Лекция 1 цель крам
| Вид материала | Лекция |
СодержаниеСталь 20Х Сталь 40Х Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА Сталь 20Х13 Сталь 30Х13 Сталь 12ХНЗА 18Х2Н4ВА (В-вольфрам)18Х2Н4МА (М-молибден) Сталь ЭП-164 -08Х15Н24В4ТР Сталь 12Х18НН10Т Сталь 04Х18Н10 Сталь 10Х14Г14Н4Т Сталь 07Х21Г7АН5 (ЭП 222) Сталь 07Х13Н4АГ20 (ЧС 52) Сталь 03Х20Н16АГ6 Сталь 03Х13АГ19 (ЧС 36 ) Сплав 36НХ Цветные металлы и сплавы Механические характеристики цветных металлов и сплавов 1.Термически непрочные 2.Термически упрочняемые. ... Урок 2 (лекция). Тема. , 46.88kb. 1. Углеродистые и легированные стали (для работы в условиях климатического холода) Обозначение легирующей добавки: X - Cr; H - Ni; B - W; M - Mo; Ф - V; T - Ti; Ю- Al; Д - Cu; Г - Mn; C - Si; К - Co; Ц-цирконий ; Р - B(бор); Б - Nb(ниобий); А - N2 азот, если в середине и качественная сталь, если в конце. Обычно криогенные установки работают внутри отапливаемого здания, но часть аппаратов устанавливается на открытом воздухе ,при температуре воздуха более 220К. Свариваемые углеродистые и низколегированные стали составляют 70% объема потребления металла в криогенной технике. 1.1.Углеродистые стали А) Ст 3, Сталь 20 Низкая коррозионная стойкость, невысокая прочность (sв=450 МПа), повышенная пластичность КСИ=700 кДж/м2 Используется - днища, корпуса сосудов под давлением, обечайки. Б) Сталь 45 (sв=640 МПа,КСИ=430 кДж/м2) Среднеуглеродистая сталь, низкая коррозионная стойкость, подвергается термообработке - поверхностное уплотнение токами ВЧ и отпуск. Используется- детали, к которым предъявляют требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (валы); трубы для изготовления баллонов без ограничения по давлению и Т=223-423К. 1.2.Низколегированные хромосодержащие стали А) ^ Сталь 20Х ( sв=400-450 МПа, КСИ=700 кДж/м2) Цементируемая сталь с низкой коррозионной стойкость, износоустойчивая поверхность при вязкой сердцевине. Используются- детали средних размеров повышенной точности (втулки, шпиндели) ; детали, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях ( плунжеры, штоки впускных клапанов кислородных установок) Б) ^ Сталь 40Х (sв=600-700 МПа, КСИ=600 кДж/м2) Повышенная прочность Используется коленчатые валы ; фрикционные диски ; шестерни ; роторы турбокомпрессоров; седла клапанов. Рабочий диапазон температур Т=200-700К. Может использоваться для крепежных деталей. В) ^ Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА ( sв>1000 МПа, s02>850 МПа, КСU>900 кДж/м2, HRC=50. - конструкционная высококачественная, упрочняется азотированием работать ответственные детали с высокой твердостью и минимальной доводкой при т/о -- плунжерные насосы для жидких азота и кислорода, втулки криогенно-газовых машин, цилиндры насосов. 1.3 Хромистые нержавеющие стали Работают в среде влажного пара. А)^ Сталь 20Х13 (sв=700-800 МПа, s02=450-650 МПа, КСU=600-800 кДж/м2 Применяется для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам: седла клапанов, тарелки, уплотняющие элементы арматуры, крепежные детали; Б) ^ Сталь 30Х13 Применяется для деталей с повышенной твердостью: клапаны арматуры, штоки, втулки цилиндров, крепежные детали. 2.