Конструкционные материалы в химическом аппаратостроении
Специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:
- высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;
- высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;
- хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;
- низкая стоимость и не дефицитность материалов.
Виды конструкционных материалов
Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:
- стали;
- чугуны;
- цветные металлы и сплавы;
- неметаллические материалы.
Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.
Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
- углеродистые обыкновенного качества;
- углеродистые конструкционные;
- легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от хи-мического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1, 2, 3, 4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).
В табл..1 приведены примеры использования углеродистой стали
обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Таблица 1. Углеродистая сталь обыкновенная
| Сталь | Назначение |
| Ст3пс, Ст3сп | Несущие элементы сварных и несварных конструкций, работающих при положительных температурах |
| Ст3пс3. Ст3сп5 | Несущие элементы сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках в интервале температур от - 30 до +425 °С |
| Ст3пс, Ст5сп | Детали клепаных конструкций, трубные решетки, болты, гайки, стержни и другие детали, работающие при температурах от 0 до 425 °С |
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механичес-
кие свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15,20, 25, 30,40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
В табл. 2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.
Таблица 2. Углеродистая сталь конструкционная
| Сталь | Назначение |
| 08кп, 08 пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп | Патрубки, днища, испарители, конденсаторы, труб- ные решетки, трубные пучки, змеевики и другие детали, работающие под давлением при температурах от - 40 до + 425°С |
| 15кп, 15пс, 15, 20кп, 18кп, 20пс, 20, 25 | Патрубки, штуцера, болты, трубные пучки, корпуса аппаратов и другие детали аппаратов в котлотурбо- строении и химическом машиностроении, работаю- щие под давлением при температурах от - 40 до + 425°С, из кипящей стали – от - 20 до + 425 °С |
| 10Г2 | Патрубки, трубные пучки и решетки, змеевики и шту цера, работающие при температурах до - 70 0С под давлением |
Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вво-
дят определенные легирующие добавки. Наиболее распространенные легируюшие добавки:
- хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;
- никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;
- вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;
- молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;
- марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;
- кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;
- ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;
- титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (> 800 °С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:
- низколегированные - с содержанием добавок до 3%;
- среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10%;
- высоколегированные - с содержанием добавок > 10%.
В табл. 3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.
Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
Таблица 3. Легированные конструкционные стали
| Сталь | Назначение |
| Коррозионностойкие стали для применения в слабоагрессивных средах | |
| 08X13, 12X13 | Азотная и хромовая кислоты различной концентрации при темпера- туре не более 25 °С. Уксусная кислота концентрации <5% при температуре до 25 0С. Щелочи (аммиак, едкий натр, едкое кали). Соли органические и неорганические при температуре не более 50 °С и концентрации менее 50% |
| 30X13,40X13 | Обладают повышенной твердостью, хорошей коррозионной стой- костью во влажном воздухе, водопроводной воде, в некоторых ор- ганических кислотах, растворах солей и щелочей, азотной кислоте и хлористом натре при 20 0С |
| 12X17 | Окалиностойкая до 850 °С |
| 10Х14АГ15, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4 | Заменители сталей 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т для оборудования, работающего в слабоагрессивных средах, а также изделий, ра ботающих при повышенных температурах до +400 0С и пониженной температуре до - 196 °С |
| Коррозионностойкие стали для сред средней агрессивности | |
| 08X17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т | Заменители стали марки 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т для сварных кон- струкций, не подвергающихся воздействию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже - 20 °С. Для труб теплообменной аппаратуры. Эксплуатировать в интервале температур 400 - 700 °С не рекомендуется. Стойкие к действию азотной, фосфорной, лимон- ной, уксусной, щавелевой кислот разных концентраций при температурах не более 100 °С |
| 08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т | Заменитель сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Обладает более высо- кой прочностью, чем эти стали, и используется для изготовления сварной аппаратуры, работающей при температуре не выше 300 °С. |
| 12X21Н5Т | Заменитель стали 12Х18Н9Т для сварных и паянных конструкций |
| 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т | Высокая коррозионная стойкость по отношению к азотной, холодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением уксусной, муравьиной, молочной и щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху. Неустойчивы в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Обладают удовлетворительной сопротивляемостью к межкристаллитной коррозии |
| 08Х18Н12Б | Обладает более высокой стойкостью, чем сталь 12Х18Н10Т. Напри мер, сталь устойчива к действию 65% азотной кислоты при температуре не более 50 °С, к действию концентрированной азотной кис- лоты при температуре не более 20 °С, к большинству растворов солей органических и неорганических кислот при разных температурах и концентрациях |
| Х18Н14М2Б, 1Х18М9Т | Используются в производстве формальдегидных смол |
| Х18Н9Т, Х20Н12МЗТ | Используются в качестве конструкционного материала в производстве пластмасс |
| 07X21Г7АН5, 12Х18Н9, 08Х18Н10 | Для сварных изделий, работающих при криогенных температурах до - 253 °С |
| Коррозионностойкие стали для сред повышенной и высокой агрессивности | |
| 04X18Н10, 03Х18Н11 | Для оборудования и трубопроводов в производстве азотной кислоты и аммиачной селитры |
