержание фосфора и серы в ста-

лях разной категории качества представлены в таблице 2.10.

Таблица 2.10 — Категории качества сталей

Категория качества

Обыкновен-

ная

Качественная

Высокока-

чественная

Особо

высоко-

качественная

(ЭШП)

Р, %., не более

0,04 0,05 0,025 0,025

S, %., не более

0,05 0,035 0,025 0,015

Категория обыкновенного качества относится только к углеро-

дистым 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 угле

родистые качественные.

СТАЛИ КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ

ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Широко применяются в строительстве и машиностроении, как наи-

более дешевые, технологичные и обладающие необходимым комплек-

сом свойств при изготовлении конструкций массового назначения.

В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии без до

полнительной термической обработки с ферритно-перлитной струк-

турой. Ранее в зависимости от назначения эти стали подразделяли на

3 группы: А, Б и В (табл. 2.11).

Стали группы А поставляют с регламентированными механи-

ческими свойствами. Химический состав их не регламентируется. Ста-

ли применяют в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей

обработке – ковке, штамповке, термической обработке, в связи с чем

механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

328

Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим

составом, без гарантии механических свойств. Их применяют для из

делий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит

от состава сталей, а конечные механические свойства определяются

самой обработкой.

Стали группы В поставляют с регламентируемыми механическими

свойствами и химическим составом. Они применяются для изготов

ления сварных конструкций, так как их свариваемость определяется

химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки опре

делены в состоянии поставки. Стали группы В применяют для более

ответственных деталей.

В настоящее время углеродистые стали не подразделяются на груп

пы и при маркировке не ставятся буквы Б и В.

Углеродистые стали обыкновенного качества, бывают спо

койными (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.

Группа

Поставляет-

ся по:

Марка

стали

Степень рас-

кисления

Способ

выплав-

ки

Категории

Обозначение марки

с содержанием Мn

до 0,8 %

от 0,8 до 1,2 % *

Область

применения

Механи-

ческим

св-вам

Ст0...Ст6

(группа

не ставит-

ся)

Для

СТ0...Ст5

кп, пс, сп

К, М, Б

Ст.3сп Ст3Гкп

Ст3сп2 Ст5Гкп2

Ст3сп3

кп

t от 20

до + 200 °С

P до1,6 МПа

пс сп

t от –20

до + 425 °С

Р до 5 МПа

Хими-

ческому

cоставу

БСт-БСт6

пс, сп

Для

Ст5...Ст6К

К, М, Б

БСт3сп Бст6Гпс2

(МСт3сп)

(КСт3сп)

БСТ3сп2

(МСт3сп)

(КСт3сп)

Механи-

ческим св-

вам и хи-

мическому

cоставу

ВСт0...

ВСт6

Для

Ст5...Ст6К

К, М

ВСт3сп

(ВМСт3сп)

ВСт3сп2

(ВКСт3сп)

ВСт3Гпс4

* в обозначении марки стали стоит буква «Г».

329

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 повышени

ем 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 по

сле 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, ВСт

3сп5 означает, что сталь Ст3, спокойная, группы В, кате-

гории 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются:

химический состав, временное сопротивление при растяжении, пре

дел текучести, относительное удлинение, изгиб, ударная вязкость при

20 °С); Ст2кп означает, что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1

(нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и

относительное удлинение); БСт

5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспо-

койная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2

(нормируется содержание С, Мn, Si, Р, S, As, N, Сr, Ni, Сu).

СТАЛИ УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ

Углеродистые конструкционные качественные стали обознача-

ют двузначным числом, указывающим среднее содержание углерода

в сотых 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 15

Г, 20Г, 25Г, ..., 65Г, имею-

щих повышенную прокаливаемость. Низкоуглеродистые стали марок

08, 08кп, 08пс относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего

в отожженном 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 ана

логичные стали с повышенным содержанием марганца 30

Г, 40Г, 50Г

применяют для изготовления самых разнообразных деталей машин.

При этом в зависимости от условий работы деталей применяют различ

330

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 механи

ческих свойств и соответствующая обработка.

2.8.2.1.2. Легированные стали

Легированные стали — это сплавы на основе железа, в химический

состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечи

вающие при определенных способах производства и обработки требуе

мую структуру и свойства. В легированных сталях содержание отдель

ных 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 содер

жании в стали в сотых долях процента. Иногда такие стали называют

микролегированными.

Легированные стали маркируются комплексом цифр и букв, при

чем первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях

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 %).

Обозначения в марках

стали: 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 обо

значения не ставятся). Буква «А» в конце марки указывает, что сталь

относится к категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква

в середине марки – сталь легирована азотом (16

Г2АФ), в начале марки

буква «А» указывает на то, что сталь повышенной обрабатываемости

(автоматная) — А35

Г2. Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь

повышенной обрабатываемости (автоматная) со свинцом (АС35Г2),

а Ш (через дефис) означает особо высококачественную.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают при

мерное количество того или иного элемента, округленное до целого

числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру

за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается

в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инстру