Ортаның агрессивті әсерінде, жұмысшы температуралардың үлкен интервалында, қысымдардың кең диапазонындағы химиялық аппараттардың жұмысы жобаланатын аппараттардың конструкциялық материалына жоғары талаптар қояды. Конструкциялық материалдардың агрессивті орталардағы коррозиялық тұрақтылығының, механикалық беріктігінің, ыстыққа төзімділігінің, тұрақтылығының жоғары болуы, жоғары және төмен температураларда қанағаттанарлық пластикалық қасиеттерін сақтап қалуы керек.
Химиялық жабдықтар үшін конструкциялық материалды таңдау оның қасиеттерін және онда өтетін технологиялық процесс жағдайларын ескеруге негізделген. Абсолютті идеал материал жоқ. Химиялық тұрақты материалдың беріктігі немесе термиялық тұрақтылығы жеткіліксіз болуы мүмкін. Қымбат, өте берік, коррозияға тұрақты материалдан жұқа, жеңіл аппараттар дайындау мүмкіндігіне байланысты тиімді болып келеді. Металл, бейметалл материалдардың барлығы жұмысының ұзақ мерзімділігі және сенімділігі байланысты болатын механикалық және химиялық бұзылуға ұшырайды.
Металдар және құймалар
Болаттар химиялық құрамы, тағайындалуы және өндіру тәсілі бойынша жіктеледі. Химиялық құрамына байланысты көміртекті және легирленген болаттар; тағайындалуына байланысты – конструкциялық, инструменталдық және ерекше болаттар; өндіру тәсіліне байланысты болаттар – жай және жоғары сапалы, сапалы және өте жоғары сапалы болады.
Болаттың механикалық қасиеттері оның құрылымымен, ондағы көміртегі және қоспалар мөлшерімен анықталады.
Қажетті сапалы болат алу оның балқыту процесінде қамтамасыз етілетін құрылымымен анықталады (феррит, аустенит, цементит, перлит, мартенсит және т.б.). Болатта көміртегі көбейген сайын оның қаттылығы мен беріктігі жоғарылайды, бірақ пластикалық қасиеттері төмендейді. Болат құрамында қоспа ретінде кремний, марганец, күкірт, фосфор болады. Олар болат қасиеттеріне айтарлықтай әсер етеді. Күкірт және фосфор зиянды қоспалар: күкірт ыстық күйде жоғары мортсынғыштық шақырады, фосфор – төмендетілген тұтқырлық, әсіресе төмен температураларда, шақырады.
Болатта аз мөлшерде сутегі, азот, оттегі болады. Олар болат сапасын нашарлатады.
Агрессивті емес және агрессивтілігі төмен орталарда жұмыс істейтін аппараттарды дайындауға қолданылатын көміртекті болаттар қарапайым сапалы және сапалы болып бөлінеді.
Қышқылдану дәрежесіне байланысты болатты үш түрге бөледі. «Тыныш болатта» FeO мөлшері төмен, болаттың қалыпты тыныш қатуын қамтамасыз етеді. «Қайнайтын болаттар» толық қышқылдандырылмаған, сондықтан қалыпта қатыру кезінде металдан болаттағы FeO көміртегімен әсерлесуі есебінен СО көпіршіктері бөлінеді. Мұндай болаттардың механикалық және технологиялық көрсеткіштері төмен, бірақ арзан. «Жартылай тыныш» болаттар – аралық типтегі болаттар. Болаттың аталған түрлерін маркировкада сәйкесіншесп, кп, псдеп белгіленеді.
Көміртекті, сапасы қарапайым болаттарды тағайындалуына байланысты үш топқа бөледі:
Нормаланатын көрсеткіштеріне байланысты әрбір топтағы болаттар категорияларға бөлінеді:
Аталған категориялар қалыңдығы 4 мм-ден төмен болатын болаттарға қолданылмайды.
Болаттың келесідей маркаларын дайындайды:
Пісіріліп дайындалатын аппараттарға арналған болатта көміртегі мөлшері 0,4 %-дан аспауы керек.
Жоғарылатылған қысымдар және температураларда жұмыс істейтін қазандар мен аппараттарда дайындауға арналған болаттың салыстырмалы ұзаруы 17 %-дан кем болмауы керек, себебі материал обечайкасы майысу және «вальцовка» кезінде үлкен пластикалық деформацияға ұшырайды.