Легированные стали для криогенных температур 2.1 Никелесодержащие среднелегированные конструкционные стали. Для повышения вязкости используют закалку и высокий отжиг А)^ Сталь 12ХНЗА - высокая поверхностная твердость в сочетании с вязкой сердцевиной. Используется- корпуса клапанов, валы, цилиндры поршневых детандеров. Б)^ 18Х2Н4ВА (В-вольфрам)18Х2Н4МА (М-молибден) - (sв=1000-1100 МПа, s02=750-800 МПа, KCU=600-100 кДж/м2. Металл используется до 75К, но при статической нагрузке, при т/о sв=1400 МПа. высококачественные цементируемые стали мартенситного класса Используется на ответственных высоконагруженных деталях при статических, циклических и динамических нагрузках при температуре Т=200-670К: шпильки, подвески, оси, валы турбодетандеров 2.2 Нержавеющие стареющие стали Дисперсионно-твердеющие стали аустенитного класса ЭП -электросталь пробная (з-д Электросталь) ЭП-164 или 08Х15Н24В4ТР ЭП-33 или 10Х11Н23Т3МР ЭП 921 или 03Х9К14Н6МЗД Разрабатывались как жаропрочные конструкционные материалы. После т/о и старения имеют повышенную прочность (выше 800 МПа) при сохранении удовлетворительной вязкости при Т>20К. Рабочий диапазон температур 4-1000К. А) ^ Сталь ЭП-164 -08Х15Н24В4ТР Используются: для нагруженных несварных деталей , подвески внутренних сосудов Дьюара, фланцевые соединения, штоки арматуры. Имеет sв>750 МПа, s02>450 МПа, KCU=1100 кДж/м2 при Т=293 К и KCU=900 кДж/м2 при Т=20 К. Б) ЭП-33 - 10Х11Н23ТЗМР Состав- >0,1 % С; >0,6% Si; 0,6 Mn; 10-12,5% Cr; 21-25 % Ni; 2,6-3,2% Ti; 1,0-1,6 %Mo. sв возрастает от 1100 МПа при комнатной температуре до 1560 МПа при Т=20К. Удельная вязкость снижается с 500 до 450 кДж/м2. Рабочий диапазон температур 20-870 К Используются: тяжелонагруженные несварные детали, крепеж, пружины.
В) ЭП 921 - 03Х9К14Н6МЗД - нержавеющая сталь мартенситного класса. Состав - 0,03% C; 0,01% P; 0,1 Si; 8,5-9,5% Cr; 13-14% Co; 6-7% Ni; 3-4% Mo; 1,0-1,5% Cu; 0,2-0,6% Mn; 0,1-0,25% V. Характеризуется высокой прочностью и твердостью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью при низких температурах.Используется: высоконагруженные детали, уплотнительные узлы арматуры ( седла, валы), элементы турбодетандеров- валы, подпятники. Рабочая температура - Т=20-670К. Для горячекатаных листов
2.3. Хромоникелевые аустенитные стали. Основные стали для криогенной техники. Содержат Ni- 8-12%; Cr- 18-20%. Обладают · высокой пластичностью · высокими коррозионными свойствами · хорошая технологичность · высокая усталостная прочность · высокая эксплутационная надежность при длительном статическом нагружении для криотемператур · малая чувствительность к многократно повторяющимся охлаждениям и отогревам под нагрузкой. Недостатки: · высокая стоимость из-за дефицита никеля · низкая прочность, особенно по пределу текучести при нормальных температурах · при повторных нагреваниях ( сварка ) из-за образования карбидов Cr по границам зерен стали и сталь становится склонна к межкристаллической коррозии. Необходимо введение добавок титана и ниобия. Использование: криогенные емкости и трубопроводы, ракеты , космические корабли, баки под жидкий водород А) ^ Сталь 12Х18НН10Т Т=4-870К без ограничения давления. Свариваемость хорошая аргонодуговой сваркой под слоем флюса. Используется: сварные элементы аппаратов, емкостей, трубопроводов - обечайки, днища, патрубки, фланцы; детали арматуры - шпильки, клапаны. После закалки
Б)^ Сталь 04Х18Н10 Особо низколегированная сталь .Сохраняет свойства во всем интервале низких температур. Использование - аналогично А).Рабочие температуры Т=4-725К.
