1.4.Нормативные документы, используемые при проектировании оборудования
Приступая к конструированию оборудования для химических предприятий, специалисты в первую очередь оценивают возможности использования существующих образцов машин и аппаратов аналогичного назначения в качестве отправной точки. Рассматриваются действующие варианты кинематических схем, приводов, рабочих инструментов и степень свободы принятия собственных решений (факторов решения).
Проектирование химического и любого другого оборудования производится на единой нормативно-технической базе, которая устанавливает требования к порядку разработки, содержанию и оформлению документации.
Создание эффективного оборудования невозможно без качественно подготовленной документации, для разработки которой используются единые системы стандартов для каждого этапа проектных работ:
конструкторская документация – ЕСКД;
технологическая документация – ЕСТД;
защита материалов и изделий от коррозии и старения – ЕСЗКС;
допуски и посадки – ЕСДП;
безопасность труда – ССБТ и другие.
Кроме того, при проектировании химического оборудования для работы в особых условиях, например под повышенным и избыточным давлением, высоких или экстремальных температурах, должны учитываться требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» и других документов Госгортехнадзора. В отдельных отраслях действуют собственные нормативные документы, которыми устанавливаются дополнительные требования к технологическому оборудованию, учитывающие отраслевую или индивидуальную специфику производства.
Термин «проектирование» является наиболее широким понятием, включающим в себя конструирование, информационную и технологическую подготовку, разработку всех видов технической документации, включая ее корректировку по результатам испытаний опытных образцов оборудования. Существенной особенностью аппаратов и машин для химической промышленности является то, что они являются частью объектов более высокого уровня иерархии (технологических линий, производств и предприятий) с обширной инфраструктурой (инженерные коммуникации, системы защиты среды и прочее). По этой причине создание такого оборудования превращается в процесс, который называется проектирование мегакомплексов.
11
Конструкторская (инженерная) документация определяет составные части оборудования, принцип его работы, используемые для изготовления материалы, правила эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. Технологическая (функциональная) документация определяет правила изготовления деталей оборудования (используемые станки, инструмент, расходные материалы, режимы обработки и прочее), защиту от коррозии, компоновку и монтаж машин, аппаратов и сопутствующей инфраструктуры и т. д.
Документация по безопасности труда предусматривает организацию и оснащение рабочих мест (инструменты, средства индивидуальной защиты, материалы, приспособления), правила (инструкции) обращения с оборудованием, меры личной и производственной безопасности, квалификационный уровень персонала и другое. Полный набор документации составляет проект, который осуществляется в следующей последовательности.
2.КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАССООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Материалы для изготовления химического оборудования следует выбирать, учитывая специфику их эксплуатации и предусматривая то обстоятельство, что физико-химические свойства материалов могут измениться под воздействием рабочих и агрессивных сред, высоких или низких температур и протекающих на производстве химико-технологических процессов. Поэтому при выборе материала для того или иного оборудования следует руководствоваться установленными в нашей стране стандартами.
Чтобы максимально правильно подобрать материал к оборудованию, следует сначала выяснить, в каких рабочих условиях он будет находиться. То есть, какая будет температура, давление, обрабатываемая среда и ее концентрация. При выборе конструкционного материала для химического оборудования очень важно учесть физические (температурное расширение, теплопроводность) и механические (твердость, предел прочности и так далее) свойства материала, а так же его химическую стойкость.
Однако одним из самых главных требований к материалу для изготовления химического оборудования является его коррозийная стойкость. Коррозии, как правило, подвергается не наружная поверхность химических аппаратов, а внутренняя. Именно от коррозийной стойкости будет зависеть, насколько долго прослужит промышленное оборудование.
Для изготовления технологической аппаратуры химических и нефтехимических производств используют конструкционные материалы, стойкие и весьма стойкие в агрессивных средах. Материалы пониженной стойкости применяют в исключительных случаях.
12
При выборе материалов для оборудования, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры.
При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются предел текучести σт (условный предел текучести σ0,2 или σ1,0) и временное сопротивление σв. Упругие свойства металлов характеризуются значениями модуля упругости Е и коэффициентом Пуассона µ.
Эти характеристики являются основными при расчетах на прочность деталей аппаратуры, работающей под давлением при низких (-254…-40 °С), средних (-40…+200 °С) и высоких (выше +200 °С) температурах.
Для работы при низких температурах по нормам Ростехнадзора РФ следует выбирать металлы, у которых порог хладоломкости меньше заданной рабочей температуры. Следует отметить, что в химической промышленности на протяжении многих лет безаварийно эксплуатируется при рабочих температурах до -40 °С большое количество аппаратов, трубопроводов, арматуры, насосов и другого оборудования, изготовленного из углеродистой стали обыкновенного качества и из серого или ковкого чугуна, т. е. из материалов, имеющих ударную вязкость KCU < 20 Дж/см2 при указанной температуре. Поэтому при выборе металла для работы при низких температурах следует исходить не только из его ударной вязкости, но и учитывать величину и характер приложенной нагрузки (статическая, динамическая, пульсирующая), наличие и характер концентраторов напряжений и чувствительность металла к надрезам, начальные напряжения в конструкции, способ охлаждения металла (хладоагентом или окружающей средой).
