Расчет и конструирование типового оборудования (стр. 4 из 35)
Карбонильная коррозия наблюдается в средах, содержащих значительное количество оксида углерода. Оксид углерода, взаимодействуя с металлической поверхностью деталей, образует карбонильное соединение с железом – пентакарбонил железа FeCO 5 . Продукты коррозии постепенно переходят с поверхности металла в газовую фазу. Карбонильная коррозия представляет собой разновидность поверхностной коррозии материала в газовой технологической среде и сопровождается уменьшением толщины стенки. Основными факторами, определяющими стойкость стали в среде окиси углерода, являются парциальное давление окиси углерода, температура и химический состав стали. Наиболее стойки к карбонильной коррозии стали, содержащие не менее 18% хрома. Высокую стойкость имеют цветные металлы и сплавы. Алюминий практически не подвергается карбонильной коррозии. 
Азотирование стали наблюдается в установках синтеза аммиака, где атомарный азот диффундирует в поверхностный слой металла и взаимодействует с железом и легирующими элементами, образуя нитриды, придающие хрупкость азотированному слою. Азотирование стали сопровождается значительным увеличением объема металла насыщенного азотом слоя, что приводит к появлению значительных напряжений растяжения в материале под азотированным слоем. Исследования показали, что заметное азотирование углеродистых и низколегированных сталей наблюдается при температурах выше 300 С, среднелегированных – при температурах выше 380 С, высоколегированных аустенитных – при температурах выше 400 С. 
Графитизация – явление, связанное с разрушением карбида железа и образованием цепочек свободного графита в основном в зоне сварных швов. Это явление характерно для углеродомолибденовых сталей в области температур 475 – 600С и приводит к снижению ударной вязкости. Для предотвращения графитизации в сталь вводят добавки хрома (не менее 0,6 – 0,8 %).2.3. Влияние температуры и давления на выбор материала
При выборе материалов для аппаратов, работающих под давлением при низких и высоких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких. Понижение прочностных свойств при высоких температурах обусловлено происходящими в металле структурными и фазовыми превращениями. В большинстве случаев для химической аппаратуры, предназначенной для работы при высоких температурах, применяют специальные марки жаропрочных сталей, характеризуемых достаточной механической прочностью и стабильностью структуры при высоких температурах. Наряду с жаропрочностью эти металлы должны обладать также и жаростойкостью, т. е. способностью противостоять коррозионному воздействию среды в условиях длительной работы при высоких температурах.
При статическом приложении нагрузки важными характеристиками для оценки прочности материала являются предел прочности или временное сопротивление Rm и предел текучести Re (или условный предел текучести Rp0,2 ).
При динамическом приложении нагрузки кроме указанных выше характеристик необходимо учитывать также и величину ударной вязкости. Для многих углеродистых и легированных сталей ударная вязкость при низких температурах (обычно ниже минус 40 °С) резко понижается, что исключает применение этих материалов в таких условиях. Ударная вязкость для большинства цветных металлов и сплавов (меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, никеля и его сплавов), а также хромоникелевых сталей аустенитного класса при низких температурах, как правило, уменьшается незначительно, и пластические свойства этих материалов сохраняются на достаточно высоком уровне, что и позволяет применять их при рабочих температурах до минус 254 С.Кроме указанных механических характеристик, при выборе материала для сосудов и аппаратов, работающих под давлением при высоких температурах, учитывают такие свойства, как ползучесть, длительная прочность материала, релаксация, стабильность структуры, тепловая хрупкость, а для сосудов и аппаратов, работающих при пониженных температурах – склонность к хладноломкости.
Явления ползучести и релаксации наблюдаются в сталях при длительной работе при высоких температурах в условиях напряженного состояния. Ползучестью называют способность стали медленно и непрерывно деформироваться под действием постоянной нагрузки при высоких температурах. Сопротивление стали ползучести – основной критерий, по которому судят о теплоустойчивости стали. Теплоустойчивость – это способность стали противостоять ползучести.
