Беляев В.М., Миронов В.М. Конструирование и расчет элементов оборудования отрасли. Часть 1: Тонкостенные сосуды и аппараты химических производств

Подождите немного. Документ загружается.

131

Приложение 1

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

СТАЛЬ

Сталь углеродистая обыкновенного качества.

В зависимости от на-

значения и гарантируемых характеристик сталь углеродистая обыкновенного

качества (ГОСТ 380—71*) подразделяется на три группы: сталь группы А

поставляется по механическим свойствам и изготовляется следующих марок:

Ст0, Ст1 — Ст6; сталь группы Б поставляется по химическому составу и из-

готовляется следующих марок: БСт0, БСт1—БСт6; сталь группы В поставля-

ется

по механическим свойствам и химическому составу и изготовляется

следующих марок: ВСт1—ВСт5.

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы под-

разделяется на следующие категории: сталь группы А-1,2,3; сталь группы Б-

1,2; сталь группы В-1-6. Указанные категории не распространяются на лис-

товую сталь толщиной менее 4 мм.

Сталь всех групп с номерами

марок 1—4 по степени раскисления изго-

товляется кипящей (наименее раскисленной и наиболее дешевой), спокойной

(наиболее раскисленной и дорогой) и полуспокойной; с номерами марок 5 и 6

—спокойной и полуспокойной. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскис-

ления не разделяются. Если степень раскисления в заказе не указана, то она

выбирается предприятием-изготовителем.

Полуспокойная сталь с номерами марок 1—5 производится с обычным

и повышенным содержанием марганца. Сталь марок ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех

категорий и степеней раскисления, в том числе с повышенным содержанием

марганца, а по требованию заказчика также сталь марок БСт1, БСт2, БСтЗ

2-й категории всех степеней раскисления (включая сталь с повышенным со-

держанием

марганца) поставляется с гарантией свариваемости; поставка ста-

ли группы Б с гарантией свариваемости оговаривается в заказе.

Обозначение марок стали включает:

а) буквы Ст — сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки, в за-

висимости от химического состава и механических свойств, например: Ст0,

Ст1.

б) буквы Б и В перед буквами Ст — группа

стали; группа А не указыва-

ется, например: СтЗ, БСтЗ, ВСтЗ;

в) буквы, добавляемые после номера марки, обозначают степень рас-

кисления: кп— кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная, например:

СтЗкп, СтЗпс, ВСтЗсп;

г) цифры, добавляемые в конце обозначения, указывают на категорию

стали, например, СтЗпс, БСтЗкп2; 1-я категория в обозначении марки не ука-

132

зывается; при заказе стали необходимой категории без указания степени рас-

кисления номер марки и категорию отделяют друг от друга тире, например:

СтЗ—2, БСтЗ—2;

д) буква Г после номера стали обозначает повышенное содержание

марганца, например, СтЗГпс.

Таблица I

Допускаемые напряжения для углеродистых и легированных сталей

°C

Допускаемые напряжения [σ], МПа, для сталей марок:

ВСтЗ

20,

20К

09Г2С,

10Г2С1,

16ГС

10Г2 12ХМ 12МХ 15ХМ 15Х5М 15Х5М-У

20 140 147 183 180 147 147 155 146 240

100 134 142 160 160 — — — 141 235

150 131 139 154 154 — — — 138 230

200 126 136 148 148 145 145 152 134 225

250 120 132 145 145 145 145 152 127 220

300 108 119 134 134 141 141 147 120 210

350 98 106 123 123 137 137 142 114 200

375 93 98 116 108 135 135 140 110 180

400 85 92 105 92 132 132 137 105 170

410 81 86 104 86 130 130 136 103 160

420 75 80 92 80 129 129 135 101 150

430 71* 75 86 75 127 127 134 99 140

440 — 67 78 67 126 126 132 96 135

450 — 61 71 61 124 124 131 94 130

460 — 55 64 55 122 122 127 91 126

470 — 49 56 49 117 117 122 89 122

480 — 46** 53 46** 114 114 117 86 118

490 — — — — 105 105 107 83 114

500 — — — — 96 96 99 79 108

510 — — — — 82 82 84 72 97

520 — — — — 69 69 74 66 85

530 — — — — 60 57 67 60 72

540 — — — — 50 47 57 54 58

550 — — — — 41 — 49 47 52

560 — — — — 33 — 41 40 45

570 — — — — — — — 35 40

580 — — — — — — — 30 34

590 — — — — — — — 28 30

600 — — — — — — — 25 25

* Для расчетной температуры стенки 425°C.