При статическом приложении нагрузки в ряде случаев допускается изготовление оборудования из металлов, приобретающих хрупкость при пониженных рабочих температурах, но не имеющих дефектов, нарушающих однородность структуры и способствующих концентрации напряжений. Технология изготовления оборудования из таких материалов должна исключать возможности возникновения высоких начальных напряжений в конструкции.
При динамических нагрузках, кроме указанных выше характеристик, необходимо учитывать также ударную вязкость. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже -10 °С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких рабочих условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (меди, алюминия, никеля и их сплавов), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температурах, как правило, уменьшается незначительно, и пластические свойства этих мате-
13
риалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что позволяет применять их при рабочих температурах до -254 °С.
Для оборудования, подверженного ударным или пульсирующим нагрузкам и предназначенного для работы при низких температурах, следует применять металлы и сплавы с ударной вязкостью KCU > 30 Дж/см2. Для деталей, имеющих концентраторы напряжений (болтов, шпилек), рекомендуются материалы, у которых при рабочей температуре ударная вязкость KCU > 40 Дж/см2.
При высокой температуре наблюдается значительное снижение основных показателей, характеризующих прочностные свойства металлов и сплавов. Временное сопротивление σв и предел текучести σт зависят от времени пребывания под нагрузкой и скорости нагружения, так как с повышением температуры металл из упругого состояния переходит в упругопластическое и под действием нагрузки непрерывно деформируется (явление ползучести).
С увеличением времени пребывания металла под нагрузкой характеристики прочности уменьшаются тем значительнее, чем выше температура эксплуатации оборудования. Поэтому при расчете на прочность аппаратов, работающих длительное время при высоких температурах, допускаемые напряжения определяют по отношению к условному пределу ползучести σпл или по пределу длительной прочности σдл. Для химической аппаратуры допускаемая скорость ползучести принимается < 10-7 мм/(м*ч) (10-5 % в
год), для крепежных деталей < 10-9 мм/(м*ч) (10-7 % в год).
Аппаратуру не рекомендуется изготовлять целиком из дорогостоящих и дефицитных материалов. Коррозии обычно подвержена лишь внутренняя поверхность аппаратов. Для обеспечения амортизационного срока службы аппарата достаточен слой коррозионностойкого 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 коррозионностойкого металла или сплава. Например, вместо монолитной толстолистовой стали 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т целесообразно применять двухслойную листовую сталь 16ГС+12Х18Н10Т или СтЗсп+10Х17Н1ЗМ2Т.
В настоящее время металлургической промышленностью освоен ряд новых марок высоколегированных сталей с малым содержанием никеля, которые рекомендуется применять в химическом машиностроении в качестве заменителей дефицитных хромоникелевых сталей или сталей с большим содержанием никеля. К таким сталям относятся 08Х22Н6Т, 08X21Н6М2Т и др.
14
В последнее время в конструировании химической аппаратуры все большее применение находят композиционные материалы, которые по механической прочности превосходят даже качественные стали, а по коррозионной стойкости не уступают керамике, стеклу и эмалям.
Таким образом, при конструировании химической аппаратуры к конструкционным материалам должны предъявляться следующие требования:
1)достаточная общая химическая и коррозионная стойкости материала в агрессивной среде с заданными концентрацией, температурой и давлением, при которых осуществляется технологический процесс, а также стойкость против других возможных видов коррозионного разрушения (межкристаллитной, электрохимической, сопряженных металлов в электролитах, под напряжением и др.);
2)достаточная механическая прочность при заданных значениях давления и температуры технологического процесса, с учетом специфических требований в ходе испытаний оборудования на прочность, герметичность и дополнительные нагрузки (ветровой, собственного веса и др.);
3)способность материала хорошо свариваться с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений и коррозионной стойкости их в агрессивных средах, обрабатываться резанием, давлением, подвергаться изгибу и др.;
4)низкая стоимость материала, недефицитностъ и освоенность его промышленностью;
5)возможность простой утилизации при выработке сроков эксплуатации оборудования, узлов и деталей.
2.1. Стали
Стали и сплавы на основе железа являются наиболее распространенными и конструкционными материалами при изготовлении химического оборудования. Сталь обладает хорошей прочностью, низкой стоимостью по отношению к другим конструкционным материалам, весьма технологична при обработке и изготовлении полуфабрикатов и оборудования.
В зависимости от количества примесей и легирующих добавок конструкционные стали подразделяются на следующие основные группы:
-углеродистая сталь обыкновенного качества;
-качественная углеродистая сталь;
-низколегированная сталь;
-легированная сталь;
-высоколегированные жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы;
-двухслойные конструкционные стали.
Сталь, как и чугун, представляет собой в общем случае сплавы на основе железа и углерода. В сталях может содержаться от 0,08 % до 2,14 % углерода, в чугунах – от 2,14 % до 6,67 %.
15