Бұл болаттар – 30-200°С температуралар аймағында және 1,6 МПа-дан аспайтын қысымда сенімді жұмыс жасай алады.
Легирленген болаттар балқыту кезінде арнайы легирлеуші элементтер қосу арқылы алынады және агрессивті жағдайларда жоғары температурада жұмыс істейтін жабдықтарды дайындауда қолданылады.
Легирлеуші элементтер ретінде құймада ферриттегі немесе аустениттегі қатты ерітінділер түзуге қабілетті металдар, арнайы карбидтер, легирленген цементиттер, темірдің интерметалды қосылыстары, оксидтер, сульфидтер және басқа қосылыстар қолданылады.
Легирленген болаттардың атаулары құрамына кіретін негізгі элементтердің атауына сәйкес келеді, мысалы хромды, хром-никельді, хромникелмолибден-ванадийлі және т.с.с. Мұндай атаулар өте күрделі және осы элементтердің құймадағы мөлшері туралы мәлімет бермейді. Осыған байланысты легирленген болаттар үшін элементтердің шартты белгіленуі енгізілген:
Н – никель, Х – хром, М – молибден, Т – титан, Д – мыс, С – кремний, Б – ниобий, А – азот, Г – марганец, Ю – алюминий, В – вольфрам, Ф – ванадий, Ц – цирконий.
Легирлеуші элементтің әріптік белгіленуінен кейін тұрған сан оның құймадағы пайыздық мөлшеріне сәйкес келеді. Легирлеуші компонент мөлшері 1,5%-дан аз болса, сан қойылмайды. Бірінші әріптің алдында тұрған сан жүздік үлестермен берілген көміртегі мөлшерін көрсетеді. Мысалы, 12Х18Н10Т болатында 0,12 % С, 18 %, 10% Ni және 1,5% Ti бар. Белгілеу соңында А әрпінің болуы жоғары сапалылығын көрсетеді.
Маңызды легирлеуші элементтер қатарына Cr, Ni, Mo, Mn, Si, Ti, Nb, Wo, W жатады. Бұл элементтерді болатқа қосу оның конструкциялық қасиеттеріне әсер етеді.
Никель беріктікті, иілгіштікті, тұтқырлықты арттырады, қақталуды жақсартады, коррозиялық тұрақтылықты арттырады, аустенит түзуші элемент болып табылады және барлық аустенитті болаттар құрамына кіреді.
Хром механикалық қасиеттерді, қажалуға төзімділікті және қақталуды жақсартады, коррозиялық тұрақтылықты арттырады және оны отқа төзімді етеді. Хромы жоғары болаттар нашар пісіріледі.
Молибден болаттың беріктік қасиеттерін жақсартады және оның жоғары температураларда сақталуын қамтамасыз етеді. Аққыштық шегін жоғарылатады, хромды болаттардың сынғыштығын төмендетеді, біркелкі ұсақ дәнді құрылымның түзілуіне жағдай жасайды.
Марганец оның болаттағы мөлшері 1%-дан асқанда легирлеуші элемент болып саналады. Болаттың беріктік қасиеттерін жақсартады, аустенитті құрылымның тұрақтылығын жоғарылатады, қақталуын өсіреді, бірақ иілгіштігін төмендетеді және дәннің өсуіне жағдай жасайды.
Марганец мөлшерінің 10-15% өсуі тұтқыр және берік, соққылар мен эрозияға төзімді аустенитті болат алуға мүмкіндік береді.
Кремний болаттағы мөлшері 0,5%-дан асқанда легирлеуші элемент болып саналады. Болаттың беріктігін, коррозиялық тұрақтылығын, отқа және ыстыққа төзімділігін арттырады. Тұтқырлығын төмендетеді, болаттың графиттелуіне әкеледі.
Титан және ниобий – болаттың беріктігін жоғарылататын, оның қақталуына жағдай жасайтын карбид түзуші элементтер. Көптеген хромникельді аустенитті болаттардың құрамына кіреді.
Вольфрам болаттың қаттылығын арттырады. Аспаптық болаттарды легирлеуге қолданылады.