Релаксацией называют процесс самопроизвольного уменьшения механических напряжений в деформированных телах, не сопровождающийся изменением деформации (англ. relaxe –расслабляться, смягчаться). При релаксации деформация детали не увеличивается, а напряжение в ней снижается.
Важным фактором для оценки свойств сталей при выборе их для работы в области высоких температур является стабильность структуры. Нарушение стабильности структуры заключается в склонности некоторых сталей к графитизации, межкристаллитной коррозии и тепловой хрупкости.
Тепловой хрупкостью стали называют снижение ударной вязкости при длительной работе в области температур 450 – 600С. При этом остальные показатели механических свойств практически не изменяются. Тепловая хрупкость характерна для низколегированных хромоникелевых сталей. Для предотвращения тепловой хрупкости хромоникелевые стали стабилизируют добавками молибдена, вольфрама, ванадия. Снижение ударной вязкости наблюдается и при работе сталей в области отрицательных температур. Резкое снижение ударной вязкости при отрицательных температурах получило название хладноломкости. При этом предел прочности, предел текучести и модуль упругости сталей возрастают. Однако увеличение значения предела прочности и предела текучести при понижении температуры не учитывается при определении допускаемых напряжений. За расчетную температуру при температурах ниже 20С принимают температуру 20С. Однако, при выборе материала для работы в области отрицательных температур необходимо учитывать критическую температуру хладноломкости, при которой величина ударной вязкости составляет 60 % начального значения при нормальной температуре.2.4. Классификация сталей
Сплавы системы железо – цементит классифицируют следующим образом:
– сплавы, содержащие не более 0,02% углерода, называют техническим железом;
– сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14% углерода, относят к сталям;
– сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода, называют чугуном.
Существует несколько методов классификации сталей: по содержанию легирующих элементов, по числу компонентов (элементов, определяющих свойства стали), по микроструктуре и по назначению.
В зависимости от содержания легирующих элементов стали можно разделить на три группы: низколегированные – содержащие менее 2,5% легирующих добавок; среднелегированные – от 2,5 до 10%; высоколегированные – более 10%.
Классификация сталей по микроструктуре несколько условна. Характерные для какого-либо класса структуры получаются в результате различных режимов термической обработки. Подразделение сталей на классы приведено в таблице 2.1. Более подробно характеристики сталей различных классов рассматриваются в методических указаниях к практическим занятиям [].
Таблица 2.1 Подразделение сталей на классы
| Класс стали | Марка стали |
| Углеродистый | Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп2, 10, 20, 15К, 16К, 18К, 20К, 20ЮЧ |
| Низколегированный марганцовистый, кремнемарганцовистый | 16ГС, 17ГС, 17ГС1, 09Г2С, 10Г2СФ, 10Г2С1, 10Г2, 10Г2С1Д,09Г2, 09Г2СЮЧ, 09Г2СФБ, 16ГМЮЧ |
| Низколегированный хромомолибденовый, хромомолибденованадиевый | 12МХ, 12ХМ, 12Х1МФ, 15ХМ, 10Х2ГНМ, 1Х2М1,20Х2МА |
| Мартенситный | 15Х5,15Х5М,15Х5ВФ, 12Х8ВФ, 20Х13, Х9М, 12Х13 |
| Ферритный | 08Х13, 08Х17Т, 15Х25Т |
| Аустенитно – ферритный | 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ |
| Аустенитный | 10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 10Х17Н13М2Т, 02Х18Н11, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 12Х18Н12Т, 02Х8Н22С6, 03Х19АГ3Н10Т, 07Х13АГ20, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 03Х21Н21М4ГБ |
| Сплавы на железоникелевой и никелевой основе | 16Х28МДТ, 03Х28МДТ, ХН32Т |
Стали ферритного класса содержат мало углерода, свыше 13% хрома или более 2,5% кремния.