2.4. Хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали. Из-за высокой стоимости никеля его частично или полностью заменяют марганцем, который так же является стабилизатором аустенита. Для повышения прочности аустенитные стали легируют азотом ( он повышает стабильность аустенита, способствует сопротивлению пластической деформации). Следует отметить, что введение в сталь азота осложняет ее сварку. В сталях с азотом необходимо ограничивать содержание углерода с 0,12% до 0,03%. А) ^ Сталь 10Х14Г14Н4Т Имеет низкую прочность при высоких пластичности и вязкости при низких температурах. Используется: для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов ( обечаек, днищ, фланцев, патрубков) , трубопроводов при Т=70-770К. Б) ^ Сталь 07Х21Г7АН5 (ЭП 222) Обладает повышенной прочностью и удовлетворительной вязкостью при криотемпературах. Используется: несварные термообрабатываемые детали - шпиндели, подвески, шпилька. В) ^ Сталь 07Х13Н4АГ20 (ЧС 52) - sв=680 МПа, s02=360 МПа, KCU=1700 кДж/м2 Обладает повышенным пределом текучести, немагнитная. Использование: сварные элементы сосудов и аппаратов. Г) ^ Сталь 03Х20Н16АГ6 Особо низкоуглеродистая сталь. Обладает высокой пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур. Используется: для криогенных сосудов, оболочек, теплообменных аппаратов, трубопроводов, арматуры, работающей под давлением.
Д) ^ Сталь 03Х13АГ19 (ЧС 36 ) Рекомендуется для замены стали 12Х18Н10Т при работе в вакууме. 2.5 Железо-никелевые сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения. Инвары - сплавы железа с никелем, содержание которого 35-50%. Используется: для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры. Жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при Т>20К. При этом отпадает необходимость установки сильфонов, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной. Теплопроводность инвара примерно в два раза меньше, чем у аустенитных сталей. sв=420 МПа, s02=240 МПа. Они имеют стоимость в 5-10 раз ниже 12Х18Н10Т А) ^ Сплав 36НХ Состав: 0,05% C; <0,3% Si; <0,02 S; <0,02%P; <0,025% Cu; 0,3-0,6% Mn; 0,4-0,7% Cr; 35-36% Ni; Fe - основа. Б) Сплав 47НД Имеет температурный коэффициент расширения близким к стеклу.Обладает магнитными свойствами. Используется: для корпусов герметичных электрических вводов. Вакуумно-плотный спай сплава 47НД и стекла сохраняет работоспособность при охлаждении до 4К. Лекция 4 Механические свойства при низких температурах
Общая закономерность изменения прочностных характеристик сохраняется, но показатели пластичности остаются достаточно высокими, чтобы обеспечить надежную работу стали до 4 К. ^ ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ С понижением температуры прочностные показатели возрастают ( предел прочности, упругости, твердости). При этом пластичность и ударная вязкость понижается мало и у некоторых металлов возрастает ( медь, латунь). Ударная вязкость Cu, Al , Pb, Ni при 80К в 1,2-1,5 раз выше, чем при 300К. ^ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Алюминий и его сплавы Сплавы алюминия имеют низкую плотность, обладают коррозионной стойкостью и довольно высокими механическими свойствами. В криогенной технике ( при Т<120 К) потребление алюминия составляет около 30% потребления металла ( в виде листов ). Хорошая тепло- и электропроводность используется для изготовления различных теплообменников. Следует отметить, что от алюминия отказываются, если данные детали определяют теплопритоки к охлаждающим деталям. Например, сосуд Дьюара из алюминия, а горловина из нержавеющей стали или полимера. Алюминиевые сплавы имеют более высокий коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. В жесткозащемленных элементах конструкций это способствует увеличению термических напряжений. Прочность алюминиевых сплавов может достигать 500 МПа, но за счет малой плотности r=2700 кг/м3 удельная прочность высокая и приближается к высокопрочным сталям. Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости: ударная вязкость равномерно понижается с уменьшением температуры. Сварка алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей. При высокой теплоемкости и теплопроводности необходимо обеспечить достаточно интенсивный и концентрированный нагрев при сварке. На качество сварного шва отрицательно влияет окисная пленка - имеющая температуру плавления 2320К. Ее удаляют травлением металла в щелочном растворе , промывкой водой ( 2 раза ) , зачисткой щетками. Окончательно пленка разрушается дугой во время сварки. Сварка необходима дуговая вольфрамовым электродом в среде инертных газов. При качественной сварке статическая прочность сварных соединений термически непрочных сплавов близка к прочности основного металла. При циклической нагрузке прочность сварных соединений намного ниже, чем основного металла. Пример: сплав АМr 5 - sв=120 МПа для основного металла и sв=50 МПа для сварного шва за циклов, j=0,6. При сравнении сварных изделий из аустенитных сталей и алюминиевых сплавов следует отметить, что стали имеют лучшие характеристики, однако дефицитность никеля заставляет улучшать качество сварки алюминиевых сплавов. Наиболее широко используемые сплавы: ^ 1.Термически непрочные а) АмцС - система Al-Mn ( 1-1,4%) .Используется для малонагруженных трубопроводов, обечаек, днищ, пластинчато-ребристый теплообменник. б) Магналии - система Al-Mg (< 7% ) AMr5, AMr6 . Используются для нагруженных деталей в т.ч. сварных : обечайки , днища , фланцев, трубных решеток. Отмечается удачное сочетание прочности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости. ^ 2.Термически упрочняемые. АК6 , АК8 - деформируемые ( ковочные сплавы ) системы Al-Cu-Mg-Si AK6: 1,8-2,6 Cu; 0,4-0,8Mg; 0,7-1,2 Si; 0,4-0,8 Mn AK8: 3,9-4,8 Cu; 0,4-0,8 Mg; 0,7-1,2 Si Используются для штампованных и кованных деталей сложной формы Т=20-423К. Сплавы склонны к коррозионному растрескиванию под нагружением и разрушаются в зоне сварного шва. ^ 3. Литейные сплавы. Сплавы системы Al-Si : Al2 ( силумин ) ,Al9. Имеют хорошие литейные свойства, пониженная прочность при удовлетворительной коррозионной стойкости. Al2 - 10-13 % Si , [s]в=150 МПа. Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации малонагруженных деталей, в том числе, испытывающих ударную нагрузку. Al9 - 6-8 % Si; 0,2-0,4 % Mg Используется для литых тонкостенных сложных по конфигурации нагруженных деталей. Т=77-420К, [s]в=160-200 МПа ( т.о.-закалка). Титан и его сплавы Химически активен, сварка в защитном среде, удовлетворительная пластичность и вязкость до 4К, низкая теплоемкость и теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения ( в 2 раза ниже, чем у 12Х18Н10Т )Б модуль нормальной упругости также ниже в 2 раза, поэтому приходится увеличивать толщину деталей. ВТ5-1 - 4-6% Al; 2-3% Sn. T=2-0770 K, sв=740-900 МПа. Применяется в космической технике. Медь и ее сплавы Традиционный материал в криогенике. Плотность r=8900 кг/м3. Обладает: 1. Высокой теплопроводностью; 2. Хорошими технологическими свойствами; 3. Не имеет порога хладноломкости; 1. Технически чистая медь М00-99,99% Cu; М0-99,95% Cu; М1-99,9% Cu; М2-99,7% Cu; М3-99,5% Cu. Применяется: различные трубчатые конструкции- витые и прямотрубные ТО, трубчатые конденсаторы; листовая медь- внутренние емкости и сосуды Дьюара. ^ 2. Латуни - сплав меди с цинком ЛК 80-3Л - 80% Cu, 3% Zn ; [s]в=400 Мпа ; KCU=200 кДж/м2 - корпуса арматуры, детандеры. Л63-63% Сu ( остальное медь) - сплав повышенной прочности; [s]в=430 МПа; КСU=1200 кДж/м2 Используется в сварных и паяных деталей криогенных аппаратов:обечаек, днищ, фланцев. ЛЖМц59-1-1 - 59% Сu , 1% Fe, 1% Mn Т=20-523К, склонность к растрескиванию. ^ 3. Бронзы- сплав меди, алюминия с содержанием железа и марганца. Литейные и деформируемые сплавы, обладают повышенной прочностью, износостойкостью, коррозионностойкостью. БрАЖМц 10-3-1,5 -10% Al, 1% Fe, 1% Mn ; [s]в=590 МПа; НВ=130; КСU=1000 кДж/м2 Применяется для статически и