Затворы аппаратов высокого давления с упругой деформацией. Конструкция

Влияние различных факторов (температуры, природы и концентрации реагентов, особенностей конструкции) на скорость коррозии

Ø состояние поверхности – полировка, шлифовка приводят к значительному снижению скорости коррозии (меньше трещин, дефектов), в атмосферных условиях вероятность конденсации водяного пара на гладких поверхностях значительно меньше, чем на шероховатых, так коррозионная стойкость полированных образцов стали Х18Н10Т в 6–12 раз выше, чем для грубошлифованных;

Ø механическое напряжение в металле – коррозионному растрескиванию подвержен металл сварного шва, так как в зонах, примыкающих к шву, возникают растягивающие усилия, изменяющие состав и структуру металла, по этой причине не рекомендуется использовать швы внахлестку, швы химической аппаратуры свариваются преимущественно встык.

Лотковый вибрационный питатель. Устройство, применение

В последнее время широкое применение находят вибрационные питатели, используемые для пылевидных, зернистых и кусковых материалов. К их достоинствам можно отнести простоту и надежность в использовании. Такие питатели снабжены вибраторами (чаще всего электромагнитными, когда количество дозируемого материала регулируется изменением напряжения). Скорость движения материала по лотку составляет 0,1–0,3 м/с.

Способы изготовления толстостенных аппаратов

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.

Бункеры и затворы для сыпучих материалов

Бункеры должны отвечать следующим требованиям:

· непрерывность потока и равномерность истечения материала при открытом затворе;

· обеспечение постоянной плотности материала независимо от степени заполнения бункера;

· отсутствие «мертвых зон».

Затворы аппаратов высокого давления с пластичной деформацией. Конструкция

№63 Аппараты для разделения гетерогенных систем (газ – твердое)

Расчет колонных аппаратов на прочность и устойчивость

К колонным аппаратам относятся вертикальные цилиндрические сосуды постоянного или переменного сечения с внутренними устройствами либо без них, предназначенные для осуществления тепломассообменных процессов.

Наиболее ответственными частями колонных аппаратов являются корпус и опорный узел, на которые помимо действующей нагрузки от давления реакционной среды, силы тяжести аппарата и реагентов в нем оказывают дополнительное воздействие внешние силы, а именно – ветровая и сейсмическая нагрузки. Поэтому действие данных сил необходимо учитывать при расчете аппаратов колонного типа. Нормы и методы расчета колонных аппаратов регламентируются следующими нормативными документами:

– ГОСТ 24756–81 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность». Этот документ регламентирует методику определения расчетных усилий, возникающих в элементах аппаратов колонного типа от ветровой и сейсмической нагрузок, в частности: определение периода собственных колебаний, определение изгибающего момента от ветровой нагрузки и усилий от сейсмических воздействий;

– ГОСТ 24757–81 «Сосуды и аппараты колонного типа». Он устанавливает методы расчета на прочность и устойчивость колонных аппаратов под действием внутреннего или наружного давления, собственного веса и изгибающих моментов от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий.

Толщину стенок цилиндрического корпуса, конических переходов и днищ определяют по ранее рассмотренным методикам расчета тонкостенных цилиндрических обечаек, исходя из величин избыточного внутреннего или наружного давления. После чего стенки аппарата рассчитываются на прочность и устойчивость с учетом действия ветровой нагрузки и сейсмического воздействия (расчет приведен в разделе 4 ГОСТ 24756–81).

Расчет толщины и высоты стенки опорной обечайки узла, а также проверка напряжения изгиба приводятся в 5 и 6 разделах ГОСТа. Кроме того, ГОСТ регламентирует методику расчета анкерных болтов.

Представленные в ГОСТ расчеты достаточно трудоемки, поэтому лишь кратко ознакомимся с алгоритмом расчетов на примере расчета корпуса колонного аппарата.