Ванадий иілгіштікті арттырады, болат құрылымын ұсатады, оның пісірілуін жақсартады. Болаттың сутекті коррозияға тұрақтылығын арттырады.
Химиялық тұрақтылығы жоғары болғандықтан жоғары легирленген болаттар химия өнеркәсібінің әртүрлі салаларында кеңінен қолданылады.
Жоғары легирленген болаттар қымбат, тапшы, сондықтан аппараттың коррозиялық тұрақтылығын арттыру керек болғанда оны қос қабатты болат беттерден дайындайды, онда негізгі қабат көміртекті немесе төмен легирленген болат, ал қорғаныш қабаты берілген ортада коррозияға тұрақты жоғары легирленген болаттың жұқа беті болады.
Қос қабатты болаттардың қалыңдығы 4 мм-ден 60 мм-ге дейін болады. Беттердің және коррозияға төзімді қабаттың қалыңдығы 1.1 кестеде көрсетілген мәндерге сай болу керек.
Кесте 1.1. Беттің және коррозияға тұрақты қабат қалыңдықтарының тәуелділігі
| Бет қалыңдығы, мм | Коррозияға тұрақты қабат қалыңдығы, мм | Бет қалыңдығы, мм | Коррозияға тұрақты қабат қалыңдығы, мм |
| 4 | 0,7-1,1 | 22,24,25,26 | 3,0-4,0 |
| 5 | 0,8-1,2 | 28,30 | 3,5-5,0 |
| 6 | 1,0-1,6 | 32,34,36,38, 40,42,45,48, 50,52,55,60 | 4,0-6,0 |
| 7 | 1,2-1,8 | ||
| 8,9 | 2,0-3,0 | ||
| 10,11,12,13,14,15 | 2,0-3,0 | ||
| 16,17,18,19,20,21 | 2,5-3,5 |
Қос қабатты беттер кестеде «+» таңбасымен көрсетілген негізгі және қорғаныш (плакирлеуші) қабаттағы болат маркасының сәйкесуі арқылы дайындайды.
Шойын деп көміртегі мөлшері 2,8%-дан 3,5%-ға дейін жететін темір құймасын айтады. Шойын құрылымы ферритті-перлитті болады. Перлит пен ферриттің өзара әсерлесуіне шойынның механикалық қасиеттері тәуелді болып келеді.
Феррит мөлшері шойынның тұтқырлығын, перлит - қаттылығы мен беріктігін анықтайды. Механикалық қасиеттерінің жеткілікті дәрежеде және арзан болуы шойынды техникада конструкциялық материал ретінде қолданылуын қамтамасыз етеді.
Шойын оңай кесіледі, бірақ иілгіш емес.
Кесте 1.2. Негізгі және плакирлеуші қабаттар болаттары маркаларының сәйкесуі
| Қорғаныш қабаттағыболат маркалары | Негізгі қабаттағы болат маркалары | |||||||||
| Вст3сп | 10 | 20к | 09Г2 | 16ГС | 09Г2С | 10ХСНД | 10ХГСН1Д | 12МХ | 10Х2М1 | |
| 08Х13 | + | – | + | + | + | + | – | – | + | – |
| 08Х17Т | + | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| 15Х25Т | + | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| 08Х18Н10Т | + | – | + | – | + | + | + | – | + | + |
| 12Х18Н10Т | + | – | + | + | + | + | + | + | + | – |
| 10Х17Н13М2Т | + | – | + | – | + | + | – | – | – | – |
| 10Х17Н13М3Т | + | – | + | – | + | + | – | – | – | – |
| 08Х17Н15М3Т | + | – | + | – | + | – | – | – | – | – |
| 06ХН28МДТ | + | – | + | – | + | – | – | – | – | – |
| Монель НМЖМц 28–2,5–1,5 | + | – | + | – | – | – | – | – | – | – |
| Никель НД–2 | + | + | – | – | – | – | – | – | – | – |
Өнеркәсіпте шойынның 10 маркасы шығарылады. (Cr 10-нан Cr 45-ке дейін). Әріптерден кейінгі сан созу кезіндегі беріктіктің орташа мәнін ондық мегапаскальмен көрсетеді. Химиялық аппараттар дайындауда шойынның қолданылуы шектеулі. Олар 250°С-ден аспайтын температурада және 0,6-0,8 МПа-дан артық болмайтын қысымда жұмыс істейді. Олардың химиялық тұрақтылығы төмен.