циклически нагруженных деталей, узлов, где требуется малый коэффициент трения- шестерни, элементы подшипников, направляющих втулок. БрАЖН10-4-4 - 10% Al; 4% Fe; 4% Ni , [s]в=700-800 МПа ; НВ=179; КСU=2800 кДж/м2, Т=77-425 К. Применяется для нагруженных литых и кованных деталей- втулок, шестерен, седел клапанов. БрБ2 - термически упрочняемый сплав меди и берилия Ве , Ве-1,8-2,1% , Ni -0,2-0,5% Обладает высоким пределом упругости, прочности, релаксационной стойкостью, выносливостью, износостойкостью, пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур Т=4-525К, sв=750-1170 МПа, НВ=150-300. Применяются для изготовления пружин, упругих элементов, искробезопасного специального инструмента . Механические свойства сварных и паяных соединений при низких температурах В результате испытаний показано, что с понижением температуры механические свойства сварных швов изменяются примерно аналогично свойствам основного материала. Сварной шов - это место концентрации напряжений и загрязнений и обычно хрупкое состояние наступает в зоне шва или зоне термического влияния раньше, чем в основном металле. Для повышения показаний пластичности при низких температурах для низкоуглеродистых и малолегированных сталей рекомендуется в качестве наплавляемого материала использовать высоколегированные стали аустенитного класса. Термообработка сварных изделий существенно улучшает работоспособность конструкции, смещая порог хладноломкости в сторону более низких температур. ^ Широко применяются паяные соединения. Прочность оловяно-свинцовых припоев возрастает с понижением температуры, но одновременно уменьшается их пластичность из-за фазового превращения свинца. Повышение в припое Sb увеличивает ударную вязкость. ^ Характеристики некоторых припоев
Многолетний опыт эксплуатации ожижителей воздуха, водорода, гелия показал, что соединения выполненные оловянно-свинцовыми, медно-цинковыми и серебряными припоями достаточно хорошо работают до гелиевых температур. Лекция 5 ^ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Свойства: 1. Низкая плотность- в 5-8 раз меньше стали и меди, в 2 раза меньше алюминия; 2. Низкая теплопроводность, хорошие изоляционные свойства; 3. Высокая удельная прочность ( иногда выше металлов ); 4. Эластичность при криогенных температурах; 5. Большая адгезия к металлам; 6. Хорошие антифрикционные свойства при переменной температуре; 7. Немагнитность. Применение полимерных материалов позволяет: · Существенно уменьшить теплоприток через тепловые мосты и теплоизоляцию · Повысить герметичность арматуры · Повысить долговечность узлов трения · Изготовлять немагнитные криостаты. Определенная структура полимерных материалов на молекулярном уровне обеспечивает гибкость длинноцепных молекул при криотемпературах. Такое строение полимера обеспечивает его не хрупкое разрушение благодаря способности к высокоэластичным и вынужденно эластичным деформациям. Механические свойства пластмасс с наполнителями в значительной степени зависят от свойств, количества и ориентации волокон наполнителя. Полимеры условно делятся по прочности на 3 группы: 1. Низкая прочность - sр< 60 МПа ( полиэтилен, полистирол ) 2. Средняя прочность - sр=60-100 МПа ( капрон, текстолит, гетинакс, полиамид) 3. Высокая прочность -sр > 100 МПа (стеклопластики, стеклотекстолит) Влияние температуры на предел прочности и ударную вязкость
Механические свойства пластмасс
* - предел текучести при сжатии
