Углеродистая сталь обыкновенного качества (СтЗкп, СгЗпс, СтЗсп, Ст3Гпс и др., ГОСТ 380-2005), поставляемая в виде листового, сортового и фасонного проката, труб, поковок и т. д., используется для изготовления несущих конструкций, обечаек, днищ, фланцев, люков, штуцеров и других деталей машин и аппаратов, не контактирующих с агрессивными средами. По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), полуспокойную (пс) и спокойную (сп). Нераскисленные кипящие стали применяются для малонагруженных узлов и деталей химического оборудования, работающего при давлениях не выше 1,6 МПа и температурах до 350 °С. Спокойные стали могут быть использованы для изготовления оборудования, работающего при давлении до 5 МПа и в интервале температур от -20 °С до
+425 °С.
Качественная углеродистая конструкционная сталь (сталь 10, сталь 40, сталь 20К, 16К, 18К, 20К, 22К и др.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520-79) и в виде сортового проката и труб (ГОСТ 1050-2013), применяется для изготовления корпусов и деталей оборудования, трубных пучков теплообменников, работающих в интервале температур от -20 °С до +475 °С с неагрессивными и малоагрессивными средами.
Низколегированная сталь с содержанием легирующих элементов до 2,5 % (09Г2, 09ГС1, 09ГС2, 16 ГС и т. д.), поставляемая в виде листового проката (ГОСТ 5520-79), сортового и фасонного проката, труб и поковок (ГОСТ 19281-2014), применяется для изготовления нагруженных элементов химического оборудования (крепежных изделий, пружин, элементов арматуры, фланцев, трубных решеток и т. п.), работающего в интервале температур от -70 °С до +475 °С с малоагрессивными и неагрессивными средами.
Легированная конструкционная сталь с содержанием легирующих элементов до 10 % (12ХМ, 12МХ, 15Х5М, 30ХМА, 30ХГСА и др.), поставляемая в виде сортового проката, труб и поковок (ГОСТ 20072-74), применяется для изготовления элементов химического оборудования, работающего в интервале температур от 70 °С до +560 °С в неагрессивных и малоагрессивных средах, а также для изготовления высоконагруженных деталей машин (шестерни, валы, оси, роторы, валки, штоки и т. п.).
Высоколегированные, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы содержат более 10 % легирующих добавок. (Сплавом считается сталь, содержащая более 50 % легирующих элементов). В зависимости от структурного класса они могут работать в интервале температур от -253 °С до +700 °С. Поставляются данные стали в виде листового проката, труб и поковок.
Стали аустенитного класса (08Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х14Г14М4Т, 03Х21Н21МГБ и др.) применяются в зависимости от марки для изготовления химической аппаратуры, работающей с сильными минеральными кислотами и щелочами.
16
Стали ферритного класса (08X13,08Х18Т1,15Х25Т и др.) применяются для изготовления химического оборудования, работающего в средах окислительного характера. Например, они стойки к воздействию фосфорной и уксусной кислот при температуре +70 °С, азотной кислоты концентрацией до 65 % при температуре до +40 °С. Однако данные стали обладают низкой ударной вязкостью в зоне сварных швов.
Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х21Н6М2Т и др.) по коррозионной стойкости аналогичны сталям аустенитного класса, но более экономно легированы никелем, менее склонны к межкристаллитной коррозии, коррозионному растрескиванию, имеют повышенные механические показатели в состоянии поставки.
Для экономии дорогостоящих высоколегированных сталей при конструировании химического оборудования широко применяются двухслойные стали с основным слоем из углеродистых, низколегированных и легированных сталей и плакирующим слоем из высоколегированных сталей (СтЗсп с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10X17H13M3T; 20К с плакирующим слоем из сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 10X17H13M3T, 06ХН28МДТ; 16ГС и 09Г2С с плакирующим слоем 12X18Н10Т, 10Х17Н1ЗМЗТ, 06ХН28МДТ и других сталей).
Двухслойные стали могут работать, в зависимости от марки, в интервале температур от -40 °С до +475 °С.
Двухслойные стали поставляются в виде листового проката.
