Основные характеристики материалов

Материалы обладают определенным набором свойств. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые предопределяют их применение в той или иной отрасли промышленности.

К основным физическим свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность, намагниченность, температура плавления, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения и др.

К механическим свойствам материала относятся прочность, пластичность, твердость, ползучесть, ударная вязкость, усталость, износостойкость.

Прочность. Прочность - способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок.Стали и другие металлы и сплавы для аппаратуры должны иметь предел прочности и предел текучести, обеспечивающие надежную работу аппаратов под внутренним давлением, ветровой и другими нагрузками, когда явление ползучести практически можно не принимать во внимание.

Ударная вязкость - это прочность при динамических нагрузках, Дж/м²:

, (2.1)

где А - работа, затраченная на разрушение образца;

F - площадь образца в месте надреза.

Значения ударной вязкости характеризуют вязкостные свойства металла и особенно важны для оценки возможности хрупкого разрушения элементов оборудования при низких температурах и ударных нагрузках.

Наряду с этим показатели ударной вязкости позволяют косвенно судить и о качестве металла, степени его загрязненности неметаллическими включениями, сплошности, соблюдении режима термической обработки. Пример: ферросилид.

Теплоустойчивость (длительная прочность, ползучесть) - свойство материала медленно деформироваться под действием постоянно растягивающей нагрузки, которая создает напряжение ниже предела упругости данного материала. Потеря работоспособности и даже разрушение оборудования, эксплуатируемого под внутренним давлением при высоких температурах, возможны в результате постепенного, более или менее равномерного по длине аппарата увеличения диаметра с одновременным уменьшением толщины стенки. Причиной этого является свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при высоких температурах под воздействием постоянной нагрузки (ползучесть). Способность металла противостоять развитию ползучести, называемая теплоустойчивостью, оценивается по результатам длительных испытаний показателями:

а) длительной прочности, т.е. напряжениями, вызывающими при данной температуре разрушение образца за определенный промежуток времени, для оборудования химзаводов обычно за 10000 и 100000 ч) или

б) показателями ползучести (напряжениями, вызывающими при данной температуре за 1000, 10 000 или 100 000 ч суммарное удлинение образца, равное 1%, что соответствует средней скорости ползучести 10 ³, 10⁴ и 10⁵ % в час или относительной деформации 10 ^-5, 10 ^-6 и 10 ^-7 мм/мм в час).

Тепловая хрупкость и разупрочнение. В результате длительного пребывания при повышенных температурах некоторые стали теряют свои исходные значения вязкости, пластичности и прочности, что связано, прежде всего, с изменениями кристаллической решетки и микроструктуры стали. Указанное явление потери вязкости и пластичности получило название «тепловой хрупкости». Подобные изменения свойств сталей крайне нежелательны и опасны, так как могут, привести к разрушению оборудования во время эксплуатации и при ремонтах. Поэтому к материалам обязательно, предъявляется требование достаточной стабильности механических свойств и структуры в процессе длительного воздействия рабочих температур.

Пластичность - способность материала получать остаточное (остающееся после удаления нагрузки) изменение формы и размеров без разрушения. Характеристикой пластичности являются относительное удлинение и сужение испытуемого образца.

Металл должен обладать достаточно высокой пластичностью, оцениваемой показателями относительного удлинения и поперечного сужения. Это требование обусловливается тем, что стальной прокат при изготовлении из него сборочных элементов и деталей аппаратуры, а также при сборке и монтаже аппаратуры и трубопроводов подвергается пластической деформации (штамповка днищ, гибка листа, развальцовка труб и т. д.), выдержать которую без разрушения хрупкий металл не способен.

Коррозионная стойкость: В зависимости от скорости коррозии различные стали и сплавы по отношению к определенной среде классифицируются согласно (ГОСТ 13819-68) как:

- совершенно стойкие;

- весьма стойкие;

- стойкие;

- пониженно-стойкие;

- малостойкие;

- нестойкие.

Детали аппаратов должны обладать необходимой стойкостью против коррозии, обеспечивающей срок их службы не менее чем в течение 5-8 лет.

