Тема 1.4 «Правила безопасной работы сосудов и аппаратов»

Конструкция сосудов должна обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования, очистки, промывки, полного опорожнения, продувки, ремонта, эксплуатационного контроля металла и соединений.

1. Для каждого сосуда должен быть установлен и указан в паспорте расчетный срок службы с учетом условий эксплуатации.

2. Устройства, препятствующие наружному и внутреннему осмотрам сосудов (мешалки, змеевики, рубашки, тарелки, перегородки и другие приспособления), должны быть, как правило, съемными.

3. При применении приварных устройств должна быть предусмотрена возможность их удаления для проведения наружного и внутреннего осмотров и последующей установки на место. Порядок съема и установки этих устройств должен быть указан в руководстве по эксплуатации сосуда.

4. Если конструкция сосуда не позволяет проведение наружного и внутреннего осмотров или гидравлического испытания, предусмотренных требованиями Правил, разработчиком проекта сосуда в руководстве по эксплуатации должны быть указаны методика, периодичность и объем контроля, выполнение которых обеспечит своевременное выявление и устранение дефектов. В случае отсутствия в руководстве таких указаний методика, периодичность и объем контроля определяются специализированной организацией.

5. Конструкции внутренних устройств должны обеспечивать удаление из сосуда воздуха при гидравлическом испытании и воды после гидравлического испытания.

6. Сосуды должны иметь штуцера для наполнения и слива воды, а также для удаления воздуха при гидравлическом испытании.

7. На каждом сосуде должны быть предусмотрены вентиль, кран или другое устройство, позволяющее осуществлять контроль за отсутствием давления в сосуде перед его открыванием; при этом отвод среды должен быть направлен в безопасное место.

8.Расчет на прочность сосудов и их элементов должен производиться по НД, согласованной с Госгортехнадзором России. Сосуды, предназначенные для работы в условиях циклических и знакопеременных нагрузок, должны быть рассчитаны на прочность с учетом этих нагрузок. При отсутствии нормативного метода расчет на прочность должен выполняться по методике, согласованной со специализированной научно-исследовательской организацией.

9. Сосуды, которые в процессе эксплуатации изменяют свое положение в пространстве, должны иметь приспособления, предотвращающие их самоопрокидывание.

10. Конструкция сосудов, обогреваемых горячими газами, надежное охлаждение стенок, находящихся под давлением, до расчетной температуры;

11. Для проверки качества приварки колец, укрепляющих отверстия для люков, лазов и штуцеров, должно быть резьбовое контрольное отверстие в кольце, если оно приварено снаружи, или в стенке, если кольцо приварено с внутренней стороны сосуда;

12. Заземление и электрическое оборудование сосудов должны соответствовать правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей и правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей в установленном порядке.

Лекция 2. Конструкционные материалы

Тема 2.1 «Конструкционные материалы химического машиностроения»

В химическом машиностроении потребляется большое количество разнообразных конструкционных материалов (КМ), к которым предъявляются разнообразные противоречивые и жесткие требования

Высокая прочность и пластичность; высокая теплопроводность и теплоизоляционные свойства; возможность применения различных методов (механических, термических, электрических, химических, диффузионных, иррадиационных) обработки и формования и высокая устойчивость химической структуры материалов в процессах обработки. Наиболее жёсткие требования предъявляются к коррозионной стойкости материалов в плане не только обеспечения надёжности и долговечности самого оборудования, но и предупреждении негативного действия продуктов коррозии на качество продукции.

Виды КМ

1. Металлы группы железа и их сплавы между собой и с другими элементами.

2. Медь и её сплавы.

3. Алюминий и его сплавы.

4. Титан, тантал, ниобий, цирконий, вольфрам и их сплавы.

5. Стекло, фарфор, полиоксидные керамики.

6. Полимеризационные пластмассы, каучуки и резины, углепластики.

7. Композиционные, наполненные и тканые материалы

ЖЕЛЕЗО и его сплавы

Самый важный класс конструкционных материалов всей техники. Железо – довольно твёрдый серебристо-белый металл.

Чистое железо использутся только в электротехнических изделиях.

В качестве конструкционных материалов для основных узлов применяются железоуглеродные сплавы: чугуны и углеродистые стали, а также стали с добавками иных металлов – легированные. Кроме того, определённое применение в не контактирующих со средой узлах находят железо-, кремне-, алюминеуглеродные сплавы – ферросилиций; силаль, сихромаль.

Чугуны

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода от 2,03 до 5,7 %. Получают в результате доменного процесса из железной руды. Чугуны, содержащие менее 4,25 % углерода, называют доэвтектическими; свыше 4,25 % углерода, называют заэвтектическими

По плотности и теплоёмкости чугуны почти не отличаются от сталей. Как правило, имеют большую теплопроводность. Высокоферромагнитны. Химическая стойкость чугунов в водных средах, особенно кислых, невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий-нестойкий».

Достоинства чугунов: хорошо льются, а также поддаются обработке резанием и шлифованием. Благодаря этому, на чугунном оборудовании формируют гладкие поверхности, что позволяет наносить на чугунные аппараты разнообразные устойчивые защитные покрытия; в первую очередь – эмалевые, которые на чугуне держатся лучше, чем на стали.