2.2. Чугуны
Чугуны как конструкционные материалы, обладающие хорошими литейными свойствами, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и антифрикционными качествами, до сих пор находят широкое применение при изготовлении химических и нефтехимических аппаратов, узлов и деталей.
Однако их отличает ряд недостатков: высокая хрупкость, сложность обработки резанием, высокие коэффициенты линейного расширения, сильная зависимость прочностных характеристик от температуры, трудность, а в ряде случаев и невозможность, сварки.
Правила Ростехнадзора РФ регламентируют использование чугунных отливок по температуре и давлению.
В химическом машино- и аппаратостроении наибольшее применение получили следующие виды чугунов.
Серый чугун (ГОСТ 1412-85) марок СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ20, СЧ 21, СЧ 30 и СЧ35.
Из чугуна СЧ 10 изготовляют корпусные и недогруженные детали простой конфигурации, а из чугуна остальных марок – ответственные корпусы и детали сложной конфигурации, работающие в слабоагрессивных
17
средах. При расчете деталей на растяжение коэффициент запаса прочности для серого чугуна принимают 6...8.
Щелочестойкие чугуны СЧ Щ1 и СЧ Щ2 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов машин и аппаратов, работающих в водных растворах щелочей NaOH и КОН при давлении до 1 МПа и температуре
+15...+300 °С.
Ферросилиды С15, С17 и антихлор МФ 15 применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов простой конфигурации для работы с сильноагрессивными средами (растворами солей, азотной и серной кислотами) при давлении до 0,25 МПа и температуре 0...+700 °С. При разработке конструкции следует учитывать, что кремнистые чугуны очень хрупкие, чувствительные к колебаниям температуры и трудно обрабатываются резанием. Поэтому изделия из них получают отливкой, предусматривая плавные переходы. Ферросилиды широко применяют при изготовлении арматуры.
Следует иметь в виду, что ферросилиды легко коррозируют под воздействием соляной кислоты, крепких щелочей и фтористых соединений.
Жаростойкий и коррозионно-стойкий чугун ЧН15Д7Х2 применяют при изготовлении узлов и деталей, работающих при температуре +100...+600 °С и агрессивных средах.
2.3. Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий и сплавы на его основе нашли широкое применение для изготовления тепло- и массообменной и емкостной аппаратуры, труб, трубопроводной арматуры благодаря своим физико-механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам. Алюминий и его сплавы по плотности почти в 3 раза легче стали или чугуна, обладают высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью, хорошо свариваются в инертной атмосфере аргона, удовлетворительно обрабатываются резанием. Кроме того, они обладают высокой коррозионной стойкостью в целом ряде агрессивных сред, благодаря образованию на поверхности тонкой оксидной пленки.
Алюминий высокой технической чистоты марок А995, Л99...А95, А8...А5 обладает высокой коррозионной стойкостью, но имеет ограниченное применение для изготовления корпусных деталей, элементов тепломассообменной и емкостной аппаратуры из-за низких механических характеристик.
Легирование алюминия такими элементами, как Сu, Mn, Mg. Ni, Si, Fe и другими позволяет получить большое число сплавов с более высокими физико-механическими свойствами, чем чистый алюминий. Поэтому сплавы на основе алюминия нашли широкое распространение при конструировании химического оборудования. В основном в химическом
18
машино- и аппаратостроении применяются деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.
Деформируемые сплавы применяют для изготовления деталей и элементов оборудования, получаемых обработкой давлением различных полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т. д.). Наибольшее распространение получили следующие марки деформируемых алюминиевых сплавов: АД0, АД00, АД00Е, АД000, АД0Е, АД, АД1, Амц, Амг2...Амг6, не упрочняемые термообработкой, и сплавы марок Д1, Д16, ВД17, упрочняемые термообработкой.
Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей и элементов химического оборудования, работающих при повышенных температурах, действии больших ударных и статических нагрузок, корпусных деталей. Для фасонного литья наибольшее распространение получили следующие марки сплавов: АЛ2-АЛ9 (до +250 °С); АЛ20, АЛ33,
АЛ34 (до +350 °С).