** Для расчетной температуры стенки 475°C.

133

Примечания:

1. При расчетных температурах ниже 20°C (при условии допустимого приме-

нения материала при данной температуре) допускаемые напряжения принимаются

такими же, как и при температуре 20°C.

2. Для промежуточных значений расчетных температур стенки допускаемое

напряжение определяется линейной интерполяцией с округлением результатов до

0,5 МПа в сторону меньшего значения.

3. Для стали марки 20 с минимальным значением предела текучести при 20°С

т20

< 220 МПа допускаемые напряжения, указанные в настоящем приложении,

умножаются на отношение s

т20

/220.

4. Для стали марки 10Г2 с условным минимальным пределом текучести при

20°C s

0.2т20

< 280 МПа допускаемые напряжения, указанные в настоящем приложе-

нии, умножаются на отношение s

0.2т20

/ 280.

Сталь углеродистая качественная конструкционная

(ГОСТ 1050—

74) поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Марки

стали: 05кп; 08кп; 08пс; 08; 10кп; 10пс; 10; 15кп; 15пс; 15; 20кп; 20пс; 20; 25;

30; 35; 40; 45; 50; 55; 58; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 60Г. В обозначении марок дву-

значные числа соответствуют среднему содержанию (массовой доле) углево-

да в сотых долях процента; буква Г означает повышенное содержание Mn;

буквы кп означают, что сталь кипящая (наименее

раскисленная и наиболее

дешевая), буквы пс — полуспокойная; отсутствие букв кп и пс означает спо-

койную (наиболее раскисленную и дорогую) сталь.

Современные крупные установки химической, нефтехимической и неф-

теперерабатывающей промышленности (синтеза метанола, гидрирования

нефтяных сред и др.) характеризуются применением аппаратуры, работаю-

щей при высоких давлениях и температурах до 550—600°С, с применением

водорода

и его соединений в качестве одной из реакционных сред. Для изго-

товления этой аппаратуры используют преимущественно хромомолибдено-

вые и хромистые стали. Стали, содержащие молибден, отличаются от угле-

родистых более высокими показателями механических свойств при повы-

шенных температурах. Поэтому рекомендуемая область их применения рас-

ширяется до 560°С. Трубы из сталей с

содержанием от 5 до 8% хрома отли-

чаются от труб из углеродистых сталей более высокой коррозионной стойко-

стью в серосодержащих средах. Поэтому их часто применяют в теплообмен-

ных аппаратах даже при умеренных температурах, но при повышенной аг-

рессивности сред. Стали, содержащие относительно небольшое количество

хрома (0,5—1%), отличаются повышенной стойкостью к водородной корро-

зии.

134

Таблица II

Допускаемые напряжения для высоколегированных сталей

°C

Допускаемые напряжения [σ], МПа, для сталей марок

08X22Н6Т

08X21Н6М2Т

03Х21Н21М4ГБ

03Х18Н11

03Х16Н15М3

06ХН28МДТ

03ХН28МДТ

08X18Н10Т

08X18Н12Т

08X17Н13М2Т

08X17Н13М3Т

12X18Н10Т

12X18Н12Т

10X17H13M2T

10Х17Н13МЗТ

20 240 180 160 153 147 140 160

100 207 173 133 140 138 130 152

150 200 171 125 130 130 120 146

200 193 171 120 120 124 115 140

250 173 167 115 113 117 110 136

300 167 149 112 103 110 100 130

350 — 143 108 101 107 91 126

375 — 141 107 90 105 89 124

400 — 140 107 87 103 86 121

420 — — 107 82 — 85 120

440 — — 107 81 — 84 118

450 — — 107 80 — 84 117

460 — — — — — 83 116

480 — — — — — 82 115

500 — — — — — 81 113

520 — — — — — 79 112

540 — — — — — 78 111

550 — — — — — 76 111

560 — — — — — 73 101

580 — — — — — 65 90

600 — — — — — 57 74

620 — — — — — — 62

640 — — — — — — 52

650 — — — — — — 48

660 — — — — — — 45

680 — — — — — — 38

700 — — — — — — 30

Примечания:

1. При значениях расчетных температур ниже 20°С допускаемые напряжения при-

нимаются такими же, как и при температуре 20°С, при условии, если допустимо примене-

ние материала при данной температуре.

2. Для промежуточных значений расчетных температур стенки значение допускае-

мого напряжения определяется интерполяцией с округлением результатов до 0,5 МПа в

сторону меньшего значения.