Основные недостатки чугунов – хрупкость и несвариваемость.

Из чугуна изготавливают корпуса трубопроводной арматуры; сосудов и реакторов-котлов, а также разнообразные детали и узлы механических агрегатов.

Тз-за хрупкости чугуна стенки сосудов приходится делать толстыми (не менее 18 мм). Поэтому чугунная аппаратура всегда значительно тяжелее стальной или титановой. Чугунные аппараты малопригодны для ведения высокоэнергетичных процессов. В настоящее время использование чугуна сокращается.

Углеродистые стали

Железоуглеродные сплавы с массовой долей углерода не более 2,03 %. Получают в результате конвертерных процессов из чугуна или непосредственно из железной руды.

Как и чугуны – ферромагнитны.

Маркировка углеродистых сталей включает: аббревиатуру «Ст»; цифровое указание массовой доли углерода в десятых или сотых долях %; буквенное обозначение технологии удаления кислорода/раскисления (Сп–спокойная; Кип – кипящая).

Пример маркировки:

Ст10 Сп

В сталях жёстко ограничивают содержание серы (<0,02 %) и фосфора (<0,03 %).

Обладают высокими пластическими, прочностными и технологическими характеристиками. К ним хорошо применимы все методы механической, термической и оптической обработки.

Химическая стойкость углеродистых сталей в водных и водно-органических средах, особенно кислых, также невысока: соответствует уровню: «ограниченно стойкий - нестойкий». Стали довольно устойчивы к щелочным и аммонийным средам. Органические кислоты, особенно муравьиная и уксусная, корродируют углеродистые стали.

Используют для изготовления всех видов и типов химического оборудования. Детали, предназначенные для контакта с агрессивными средами, подлежат антикоррозийной защите. В настоящее время использование углеродистых сталей сокращается.

Коррозионностойкие стали

Основной способ улучшения свойств углеродистых сталей – введение в состав сплава т. н. легирующих добавок – компонентов, обеспечивающих повышение отдельных или сразу многих качеств сплава. Стали, содержащие такие добавки, называют легированными.

Для химического машиностроения наиболее важно улучшить антикоррозионные свойства. Соответственно, коррозионностойкие стали представляют важнейший класс легированных.

Наиболее сильным пассивирующим действием на стали обладают хром, никель, титан, ниобий и марганец.

Коррозионностойкие стали делят на три класса: низколегированные (НЛС), среднелегированные (СЛС), высоколегированные (ВЛС) (таблица 1).

Таблица 1 – Классификация коррозионностойких сталей

Наименование	Массовая доля легирующих добавок, %
Низколегированные	менее 2
Среднелегированные	свыше 2 до 10
Высоколегированные	свыше 10 до 60

Обозначение основных легирующих элементов: Х –хром; Н – никель; Т – титан; М – молибден;

Маркировка легированных сталей включает буквенное обозначение элемента и цифровое указание его массовой доли в %. Массовая доля углерода в таких сталях не превышает 0,12 %; углерод буквой не обозначают.

Пример маркировки:

10Х18Н10Т

| | | |__________________________ титан - < 2%

| | |_____________________________ никель – 10 %

| |_________________________________ хром - 18 %

|__________________________________ углерод – 0,10 %

Легированные стали, как правило, отличаются большей прочностью, твёрдостью и вязкостью, чем углеродистые. Поэтому они сложнее поддаются термической и механической обработке и хуже поддаются литью (за исключением некоторых марок).

Высоколегированные коррозионностойкие стали – самый важный класс конструкционных материалов для химического машиностроения. Их них изготавливают все детали и узлы химического, нефтяного и пищевого оборудования, контактирующие со средой – разнообразные сосуды; корпуса, мешалки, теплообменные и статические внутренние устройства реакторов-котлов; колонные аппараты; теплообменники всех конструкций; фильтры; корпуса и роторы центрифуг и жидкостных сепараторов; рабочие органы насосов, газодувок и компрессоров; трубы и трубные детали; рабочие части трубопроводной арматуры; защитные узлы для устройств КИПСА.

Высокая прочность ЛС позволяет существенно уменьшать массу оборудования при равных технических характеристиках.

НИКЕЛЬ, КОБАЛЬТ и их сплавы

Никель и кобальт – элементы подгруппы железа. По свойствам они сходны с железом, однако имеют и ряд существенных отличий. Плотность их существенно выше плотности железа, чугунов и сталей]. Оба металла также прочнее и твёрже, чем железо. Оба отличаются меньшей химической активностью и большей коррозионной стойкостью; особо ценное их качество – довольно высокая стойкость к газовой коррозии. Кроме того, оба элемента и их соединения высокотоксичны. Оба металла также значительно дороже железа и его сплавов.

Основное их использование – антикоррозионные наружные покрытия на изделия из железа и углеродистых сталей, наносимые электрохимически. Кроме того, из никеля и кобальта изготовляют детали и узлы пар скольжения и уплотнений. Особое значение имеют сплавы никеля и кобальта с железом – инвар, коинвар, маллой, пермаллой, супермаллой. Эти сплавы имеют высокие магнитные свойства и применяются для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств.