Механические свойства полимеров при Т=4,2 К Раньше основным материалом для криогенных температур был фторопласт-4 ( политетрафторэтилен). Последние 10-20 лет разработаны новые материалы: · поликарбонаты · полиимиды · полисульфоны · полиарилаты У них по сравнению с фторопластом-4 в 2-4 раза выше остаточная деформация, в 2-15 раз больше работа разрушения при Т=4К. Применение 1. Материалы уплотнений а). поликарбонат дифлона б). полиамиды в). фторопласты На подложку из стали 12Х18Н10Т наносится полимерное покрытие толщиной 100-120 мкм. Клапаны с уплотнением из поликарбоната выдерживают до 10 тыс. срабатывания клапана без утечек. 2. Опоры , стержни-фиксаторы криогенных резервуаров, горловины сосудов. Стеклопластики (АГ-4С; 27-63) - композиционные материалы, состоящие из армирующего стекловолокна, которое скреплено в монолитную конструкцию связывающим полимерным клеем. Наибольшим значением адгезии к стекловолокну обладают эпоксидные смолы. При криогенных температурах прочность стеклопластиков возрастает в 2-3 раза с одновременным возрастанием ударной вязкости на 30-40%. Стеклопластики как теплоизоляционный материал обладают наивысшими показателями эффективности  где s- эксплутационное напряжение; l-коэффициент теплопроводности. По отношению к нержавеющей стали  3. Узлы трения при низких температурах. Металлические узлы трения, которые эксплуатируются при криогенных температурах без смазки склонны к схвачиванию ( свариванию ) и поэтому становятся неработоспособными. Особенно этот недостаток проявляется в вакууме ( р=10-7 Па). Полимеры свободны от этого недостатка. Антифрикционные материалы на основе фторопласта-4, полиимиды применяются на направляющих втулках, арматуре. Лекция 6 ^ ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТЫ ДЛЯ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ Сосуды и аппараты, применяемые в промышленности принято считать тонкостенными, если толщина их стенки не 10% внутреннего диаметра. Такие аппараты и сосуды эксплуатируются обычно до давления не более 10 МПа. Основным узлом сосуда и аппарата является корпус, который определяет его форму, размеры , производительность и стоимость. Корпус изолирует обрабатываемую среду, подвергаясь ее химическому воздействию и воспринимая при этом механические и тепловые нагрузки. Таким образом, надежность работы аппарата во многом зависит от надежности его корпуса. Корпуса аппаратов состоят из оболочек (обечаек) различной конфигурации, соединенные друг с другом как неразрывными ( сварными) , так и разъемными ( фланцевыми) соединениями. Корпус чаще всего работает в условиях статических нагрузок под внутренним избыточным давлением, вакуумом или наружным избыточным давлением, а также под воздействием осевых, поперечных сил и изгибающих моментов. Основные расчетные параметры для выбора конструкционного материала и расчет оборудования на прочность содержится в ГОСТ 14249-89 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность". К основным расчетным параметрам относятся: 1.ТЕМПЕРАТУРА. 1.1 Рабочая температура - это температура среды содержащаяся в аппарате или перерабатываемая в нем при нормальном протекании в нем технологического процесса. 1.2 Расчетная температура - наибольшее значение температуры стенки. Ее определяют на основании теплотехнических расчетов или результатов испытаний. Если температура стенки ниже 20о С , то за расчетную принимают 20оС. 2.ДАВЛЕНИЕ. 2.1 Рабочее давление - максимальное внутреннее избыточное или наружное давление возникающее в сосуде или аппарате при нормальном протекании в нем рабочего процесса . При этом не учитываются: А) гидравлическое давление среды, Б) допустимое кратковременное повышение давления во время действия предохранительного клапана. ( при срабатывании клапана). 2.2. Расчетное давление ( в рабочих условиях) - давление, при котором производится расчет на прочность элементов сосудов и аппаратов. Как правило, расчетное давление равно рабочему или выше его: рр=р + рг где рг - гидростатическое давление среды. Если (рг/р)х100% меньше или равно 5% , то рр=р - если во время действия предохранительных устройств давление в аппарате повышается больше, чем на 10% по сравнению с рабочим, расчет должен - производиться на давление, равное 90% давления при полном открытии предохранительного устройства  - при расчете элементов, разделяющих пространство с разными давлениями за расчетное принимают либо каждое давление в отдельности, либо то, которое требует большей толщины стенки; если давление с разных сторон дейс- твует одновременно, то производится расчет на разность давлений.