Сілтілік ерітінділермен және балқымалармен жұмыс істейтін аппараттар дайындау үшін хроммен (0,4-0,8%) және никельмен (0,5-1%) легирленген шойынның екі маркасын шығарады.
Бұл шойындар күйдіргіш натр өндірісінде қолданылады. Азот және тұз қышқылдарының әсеріне ұшырайтын аппараттар мен құбырларды дайындау үшін 15-17% Si бар жоғары кремнийлі шойындар қолданылады.
Антихлор МФ-15 маркалы шойында 15% Si және 4% Мо болады. Ол концентрациялы ыстық тұз қышқылының әсеріне тұрақты. Бірақ бұл материалдар өте сынғыш, тек абразивті материалдармен өңделеді, температуралар айырмасына сезімтал.
Түсті металдар. Химия өнеркәсібінде кең тарағандары алюминий, мыс, титан болып табылады.
Алюминий өзінің бетінде берік оксидті қабат түзетіндіктен, азот қышқылы өндірісінде қолданылады. Одан концентрациялы қышқылдар өндіруге, тасымалдауға және сақтауға арналған жабдықтардың барлығы дерлік жасалады.
Алюминийдің 11 маркасы шығарылады: тазалығы 99,0% болатын АО тазалығы 99,999% болатын А999-ға дейін химиялық жабдықтарды дайындау үшін А7, А6, А5, АО маркалары қолданылады. Алюминийдің жылуөткізгіштігі жоғары (болаттан 4,5 есе артық), тығыздығы төмен, иілгіштігі жоғары. Бірақ құйылу сапасы нашар, кесіп өңделуі қиын, беріктігі төмен.
Берік ету үшін алюминийге мыс пен магний қосып түрөзгеріске (модификация) ұшыратады. Дуралюминийдің беріктігі модификацияланбаған металдардан 4-5 есе артық, бірақ коррозиялық кедергісі төмен, себебі оксидті қабақшаның тұрақтылығы азаяды.
Коррозиялық тұрақтылығын арттыру үшін дуралюминий беттерді тегістеу кезінде таза алюминийдің қорғаныш қабатын түсіреді, оның қалыңдығы негізгі бет қалыңдығының 3-5%–н құрайды. Алюминийден жасалған аппараттарда температура 200°С-тан, қысым 0,6 МПа-дан аспауы керек. Алюминийді пісіру аргон немес гелий атмосферасында жүргізіледі.
Мыс конструкциялық материалдар арасында максимал жылу өткізгіштікке ие және құнды конструкциялық материал болып табылады. Оның 5 маркасын шығарады: М00-ден (99,99%) М4-ке (99,0%) дейін. Химиялық жабдықтарды жасау үшін мыстың М2 (99,7%) және М3 (99,5%) маркаларын қолданады.
Мыс берік оксидті қабат түзбейді. Сондықтан ол «тотықтырғыш» қышқылдардың әсеріне тұрақсыз. Мыстың бағалы қасиеті - өте төмен температураларда беріктік, жылуөткізгіштік және соққылы тұтқырлығын сақтауға қабілеттілігі, бұл оның терең салқындату және жылуалмастыру жабдықтарын дайындауда қолданылуын қамтамасыз етеді. Мысты пісіру аргон ортасында жүргізіледі. Химиялық машиналар жасауда мыстың жез және қола сияқты құймаларын қолданады.
Жез деп мыстың мырышпен құймасын айтады. Көп компонентті жездің құрамына мыстан басқа алюминий, кремний, қорғасын, қалайы, никель, темір, марганец кіреді.
Қола деп мыстың қалайымен, кремниймен, марганец, алюминий, бериллий және басқа металдармен құймасын айтады.
Мыс құймаларын белгілеуде Л және Бр әріптерімен сәйкесінше жез және қалайыны көрсетеді. Одан кейінгі әріптер құймадағы компоненттерді көрсетеді, олар сәйкесінше орыс әріптерімен белгіленеді: А – алюминий, Мц – марганец, Б – бериллий, О – қалайы, Ж – темір, Ц – мырыш, Н – никель, Ф – фосфор және т.б. Сандар құймадағы металл мөлшерін көрсетеді.