Свариваемость. Подавляющее большинство аппаратов изготовляют и монтируют с помощью сварки, поэтому металл должен обеспечивать возможность создания надежных сварных соединений, у которых механические и физико-химические свойства одинаковы со свойствами основного металла или весьма близки к ним.

Усталость материала - свойство постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство материалов сопротивляться усталости называется выносливостью (сопротивлением усталости). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости.

Предел выносливости - это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без признаков разрушения.

 

2.3 Общие требования к материалам при изготовлении емкостной аппаратуры

Требования к основным материалам, их пределы применения, назначение, условия применения, виды испытаний должны удовлетворять эксплутационным требованиям.

Материалы по химическому составу и механически свойствам должны удовлетворять требованиям государственных стандар-тов, технических условий и Правил. Качество и характеристики материалов должны подтверждаться соответствующими сертификатами.

При выборе материалов для изготовления сосудов (сборочных единиц, деталей) следует учитывать: расчетное давление, температуру стенки (минимальную и максимальную), химический состав и характер среды, технологические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Для сосудов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, при выборе материалов также следует учитывать:

- абсолютную минимальную температуру наружного воздуха данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, может стать отрицательной от воздействия окружающего воздуха;

- среднюю температуру воздуха наиболее холодной пятидневки данного района, если температура стенки сосуда, находящегося под давлением, положительная.

Пределы применения двухслойной стали определяются по основному слою.

Элементы, привариваемые непосредственно к корпусу сосуда изнутри или снаружи (лапы, цилиндрические опоры, подкладки под фирменные таблички, опорные кольца под тарелки и др.), следует изготавливать из материалов того же класса, что и корпус. Допускается приварка к поверхности корпуса сосуда элементов из сталей других классов. Возможность применения таких элементов, их размеры (протяженность и толщина) обосновывается проектом.

Для приварных и неприварных внутренних элементов толщиной не более 10 мм для сосудов, работающих при температуре от минус 40 до 475° С допускается применять листовую сталь и сортовой прокат марок СтЗ.

Углеродистая сталь кипящая Ст3кп2 не применяется:

- в сосудах, предназначенных для сжиженных газов;

- в сосудах, предназначенных для работы со взрыво- и пожароопасными веществами, вредными веществами 1-го и 2-го классов опасности и средами, вызывающими коррозионное растрескивание (растворы едкого калия и натрия, азотнокислого калия, натрия, аммония и азотной кислоты, аммиачная вода).

Неметаллические материалы, применяемые для изготовления сосудов, должны быть совместимы с рабочей средой в части коррозионной стойкости и нерастворимости (изменении свойств) в рабочем диапазоне температур. Среда, для которой предназначен сосуд, должна быть указана в паспорте на сосуд. Применение неметаллических материалов допускается с разрешения Госгортехнадзора России на основании заключения специализированной организации.

Прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии (эрозии) назначается; с учетом условий эксплуатации, расчетного срока службы, скорости коррозии (эрозии).

Прибавку С для компенсации коррозии к толщине внутренних элементов следует принимать:

- 2С - для несъемных нагруженных элементов, а также для внутренних крышек и трубных решеток теплообменников;

- 0,5С, но не менее 2 мм - для съемных нагруженных элементов;

- С - для несъемных ненагруженных элементов.

Для внутренних съемных ненагруженных элементов прибавка для компенсации коррозии может не учитываться.

Если невозможно или нецелесообразно увеличивать толщину стенки за счет прибавки для компенсации коррозии, выполняется коррозионная защита: плакирование, футеровка или наплавка.

В изделиях аппаратостроения наряду с основными конструкционными материалами используют вспомогательные материалы. К ним относят кожу, войлок, паронит, картон, фанеру и т.п. Они предназначены в основном для выполнения вспомогательных функций, например для герметизации, уменьшения теплопотерь, фильтрации газа. Некоторые вспомогательные материалы используют для удобства сборки, монтажа, перевозки, хранения. Например, изготовленные изделия, не предназначенные для эксплуатации на открытом воздухе, перед отправкой к потребителю, как правило, защищают пленкой, водостойкой бумагой, а наружные поверхности покрывают специальными смазками. Для хранения и транспортировки изготовленных изделий предусматривается помещение их в тару.

Лекция 3