2.4. Медь и ее сплавы
Технически чистая медь применяется в основном в электротехнической промышленности. Для изготовления химической аппаратуры в отдельных случаях находит ограниченное применение технически чистая отожженная медь марок М2 и М3 с содержанием соответственно 99,7 и 99,5 % меди. Особенностью меди как конструкционного материала является отсутствие надежных защитных оксидных пленок, обеспечивающих химическую стойкость в большинстве кислот и солей. Многие газы (сероводород, диоксид углерода, пары серы, галоиды, аммиак, сернистый ангидрид) разрушают медь. При низких температурах прочность меди возрастает, при этом сохраняется высокая ударная вязкость. Эти особенности делают ее незаменимым конструкционным материалом для криогенной аппаратуры. Из меди изготавливают также спиртовые ректификационные колонны и кубы-испарители.
Для улучшения свойств меди как конструкционного материала ее легируют различными элементами, получая сплавы на основе меди. В качестве легирующих элементов используют цинк, олово, алюминий, никель, железо, кремний, марганец и др., за счет чего существенно улучшаются механические и технологические свойства получаемых сплавов. По химическому составу сплавы на основе меди подразделяются на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.
Латуни – сплавы на основе меди с цинком, обозначаются первой буквой «Л». Латуни, содержащие в сплаве, кроме меди, до 38 % цинка называются простыми. При содержании цинка до 10 % простые латуни называются томпаками. Латуни, содержащие кроме цинка другие легиру-
19
ющие элементы, называются сложными. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 расшифровывается как железомарганцевая латунь. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью и коррозионной стойкостью. Они хорошо поддаются литью, обработке давлением и механическому резанию. По технологическому назначению латуни подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные. Из латуней, обрабатываемых давлением, марок Л70, Л60, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2, изготавливают полуфабрикаты и элементы оборудования, такие, как листы, ленты, полосы, трубы теплообменников, проволоку, поковки, сильфоны, подшипники скольжения, элементы трубопроводной арматуры. Из различных марок литейной латуни – ЛЦ40С, ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ30А3, ЛЦ23А6Ж3Мц2,
ЛЦ16К4 изготавливают детали трубопроводной арматуры, выдерживающие нагрев до 250 °С, элементы аппаратов, работающих в морской воде, малонагруженные подшипники скольжения, венцы шестерен, детали баббитовых подшипников, элементы криогенной аппаратуры.
Бронзы – сплавы на основе меди с оловом, в которых в качестве легирующих добавок применяются Al, Pb, Si, Be, Sn, Тi, Ni и другие элементы. Бронзы маркируются буквами «Бр», остальные обозначения аналогичны маркировке латуней.
В химической технике находят применение безоловянные, оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремниевые, свинцовые и марганцевые бронзы.
Из безоловянных литейных бронз марок БрА9Мц2, БрА9Ж3Л, БрА10Ж4Н4Л, БрА9Ж4Н4Мц2, БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 изготавливают антифрикционные детали и арматуру для пара, воды и нефтепродуктов, работающих при температурах до 250 °С.
Более дорогие оловянные литейные бронзы марок БрО3Ц12С5, Бр04Ц7С5, Бр06ЦбС3, Бр010Ф1, Бр010С10 используются при изготовлении арматуры, антифрикционных деталей, вкладышей подшипников, венцов шестерен, шнековых приводов, нагруженных подшипников скольжения, элементов винтовых мешалок.
Кремниевые бронзы марок БрКМц3, БрКН1-3 являются коррозион- но-стойкими и жаропрочными материалами, применяемыми для изготовления деталей химических аппаратов, пружин, антифрикционных деталей, направляющих втулок штоков и пр.
Свинцовые бронзы марок БрС30, БрСН60-2,5 отличаются высокими антифрикционными свойствами и применяются для изготовления методом литья высоконагруженных подшипников скольжения, направляющих втулок и других деталей, работающих в парах трения скольжения.
Марганцевая бронза марки БрМц5 является пластичным сплавом, обладающим достаточной коррозионной стойкостью и теплостойкостью. Из нее изготавливаются детали и сборочные единицы химической аппаратуры, работающие в условиях нагрева.
20