135

3. Для сталей марок 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13МЗТ с

0,2

< 240 МПа при температуре 20°С допускаемые напряжения, указанные в настоящей

таблице, при температурах до 550 °С, умножаются на отношение

0,2

/240.

4. Для сталей марок 08Х18Н10Т и 08Х18Н12Т с

0,2

< 210 МПа допускаемые на-

пряжения, указанные в настоящей таблице, умножаются на отношение

0,2

/210.

5. Для сталей марок 08X22H6T и 08Х21Н6М2Т допускаемые напряжения, приве-

денные в настоящей таблице, умножаются на 0,96. При

0,2

< 350 МПа допускаемые на-

пряжения умножаются на 0,96

0,2

/350. Для стали 03X21Н21М4ГБ допускаемые напряже-

ния умножаются на 0,93, для стали 03Х18Н11 — на 0,83, для стали 03Х16Н15М3 — на

0,87.

6. Стали марок 10Х17Н13МЗТ, 12Х18Н10Т и 12Х18Н12Т при расчетных темпера-

турах свыше 600°С применять не рекомендуется.

Таблица III

Средние температурные коэффициенты линейного расширения α сталей

при температуре 20—100°С

Марка

стали

α·10

-1

Марка стали

α·10

-1

Марка стали

α·10

-1

Марка стали

α·10

-1

Углеродистые

стали

Легированные стали

Коррозионностойкие

(нержавеющие) стали

Ст08кп 11,66 15Х, 20Х 11,3 Х9С2 11,3 Х18Н25С2 14,2

15 12,18 30Х 12,2 Х6М 12,6 Х18Н9(ЭЯ1) 17,3

20 11,16 15ХФ; 20ХФ 12,0 Х12М 11,2 1Х18Н9Т(ЭЯ1Т) 16,6

25 12,18 25ХФ 11,9

30X113;

ЗОХНЗА

11,4 2Х18Н9(ЭЯ2) 17,5

30 11,09 15М 12,0 Х18Н11Б 16,7

40 11,21 20М 11,2 Х18Н9М 17,3

45 11,59 15ХМ 11,9 ЗЗХНЗМА 10,8

50 12,0

20ХМ;

20ХМА

12,1

1Х14Н14В2М

(ЭИ257)

16,6

ЗОХМ;

ЗОХМА

12,3 10Х2Ф 12,2

35ХМ;

35ХМА

12,3 40ХФА 11,0

15ХС 11,9 10Х2ФВ 10,5

38ХС; 40ХС 11,7 12ХМФ 13,6

25Х2МФА 11,3

136

Сталь легированная конструкционная (ГОСТ 4543—71) в зависимо-

сти от химического состава и свойств делится на категории: качественная,

высококачественная — А; особовысококачественная — Ш.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь делится на

группы: хромистая, марганцовистая, хромомарганцевая, хромокремнистая,

хромо-молибденовая и хромомолибденованадиевая, хромованадиевая, нике-

лемолибденовая, хромоникелевая и хромоникелевая с бором, хромокремне-

марганцевая и хромокремнемарганцевоникелевая, хромомарганцевоникеле-

вая и

хромомарганцевоникелевая с титаном и бором, хромоникелемолибде-

новая, хромоникелемолибденованадиевая и хромоникелеванадиевая, хромоа-

люминиевая и хромоалюминиевая с молибденом.

По видам обработки сталь делится на горячекатаную и кованую (в том

числе с обточенной или ободранной поверхностью), калиброванную, круг-

лую со специальной отделкой поверхности (серебрянка).

В зависимости от назначения горячекатаная и кованая сталь делится на

подгруппы: а — для горячей обработки давлением и, холодного волочения

(подкат); б — для холодной механической обработки (обточки, строгания,

фрезерования и др.) по всей поверхности.

В обозначении марок первые две цифры соответствуют среднему со-

держанию углерода в сотых долях процента; буквы за цифрами означают: Р

— бор, Ю — алюминий, С —кремний,

Т — титан, Ф — ванадий, X — хром,

Г — марганец, Н — никель, М — молибден, В — вольфрам; цифры, стоящие

после букв, указывают примерное содержание легирующего элемента в це-

лых единицах (отсутствие цифры означает, что в марке содержится до 1,5%

этого легирующего элемента). Буква А в конце марки означает высококаче-

ственную сталь. Особовысококачественная сталь обозначается буквой Ш

, че-

рез тире в конце марки. Например: качественная — 30ХГС, высококачест-

венная — 30ХГСА, особовысококачественная — 30ХГСА-Ш.