При расчете берется разность давлений, если данные о вакууме отсутствуют , то р2=0 - аппараты, работающие под вакуумом, обычно испытывают внутренним давлением на 0,2 МПа - если действует гидростатическое давление, которое превышает рабочее на 5%, то расчетное давление повышается на ту же величину. 2.3. Пробное давление - максимальное давление, при котором производится испытание сосуда.. Испытание бывает гидравлическим или пневманическим. Величина давления регламентируется ГОСГОРТЕХНАДЗОРОМ и указана в таблице. Различают испытание на заводе-изготовителе и испытание при периодическом освидетельствовании аппарата. Испытание аппарата проводят гидравлически на пробное давление , указанное в таблице. При этом для сосудов и их элементов , работающих при отрицательной температуре, ри принимается таким же, как при Т=200С. Для сосудов, работающих при температуре стенки +2000С до +4000С ри не должно превышать р более чем в 1,5 раза, а при температуру свыше +4000С - не более чем в 2 раза. Для сосудов высотой более 8 м пробное давление следует принимать с учетом гидростатического давления в рабочих условиях, т.е. в таблице вместо р принимают рр. Расчетное давление в условиях испытаний - давление, которому подвергаются сосуды во время пробного испытания, если гидростатическое давление повышается более 5%, то оно прибавляется. Величину пробного давления при испытаниях измеряют в верхней точке аппарата, где установлен манометр. Пробное давление выдерживают в течение 5 мин., после чего давление снижают до рабочего, и при рабочем давлении проводят осмотр и обстукивание сварных швов. При заполнении аппарата необходимо следить за тем, чтобы в нем не остался воздух, наличие которого можно видеть по неустойчивому положению стрелки манометра. При спуске воды из аппарата следует открыть воздушник, чтобы предотвратить нежелательное действие на аппарата внешнего давления. В тех случаях, когда провести гидравлическое испытание невозможно из-за больших напряжений в стенках или фундаменте аппарата, или при трудностях удаления воды после испытания аппарата разрешается проводить пневматическое испытание на такое же пробное давление. При этом ввиду повышенной опасности пневматического испытания люди должны находиться в безопасных местах. После снижения давления до рабочего проводят осмотр и проверку плотности швов мыльной пеной. Обстукивание швов под давлением при пневматическом испытании запрещается. При проведении испытания воздухом следует предварительно провести продувку аппарата водяным паром до полной очистки его от взрывоопасных продуктов, если такие продукты там содержались. Аппараты , работающие под вакуумом , испытывают гидравлически давлением 2 атм или пневматически на давление 1,1 атм. 3.Допускаемые напряжения. Коэффициенты запаса. Допускаемые напряжения - это напряжения, обеспечивающие надежную работу оборудования без перерасхода конструкционных материалов. Если аппарат работает при статической однократной нагрузке, то допускаемые напряжения определяются следующим образом (отметим, что если аппарат работает при многократной статической нагрузке и количество циклов нагружения < или = 1000 , то такая нагрузка считается однократной) : 1. Для углеродистых и низколегированных сталей  2. Для аустенитных сталей  3. Для условий испытаний А). Для углеродистых сталей  или  Б). Для аустенитных сталей  или  Предел ползучести используется для определения , когда отсутствуют данные по пределу длительной прочности или необходимо ограничивать величину деформации. Обозначения: Re - предел текучести ( его минимальное значение при расчетной температуре)-sт в МПа; Re20 - минимальное значение предела текучести при температуре 20оС; Rp0,2 - минимальное значение условного предела текучести при расчетной температуре (напряжение, при котором остаточное удлинение 0,2%)-s0,2,МПа; R20p0,2 - минимальное значение условного предела текучести при температуре 20оС; Rm - минимальное значение временного сопротивления ( предела прочности) при расчетной температуре, sв,МПа; Rm/105 - среднее значение предела длительной прочности за 105 часов при расчетной температуре,sд 105 ,МПа; Rp1,0/105 - средний 1% предел ползучести за 105 часов при расчетной температуре,s1%/105; Rp1,0 - минимальное значение условного предела текучести при расчетной темпера- туре, s1,0( напряжение, при котором остаточное удлинение 1%). h - поправочный коэффициент к допускаемым напряжениям. Как правило, h=1.