Мысалы, ЛАН 59-3-2 – 59% мыстан, 3% алюминийден, 2% никельден, қалған бөлігі мырыштан тұратын жез БрАЖ – 9-4, 9% алюминий, 4% темірден тұратын, қалғаны мыс болып келетін қола.
Жездің коррозиялық тұрақтылығы мыспен салыстырғанда жоғары. Жылу алмасу аппараттарын дайындау үшін Л68 және Л62 жездерін қолданады.
Жездің беріктігі және антифрикциялық көрсеткіштері жоғары. Олар күшті эрозиялық тозу жағдайында жұмыс жасай алады. Мысалы, БрОЦ 10-2, БрАЖМЦ 10-3-1,5 қолалары бұрамдық (червякты) дөңгелектерді, тығыздамалар (сальник), ортадан тепкіш насос дөңгелектерін, арматура дайындау үшін қолданылады. Қолаға қорғасын қосу оның антифрикциялық қасиеттерін жақсартады. Сондықтан БрОСЦ 5-5-5 және БрОС 8-12 қола құймаларын үйкелу подшипниктерін жасауға қолданады.
Титанмен легирленген болаттарды нүктелік коррозияға ұшырайтын және кристалл аралық коррозияға бейімділігі байқалатын орталарда қолданған дұрыс. Оның келесідей маркаларын шығарады: ВТ 1-00 (99,53%), ВТ 1-0 (99,48%) және ВТ 1-1 (99,44%). Қымбаттығына байланысты титан көбіне қалыңдығы 0,5-3 мм болатын қорғаныш қабаты ретінде қолданылады. Титаннан жасалған тығын арматурасы болатқа қарағанда 5-10 есе ұзақ мерзімге шыдайды. Ол жақсы соғылады, штампталады және кесіп өңделеді, 200°С-тан жоғары температураларда газдарды сіңіруге қабілетті.
Титанды пісіру аргон атмосферасында жүреді. Конструкциялық материалдар ретінде титанның циркониймен және танталмен құймаларын пайдаланады.
Титанның танталмен құймасының антикоррозиялық тұрақтылығы жоғары.
Никель және оның құймаларының механикалық қасиеттері және агрессивті орталардағы коррозиялық тұрақтылығы жоғары. Көміртегі, күкірт, қорғасын, висмут, мырыш және еріген газ қоспалары оның механикалық қасиеттерін және коррозиялық тұрақтылығын төмендетеді. Таза никель сирек қолданылады.
НП 2 (99,5% Ni) және НП 3 (99,3% Ni) маркалары көміртекті болаттан жасалған аппараттарды қаптау үшін қолданады.
Никельдің мыспен, молибденмен және хроммен құймаларының коррозиялық тұрақтылығы жоғары.
Цирконийдің коррозиялық тұрақтылығы жоғары, механикалық қасиеттері жақсы, механикалық өңдеудің барлық түрлеріне жарамды. Бөлшектерді цирконий немесе вольфрам электродының көмегімен аргонның қорғаныш атмосферасында пісіреді. Пісіру жіктерінің беріктігі және коррозиялық тұрақтылығы жоғары. Цирконийдің коррозиялық тұрақтылығы оның бетінде қорғаныш қабатының ZnO2пайда болуы есебінен пассивтелуімен түсіндіріледі. Цирконий рН-тың айнымалы мәнінде қышқыл және сілтілер қоспасымен жанасатын аппараттарды дайындауға қолданады.
Ниобий негізгі минералды қышқылдардың және «патша арағының» әсеріне тұрақты, бірақ HF, ыстық H2SO4 ерітінділерінде және сілті балқымаларында бұзылады. Пассивті қабықшалар түзілуіне байланысты концентрлі азот қышқылы өндірісінде қолданылады.
Қорғасын өз уақытында аппарат жасауда маңызды роль ойнады. Оның күкірт қышқылына, сульфат ерітінділеріне тұрақтылығы күкірт қышқылды заттардың жабдықтарын дайындауда қолданылуын қамтамасыз етеді. Бірақ оның жұмсақтығы, тығыздығының үлкендігі және қымбаттығы қазіргі уақытта оның қолданылуын шектеп отыр.