Таблица IV

Минимальное значение предела текучести (σ

, МПа) углеродистых и

низколегированных сталей

t, °С

Марка стали

t, °С

Марка стали

ВСтЗ 10

20,

20К

09Г2С,

16ГС

ВСтЗ 10

20,

20К

09Г2С,

16ГС

20 210 195 220 280 350 147 132 159 185

100 201 188 213 240 375 140 123 147 174

150 197 183 209 231 400 — — — 158

200 189 177 204 222 410 — — — 156

250 180 168 198 218 420 — — — 138

300 162 150 179 201 — — —

137

Стали и сплавы высоколегированные. Высоколегированные дефор-

мируемые стали и сплавы на железной, железоникелевой и никелевой осно-

вах по ГОСТ 5632—72* предназначены для работы в коррозионно-активных

средах и при высоких температурах. К этим сталям условно отнесены спла-

вы, в которых содержание железа более 45%, а суммарное содержание леги-

рующих элементов не менее 10%.

В зависимости от основных свойств

стали и сплавы подразделяют на

следующие группы:

I — коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие

стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосфер-

ной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной корро-

зии, коррозии под напряжением и др.;

II—жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стой-

костью против химического разрушения поверхности в газовых средах

при

температурах выше 550 °С, работающие в ненагруженном или слабонагру-

женном состоянии;

III—жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном

состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и

обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Сортамент высоколегированных сталей приведен в ГОСТ 5632—72*,

ГОСТ 5582—75, ГОСТ 5948—75, ГОСТ 7350—77, ГОСТ 20072—74 и др.

Наибольшее применение в химической и

нефтеперерабатывающей

промышленности нашли хромоникелевые и хромомолибденовые стали. В те-

плообменных аппаратах эти стали применяют преимущественно для изго-

товления деталей трубного пучка. Для деталей кожуха и распределительных

камер эти стали используют, если диаметр аппарата не превышает 600 мм.

Для изготовления корпусов и распределительных камер аппаратов диамет-

ром 800 мм и более, как правило, применяют

биметаллы с плакирующим

слоем из хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей [4].

С целью экономии дефицитного никеля, все более широко используют

стали 0Х22Н6Т (21—23% Сг; 5,3—6,3% N1) и 0Х21Н6М2Т (20—22% Сг;

5,5—5,6% Ni и 1,8—2,5% Мо). Из этих сталей изготовляют трубы и листы,

которые во многих случаях при температуре среды до 300 °С можно успешно

использовать

в теплообменных аппаратах вместо труб и листов из сталей

12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т.

138

Таблица V

Минимальное значение предела текучести (σ

, МПа) теплостойких и ки-

слотостойких сталей

t, °С

Марка стали

12ХМ

12МХ

15ХМ

15Х5М

12Х18Н10Т

12Х18Н12Т

10Х17Н13М2Т

10Х17Н13МЗТ

08Х18Н10Т;