Исключения- h=0,8 для отливок, подвергающихся индивидуальному контролю неразрушающими методами; h=0,7 для остальных отливок. nt - коэффициент запаса прочности по пределу текучести; nв - коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению; nд- коэффициент запаса прочности по пределу длительной прочности; nп - коэффициент запаса прочности по пределу ползучести
Механические характеристики сталей берутся из ГОСТа. Для элементов аппаратов, работающих в условиях ползучести при разных за весь период эксплуатации расчетных температур, в качестве допускаемого напряжения разрешается принимать эквивалентное напряжение  где [s]1- допускаемое напряжение для расчетного срока эксплуатации для i-й температуры; Тi - длительность этапов эксплуатации элементов с температурой стенки ti ( час)  - общий расчетный срок эксплуатации.m - показатель степени в уравнениях длительной прочности сталей ( для легированной стали m=8); nд - коэффициент запаса устойчивости; при расчете на устойчивость по нижним критическим напряжениям в пределах упругости следует принимать: - для рабочих условий nд=2,4; - для условий монтажа и испытаний nд=1,8. 4. Коэффициенты прочности сварных швов - j . При расчете на прочность сварных элементов аппаратов в расчетные формулы следует вводить коэффициент прочности сварных соединений. Если контролируется вся длина сварного шва - j=0,8-1; Для стыкового или таврового шва с двусторонним сплошным проваром, выполненного автоматической или полуавтоматической сваркой j=1,0. Если длина контролируемого шва составляет 10-50% - j=0,65-0,9. Для стыкового шва, выполненного с одной стороны вручную - j=0,65 5.Прибавки к расчетным толщинам конструктивных элементов. Исполнительная толщина стенки аппарата определяется как  где S - исполнительная толщина; Sp - расчетная толщина стенки элемента аппарата; С - прибавки: С1 - прибавка для компенсации коррозии или эрозии, С2 - прибавка на минусовой допуск листа, С3- технологическая прибавка, компенсация утонения стенки элемента аппарат при технологических операциях вытяжки,штамповки,гибки труб; С2 и С3 учитываются, если (С2+ С3) превышает 5% номинальной толщины листа. С=С1 + С2 + С3 С1 = Пxtв + Сэ, где - Сэ - прибавка для компенсации эрозии ; П - проницаемость среды в материал ( скорость коррозии); tв - срок службы аппарата. При изготовлении химического оборудования применяются материалы, у которых скорость коррозии П Ј 0,1 мм/год. Лекция 7 ^ РАСЧЕТ КОРПУСОВ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Исходным уравнением для получения расчетной формулы при расчете на прочность тонкостенного аппарата служит уравнение Лапласа, которое является уравнением так называемой безмоментной теории расчета тонкостенных оболочек, учитывающие только растягивающие напряжения. В действитель-ности, оболочка под внутренним давлением работает на растяжение и изгиб. Величина изгибающих напряжений бесконечно мала по сравнению с напряжениями от растяжения. В цилиндрическом аппарате кольцевые напряжения s2 в 2 раза больше меридиональных напряжений s1 и поэтому продольный сварной шов или продольное сечение цилиндра являются наиболее опасными.  Согласно первой теории прочности опасными напряжениями являются наибольшие нормальные напряжения. Для цилиндрического аппарата - это кольцевые напряжения и по ним необходимо вести расчет.  Первая теория прочности соответствует в большей степени работе хрупких материалов . |