Материалы и конструкции деталей аппаратов, трубопроводов и трубной арматуры

Разнообразие материалов, применяемых в производствах СК, объясняется разнообразием процессов, условий, параметров, а также многообразием веществ, участвующих в химических процессах.

Материал, из которого изготавливается аппаратура, должен быть механически прочным, химически стойким, инертным к перерабатываемым продуктам, обладать определенными физическими свойствами (твердость, электро- и теплопроводность), легко подвергаться механической обработке, быть доступным и дешевым.

Все материалы подразделяются на металлы и не металлы.

Среди металлов наиболее распространены сталь, чугун, и их сплавы.

Сталь – общее название группы сплавов на основе Fe, содержащих не более 2% C. Углеродистые стали содержат обычно до 1,3% С, до 0,35% Si, до 0,6% Mn, а также вредные примеси: S (до 0,6%), P (до 0,7%), O, N. Маркируются стали буквами Ст. и цифрами 1, 2, 3, … , 6. Чем больше это число, тем выше содержание углерода, а следовательно, выше прочность и ниже пластичность. Существуют стали обыкновенного качества (Ст.0, Ст.1, Ст.2) с содержанием С до 0,6%, S до 0,06%, P до 0,07%, их прочность не высока (предел прочности от 300 до 470 МПа). К качественным относятся Ст.8, Ст.10, Ст.20 и легированные стали в которых отклонения в содержании С не превышают 0,07%, а P и S 0,025%. Легированные конструкционные стали маркируются буквами и цифрами (15Х, 40 Х ФА, 20Х2Н2А и так далее). Первые цифры марки обозначают среднее содержание С в сотых долях процента для конструкционных сталях и десятых для инструментальных и нержавеющих, буквами справа от цифр указан легирующий элемент: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий. Цифры после букв обозначают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в %. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш – особо высококачественной.

Чугун – сплав железа с углеродом (обычно более 2%). В зависимости от формы графита и условий его образования различают серый, (СЧ 18, СЧ 24, СЧ 25), высокопрочный (ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-3) и ковкий чугун (КЧ 56-4, КЧ 60-3, КЧ 63-2). Буквы показывают основной характер или назначение чугуна, цифры указывают предел прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение в %.

Применение цветных металлов ограниченно, поскольку они дороги и дефицитны. Но, тем не менее, существуют процессы, где без них обойтись нельзя. Среди цветных металлов благодаря коррозионной стойкости, тепло- и электропроводности наиболее применимы медь (М0, М1, М2) и сплавы на её основе: латуни (Л 96, Л 90) и бронзы (Бр. 0Ф6, 5 – 0, I, Бр. А Ж 9-4; Бр. К Мц 3-1; Бр. С 30).

Широко распространено использование алюминия (А 995, А99, А85) и его сплавов, обладающих коррозионной стойкостью вследствие образования тонкой пленки Al₂O₃, а также титана (ВТ I-00, ВТ I-0) и его сплавов благодаря высокой коррозионной стойкости и жаростойкости. Высокой прочностью обладают магниевые сплавы (МА-I, МА-5), химической стойкостью и простотой обработки никель (Н0, НП 2) и его сплавы.

Применение неметаллов связано с их относительной дешевизной, доступностью, легкостью обработки коррозионной стойкостью по сравнению с металлами.

Среди них благодаря высокой инертности к агрессивным средам, тепло- и электропроводности нашли применение графит и материалы на его основе: графитопласты, или антегмиты (АТМ-I, АТМ-I0), и графитолиты. Из них изготавливают теплообменники, испарители, абсорберы, насосы и т.д.

Благодаря стойкости к действию высоких температур и агрессивных сред широко используется керамика как в виде самостоятельных конструкций (насосы, трубопроводы, реакторы), так и в виде плит, скорлупок, сегментов и т.п.

Широкое применение нашли стекло и стеклокристаллические материалы: пирокерамы и фотокерамы. Из них изготавливают трубы.

В практику химического аппаратуростроения во всё возрастающей степени внедряются также и пластмассы в виде винипласта, полиэтилена, фторопласта, термореактивных полимеров, волокнитов, феолитов, стекловолокнитов, асбовинила, текстолита, из которых изготавливаются как самостоятельные конструкции, так и трубопроводы, арматура.

Инновационные технологии изготовления конструкционных материалов.Интенсивное развитие авиационной, космической, атомной, химической и других областей техники определяет необходимость создания новых конструкционных материалов, обладающих сложным комплексом различных свойств и способных обеспечить работу конструкций в любых условиях. Наиболее перспективным решением этой задачи является создание композиционных материалов (композитов) на основе высокопрочных углеродных, борных, стеклянных, органических и некоторых других видов волокон и нитей.

Композиционные материалы представляют собой сложные гетерогенные (неоднородные) структуры, образованные сочетанием армирующих элементов и изотропного полимерного связующего. Армирующие элементы в виде тонких волокон, нитей, жгутов или тканей обеспечивают физико-механические характеристики материала.

Важнейшим достоинством конструкционных материалов является направленный характер свойств материала. Можно создавать из конструкционных материалов элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающие характеру и условиям работы.