6.Легированные стали, применение в химическом машиностроении

Легированные стали имеют в своем составе легирующие элементы, основными из которых являются никель, хром, вольфрам, титан и другие металлы.

Никель повышает коррозионную стойкость стали, повышает ее механическую прочность.

Хром увеличивает жаропрочность стали, а при содержании 11–14% делает ее устойчивой к атмосферной коррозии (так называемая нержавеющая сталь).

Марганец при содержании 10–15% придает стали высокую сопротивляемость ударам и эрозии; такая сталь используется для изготовления деталей дробилок и мельниц.

Молибден повышает коррозионную устойчивость стали к горячим серной и фосфорной кислотам. Вольфрам повышает стойкость стали к водородной коррозии.

Маркировка легированных сталей

Для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система (пример маркировки: 10Х17Н13М2Т). Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:

Ni	Cr	Mo	W	V	Mn	Cu	Ti	Al	Si
Н	Х	М	В	Ф	Г	Д	Т	Ю	С

Первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв – содержание соответствующих элементов в процентах.

Если в сплаве легирующего элемента менее 2%, то его содержание не указывается.

Низколегированные стали содержат до 2,5% легирующих элементов. К ним относятся марганцовистые (14Г…, 19Г…), кремнемарганцевые (12ГС…, 09Г2С, 16ГС…), марганцево-ванадиевые (16ГФ) и другие.

Наиболее широкое применение в химической промышленности получили кремнемарганцевые стали. Помимо повышенной на 15–35% по сравнению со сталями СТ3, 20 прочностью и надежностью, они обладают хорошей пластичностью, ударной вязкостью и отличной свариваемость. Поэтому при изготовлении аппаратуры, рассчитанной на среднее давление и некоррозионных сред целесообразно использовать высокопрочные низколегированные стали, так как это позволяет уменьшить толщину стенок и, тем самым, сэкономить металл. Применение этих сталей рекомендуется и для изготовления аппаратов, работающих при пониженных до –70°С температурах, поскольку значительно повышается их надежность.

Высоколегированные стали применяют для изготовления аппаратов, предназначенных для работы с коррозионными средами и при высоких температурах. Содержание легирующих веществ в таких сталях превышает 10%. Высоколегированные стали подразделяют на три группы.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии. Наиболее широкое распространение в химической промышленности получила сталь марки 12Х18Н10Т, которая устойчива к воздействию азотной кислоты, нитратов, щелочей и к газовой коррозии, выдерживает воздействие температур до 800°С (одновременно относится и ко второй группе). В производстве фосфорной кислоты используются стали, содержащие молибден и медь, марок ЭИ-943 (ОХ23Н28М3Д3Т).

Жаростойкие стали обладают стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температурах свыше 550°С, работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (марки 12Х17, 15Х25Т).

Жаропрочные стали работают в течение определенного времени при высоких температурах при нагруженном состоянии.

Для работы в высокоагрессивных средах при давлении до 100 МПа и в интервале температур от –195 до 700°С рекомендуется использовать сталь 10Х17Н13М2Т.

Высоколегированные стали вследствие высоких прочности и коррозионной стойкости широко используются в химическом машиностроении, но они намного дороже углеродистых сталей. Поэтому для снижения расхода дорогостоящих легированных сталей на изготовление аппаратов в настоящее время предлагаются следующие пути.

1. Использование двухслойных металлов. Для защиты от коррозии достаточен слой коррозионно-стойкого материала толщиной несколько миллиметров (обычно от 2 до 5 мм), а для обеспечения условий прочности стенка должна быть значительно толще. Поэтому используют двухслойную листовую сталь, состоящую из основного слоя, выполненного из углеродистой стали, и защитного (плакирующего) слоя из легированных сталей типа 12Х18Н10Т, а также из цветных металлов. В соответствии с ГОСТом 10885–75 двухслойные листы изготавливаются толщиной 4–160 мм. Однако в связи с различием в значениях температурных коэффициентов линейного расширения основного и плакирующего слоев ТУ регламентируют интервалы температур и давлений для работы аппаратов, изготовленных из двухслойных материалов.

2. Использование экономнолегированных сталей, имеющих пониженное содержание остродефицитного никеля. К таким сталям относятся марки 08Х22НGТ, 08Х13Н взамен стали марки 12Х18Н10Т.

3. Использование безникелевых сталей, к которым относятся коррозионно-стойкие аустенитовые стали. Они предназначены для изготовления аппаратов, которые работают в температурном интервале от –210 до 400°С. Такие стали устойчивы к действию разбавленной серной кислоты, 50%-й азотной кислоты, 10%-й уксусной кислоты.

Области применения различных марок сталей приведены в таблице на с. 26 [Тетеревков А. И.].

7.Корпуса аппаратов высокого давления.

Одним из факторов, позволяющих увеличить скорость процесса и соответственно выход продукта, если реакция идет с уменьшением объема реагентов, является увеличение давления.

Движущая сила

ΔР = Р ' – Р*,

где P ' = Р0μ.

Особенно это характерно для процессов с участием газовой фазы. Высокие давления широко используются в азотнотуковой промышленности. Строго говоря, в химической промышленности давления свыше 10 МПа (100 кгс/см2) принято считать высокими. Так, синтез аммиака проводят при 30–60 МПа, а карбамида – при 18–20 МПа.

Корпус – основной элемент, так как воспринимает основную нагрузку от внутреннего давления. Имеет значительную толщину стенок. Как правило, стоимость производства корпуса определяет стоимость колонны. Изготавливают корпуса в виде различных конструкций, соответственно для изготовления используются различные методы.

Цельнокованые корпуса выполняют из цельной стальной отливки массой 200–350 т, в середине которой высверливается отверстие. Далее заготовку надевают на оправу и проковывают молотом большой мощности до получения нужного диаметра с заданной толщиной.

Ковано-сварные корпуса состоят из нескольких кованых царг длиной 3–4 м, сваренных встык.

Штампо-сварные корпуса. Сначала из толстолистовой стали штампуют полуобечайки, затем сваривают продольным швом в царги (кольца), далее царги сваривают встык в корпус требуемой длины.

Общий недостаток сплошных корпусов – высокое напряжение во внутренних слоях металла, тогда как наружные слои нагружены слабо – ведет к перерасходу металла.

Многослойные корпуса изготавливают путем последовательной напрессовки обечаек и полуобечаек. На внутреннюю цельнотянутую или сварную гильзу толщиной 12 мм плотно насаживают гидропрессом полуобечайки толщиной 5–6 мм и соединяют продольным швом. Швы зачищают вровень с листом и надевают следующий слой. Получают царги длиной 3–4 м, которые сваривают встык. Этот способ широко применяется в США и странах СНГ.

Витые (оплетенные) корпуса изготавливают путем наматывания специальной профильной ленты шириной 60–100 мм, нагретой до 700–800°С, на внутреннюю гильзу. Лента укладывается по винтовой линии. После остывания лента сжимает гильзу, что создает равномерное распределение нагрузки.

Рулонные корпуса состоят из внутренней сварной гильзы толщиной 10 мм, на которую с натягом наматывают стальную ленту. После получения необходимой толщины стенки обмотанную заготовку вставляют во внешний кожух и заваривают. Рулонные корпуса имеют наименьшую стоимость, так как меньший расход металла, ниже трудоемкость изготовления и высокий уровень механизации работ.