| 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т | Для изготовления сварных изделий, работающих в средах высокой агрессивности. Применяется как жаростойкая сталь при температуре до 600 °С |
| 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, 08Х17Н15МЗТ, 08Х17Н14МЗ, 03Х21Н21М4ГБ | Для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10%-й уксусной кислоты и в сернокислых средах. Сварные корпуса, днища, фланцы и другие де- тали при температуре от - 196 до 600 °С под давлением |
| 06ХН38МДТ. 03ХН28МДТ | Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80 °С в условиях производства серной кислоты различных концентраций |
| 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т | Молочная, муравьиная кислоты при температуре до 20 °С. Едкое кали концентрации до 68% при температуре 120 °С. Азотная кислота концентрации 100% при температуре 70 °С. Соляная кислота, сухой йод концентрации до 10% при температуре до 20 ° С |
К основным видам химико-термической обработки, изделий из стали относятся:
- цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;
- азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;
- алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюми-
нием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800 -1000 °С;
- хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.
Чугуны. Серые чугуньг представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7%, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8÷0,9% находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа – Fе3С). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре раз-
личают:
чугун серый - в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;
чугун белый - в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;
чугун отбеленный - в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;
чугун половинчатый - в структуре которого углерод выделяется частично в связан
ном, а частично в свободном виде.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.
Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует пре
дел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, например,
СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.
Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.
Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процесс кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.
Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3 - 10%). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.
Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугу-
ны, в состав которых входят легирующие элементы, никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:
- низколегированные - легирующих добавок до 3%;
- среднелегированные - легирующих добавок от 3 до 10%;
- высоколегированные - легирующих добавок более 10%.
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему осо-
бые свойства. Например:
- введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна;
- никелевые чугуны с добавкой меди (5 - 6%) надежно работают со шелочами;
- высокохромные (до 30% Сr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений;
- чугун с добавкой молибдена до 4% (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Цветные металлы и их сплавы. Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.
Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3 - 3,5 раза, а на сжатие - в 5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.
Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинка - томпак; до 20% - полутомпак; более 20% - константаны, манганины и др.).
Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкцион-
ного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).
Никель - обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к действию азотной кислоты. Широко приме-
няется в различных отраслях техники, главным образом для получения жаропроч-
ных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повы-
шенной коррозионной стойкостью.
Никельхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислительных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.
Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8 - 10 раз дороже изделий из хромоникелевых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей.
Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколегированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.
Неметаллические конструкционные материалы. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.
Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.
Углеграфитовые материалы - графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой, или графитопласт - прессованная пластмасса на основе фенолформальдегиднои смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.
Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезиеи с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 °С при давлениях до 0,6 МПа.
Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Керамические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют шелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.
Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.
Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0 - 40 °С и давлении до 0,6 МПа.
Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравни-
тельно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от - 50 до +110 °С.
Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:
- полиэтилен - температура от - 60 до +60 °С, давление до 1 МПа,
- полипропилен - температура от - 10 до +100 °С, давление до 0,07 МПа.
Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 °С и давлении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50%), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50%), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.
Текстолит - по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концент-
рацией до 30%), соляной (до 20%), фосфорной (до 25%), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С.
Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенолформальдегидными, кремне-
органическими, эпоксидными и др.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко приме-
няют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40%), серной (до 50%), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.
Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования днищ башенного оборудования сернокислотного производства, для изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900 - 1200 °С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.
Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.