08Х18Н12Т

08Х17Н13М2Т

08XI7H15M3T

20 240 220 240 210 200

100 235 210 228 195 195

150 226 207 219 180 180

200 218 201 210 173 173

250 218 190 204 165 165

300 212 180 195 150 150

350 206 171 190 137 137

375 202 164 186 133 133

400 198 158 181 129 129

420 194 152 180 128 128

440 — — 177 126 126

460 — — 174 125 125

480 — — 173 123 123

500 — — 170 122 122

520 — — 168 119 119

530 — — 167 119 119

Таблица VI

Расчетные значения модуля нормальной упругости (Е 10

-5

, МПа) сталей

t°C

углероди-

стых и

низколе-

гирован-

ных

жаро-

прочных

и жаро-

стойких

аусте-

нитных

теплоустой-

чивых и

коррозион-

но-стойких

хромистых

t°C

углероди-

стых и низ-

колегиро-

ванных

жаро-

прочных

и жаро-

стойких

аусте-

нитных

теплоустой-

чивых и

коррозион-

но-стойких

хромистых

20 1,99 2,0 2,15 400 1,55 1,80 1,78

100 1,91 2,0 2,15 450 1,40 1,74 1,71

150 1,86 1,99 2,05 500 1,67 1,63

200 1,81 1,97 1,98 550 1,60 1,54

250 1,76 1,94 1,95 600 — 1,52 1,40

300 1,71 1,90 1,90 650 1,43 —

350 1,64 1,85 1,84 700 1,32 —

139

Таблица VII

Модуль продольной упругости (Е 10

-5

, МПа) сталей

Темпе-

ратура t,

°С

Сталь

углеродистая

Сталь

легированная

Темпе-

ратура

t, °С

Сталь

углеродистая

Сталь

легированная

20 1,99 2,00 400 1,55 1,81

100 1,91 2,00 450 1,40 1,75

150 1,86 1,99 500 — 1,68

200 1,81 1,97 550 — 1,61

250 1,76 1,94 600 — 1,53

300 1,71 1,91 650 — 1,45

350 1,64 1,86 700 — 1,36

Таблица VIII

Коэффициент линейного расширения (α·10

, 1/К) сталей

Температура

t, °С

Марка стали

35Х

35ХА

12ХМ

15Х5М

15ХМ

20Х2МА

20Х3М

20—100 12,2 12,0 11,2 13,1 12,2 11,2 12,0 11,9 11,5 11,6

20—200 12,5 12,4 12,1 13,3 12,9 12,5 12,1 12,6 12,9 11,8

20—300 12,8 12,9 12,8 13,8 13,1 12,7 12,2 13,2 13,0 12,1

20—400 13,3 13,3 13,4 14,2 13,4 12,9 12,3 13,7 13,2 12,3

20—500 13,8 13,7 13,9 14,6 13,8 13,2 12,7 14,0 13,5 12,7

20—600 14,2 14,1 14,4 14,8 14,1 13,9 13,0 14,3 13,8 12,9

20—700 — — — — — — 13,1 — — —

Температура

t, °С

Марка стали

12Х18Н10Т

12Х18Н12Т

10Х17Н13М2Т

18Х12ВМБФР

20Х1М1Ф1БР

25Х2МФА

25Х1МФ

25Х2М1Ф

45Х14Н14В2М

37Х12Н8Г8МФБ

20—100 16,6 16,0 15,7 10,8 12,3 11,3 10,9 12,5 17,0 15,9

20—200 17,0 17,0 16,1 11,2 12,3 11,8 12,0 12,9 17,0 17,1

20—300 17,2 18,0 16,7 12,3 12,3 12,7 12,7 13,6 17,0 18,2

20—400 17,5 18,0 17,2 12,9 12,3 13,9 13,6 13,7 17,5 19,2

20—500 17,9 18,0 17,6 13,1 12,7 14,2 13,7 14,0 18,0 20,3

20—600 18,2 18,5 17,9 13,5 12,8 14,6 13,8 14,7 18,0 21,2

20—700 18,6 19,0 18,2 — 13,8 — — — 18,5 22,2

20—800 — — — — — — — — 19,0 —

140

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления деталей

машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрес-

сивности и при низких температурах. Основным показателем качества цвет-

ных металлов является их чистота, определяемая минимальным содержанием

примесей. Свойства, особенно прочностные, изделий из цветных металлов и

их сплавов в большой мере зависят

от технологии изготовления, размеров и

термической обработки.

Таблица IX

Плотность ρ некоторых материалов (средние значения)

Материал ρ, г/см

Алюминий:

Медь:

кованый 2,75 чистая 8,93

литой 2,55—2,6 красная литая 8,3—8,9

литейные сплавы 2,5—2,94 красная кованая 8,9—9,0

Асбест листовой

(картон)

1,2 красная прокатная 8,9—9,0

Баббит:

красная в проволоке 8,93—8,95

Б83 7,46 электротехническая 8,9—8,95

БН, БТ, Б16 9,73

Молибден

10,3

Б6 10,04

Сплавы подшипниковые:

Бронза:

на основе алюминия 2,8—2,86

алюминиевая 7,7—8,2 на основе магния 1,8

бериллиевая 8,23 на основе цинка 6,1—6,3

марганцовистая 7,63 сталь углеродистая

7,65—7,85

оловянная 8,7—8,9 и легированная

оловянно-

свинцовая

9,2

Твердые сплавы:

оловянно-

цинковая

8,8 вольфрамокобальтовые 13,9—15,4

свинцовая 9,4 титановольфрамовые 6,5—13,6

Вольфрам

19,3

Дюралюминий

2,6—2,9

Чугун:

Латунь:

серый 6,8—7,4

литая 8,3—8,6 белый 7,4-7,7

тянутая 8,43—8,73 ковкий 7,2-7,4

Магниевые сплавы

1,76—1,83 высоколегированный 5,5—7,5