МЕДЬ и ее сплавы

Мягкий металл. Отличается высокой тепло- и электропроводностью. Хорошо поддаётся термомеханической обработке, литью, пайке и сварке.

Достаточно устойчива к действию воды и разбавленных водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчива в растворах аммиака и аминов (особенно алифатических). Также неустойчива к окислителям (азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, растворам бихроматов).

Медь как чистый металл применяется для изготовления электроведущих деталей (провода, шины, электроды электрохимических реакторов); деталей и узлов пар скольжения и деталей уплотнений (вкладышей, гильз, колец, шайб) в аппаратуре высоких давлений и глубокого вакуума.

Большое значение имеют сплавы меди: латуни и бронзы.

Латуни. Сплавы меди, содержащие цинк (до 45 %). Кроме цинка, латуни легируют добавками Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr.

Бронзы. Любые сплавы меди, не содержащие цинка. Бронзы легируют добавками Sn, Al, Mg, Si, Mn, Ni, Cr, Ве.

Латуни и бронзы по коррозионной стойкости не уступают или превосходят медь (особенно по отношению к атмосферной коррозии). По механическим свойствам, как правило, превосходят медь. Наибольшей стойкостью отличаются алюминиево-бериллиевые бронзы. Применяются для изготовления труб, корпусов и внутренних деталей трубопроводной арматуры, уплотнительных деталей аппаратуры, теплообменных аппаратов.

СВИНЕЦ

Мягкий белый металл. Свинец и все его соединения высокотоксичны. Стойкость свинца определяется образованием оксидных плёнок. Малостоек в растворах окисляющих, а также низших органических кислот. Достоинство свинца – стойкость в электрохимических процессах и стойкость к фторидам. Особое значение имеет сплав свинца с (6…12) % олова – гартблей («твёрдый свинец»). Применяется – ограниченно - в виде листов для наложения – плакирования рабочих поверхностей аппаратуры сернокислотного производства; процессов сульфирования, фторирования; а также для изготовления деталей насосов, арматуры и электродов. Верхний температурный предел для оборудования со свинцовыми покрытиями – 120 °С.

АЛЮМИНИЙ и его сплавы

Мягкий белый пластичный лёгкий металл. Отличается высокой теплопроводностью и электропроводностью. Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999999 %). Алюминий и его соединения малотоксичны. Стойкость алюминия определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S. Малостоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также щелочей.

Достоинство алюминия – лёгкость; существенный недостаток – низкая прочность. В технике, в т. ч. – химическом машиностроении большое значение имеют сплавы с кремнием, медью, магнием, марганцем, хромом, железом – силумины, дюралимины, магналины.

Дюралюмины имеют высокие прочностные свойства, но низкую стойкость; изделия из них защищают плакированием чистым алюминием.

Силумины отличаются хорошей стойкостью к окислительным нейтральным и кислым средам, а также к газовой коррозии.

Магналины имеют наилучшие из сплавов алюминия свойства. Особенность всех сплавов алюминия – нестойкость к контактной электрохимической коррозии –особенно в парах со сплавами меди и железа.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления реакторов, кристаллизаторов, сосудов, фильтров, теплообменников, дистилляционных и ректификационных аппаратов и труб, работающих под давлением до 0,6 МПа.

ТИТАН и его сплавы

Твёрдый белый с синеватым отливом лёгкий металл. Отличается умеренной теплопроводностью и электропроводностью. Получают электротермическими и электрохимическими методами, достигая высокой степени чистоты (до 99,999 %). Тугоплавкость титана делает производство весьма энергоёмким и дорогим. Титан и его соединения малотоксичны.

Титан и его сплавы весьма прочны и тверды. Поддаются всем основным видам термомеханической обработки: ковке, прокату, штамповке, резанию, сварке, обработке методами порошковой металлургии.

Стойкость титана определяется образованием оксидных плёнок, существующих в диапазоне рН=(3…9). Титан легируют добавками Al, Mo, Ta, Nb, Zn, Cu, Pd, Pt. Титан устойчив в нейтральных и кислых водных средах; газообразных – HCl, NH3, H2S; а также в растворах едкого натра и едкого кали при массовой доле до 20 %. Менее стоек в растворах окисляющих и органических кислот, а также крепких щелочей. Присутствие окислителей - бихроматов, перманганатов – в среде повышает коррозионную стойкость титана. Титан исключительно стоек в морской воде и морской атмосфере. Легирование – особенно цирконием, молибденом и танталом - повышает коррозионную стойкость титановых сплавов в (2…200) раз.

Титан и его сплавы имеют три фундаментальных достоинства: лёгкость (в 1,7 раза легче стали); прочность и высокая стойкость. Титан и его сплавы наряду с коррозионностойкими сталями являются наиболее ценными конструкционными материалами для химического машиностроения. Из титановых материалов можно изготавливать практически любые рабочие детали, узлы и агрегаты любых машин и аппаратов химических производств.

Широкое использование титана сдерживается его дефицитностью и большим потреблением в военной технике, особенно судостроении.