Прежде всего, необходимо отметить, что согласно ГОСТ расчету на ветровую нагрузку подлежат не все вертикально расположенные аппараты, а только удовлетворяющие следующим условиям:

высота аппарата Н >10 м при Н ≥ 1,5D_min.; либо Н ≤10 м при Н ≥ 5D_min

Расчету на сейсмическое воздействие подлежат аппараты колонного типа, расположенные в районах с сейсмичностью 7 и более баллов. Республика Беларусь не является сейсмически опасным регионом, поэтому для промышленных предприятий, расположенных на территории страны, расчеты на сейсмическое воздействие не выполняются (в рамках настоящего курса не рассматриваются).

Колонну рассчитывают как консольный упруго защемленный стержень. При этом аппарат разбивается на z участков (h_z ≤ 10 м), вес участка принимается сосредоточенным в середине участка, а ветровая нагрузка, распределенная непрерывно по высоте аппарата заменяется сосредоточенными горизонтальными силами, приложенными в середине каждого из z участков.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки в расчетном сечении на высоте х₀ определяется по формуле

где Р_i – ветровая нагрузка на i-м участке; M_vj – изгибающим момент от действия ветра на обслуживающую площадку j на высоте х₀, Н ∙ м.

Р_i = Р_{i st}+ Р_{i dyn},

где Р_{i st}– статическая составляющая ветровой нагрузки; Р_{i dyn} – динамическая составляющая ветровой нагрузки;

методика расчета Р_{i st} и Р_{i dyn} дана в ГОСТе.

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие основные расчетные сечения (рисунок):

– поперечные сечения корпуса, переменные по толщине стенки или диаметру;

– сечение в месте присоединения опорной обечайки;

– сечение в местах расположения отверстий в опорной обечайке;

– в месте присоединения опорного кольца;

– дополнительные сечения для расчета местных нагрузок.

Колонный аппарат рассчитывается для следующих условий работы:

– рабочие условия;

– условия испытаний;

– условия монтажа.

Для рабочих условий, т. е. условий эксплуатации осевое сжимающее усилие F₁ = G₁, где G₁ – вес колонны в рабочих условиях, включая вес обслуживаемых площадок, рабочей среды, изоляции, Н (кгс).

Расчетный изгибающий момент

М₁ =

где – изгибающий момент от действия эксцентричных ветровых нагрузок в сечении.

Р₁ – расчетное давление в рабочих условиях, измеряемое на высоте х₀ (внутреннее избыточное давление Р > 0 или наружное давление P < 0), МПа.

Расчет стенок колонного аппарата включает проверку на прочность и устойчивость.

Расчет на прочность. Сначала во всех сечениях корпуса выполняют расчет напряжений.

1. Продольные напряжения:

– на наветренной стороне вычисляются по формуле

– на подветренной стороне по формуле

2. Кольцевые напряжения рассчитывают по формуле

3. Эквивалентные напряжения:

– на наветренной стороне вычисляются по формуле

где φ_т – коэффициент прочности кольцевого сварного шва; φ_р – коэффициент прочности продольного сварного шва;

– на подветренной стороне по формуле

Проверка условий прочности:

– на наветренной стороне:

max {| |; } если то

– на подветренной стороне:

max {| |; }

где – допускаемое напряжение для материала корпуса колонны, МПа.

Проверка устойчивости проводится для колонн, работающих под внутренним избыточным давлением и без давления. Если толщина стенки опорной обечайки меньше либо равна толщине самой нижней обечайки колонны, то расчет на устойчивость для колонны не проводят. В противном случае для каждого расчетного сечения проводят проверку устойчивости по формуле

где [F] и [М] – допустимые усилия по ГОСТ 14249–80.

Для колонн, работающих под наружным давлением, проверка проводится по формуле

Химическая коррозия

Химическая коррозия- это вид коррозионного разрушения металла, связанный с взаимодействием металла и коррозионной среды, при котором одновременно окисляется металл и происходит восстановление коррозионной среды. Химическая коррозия не связана с образованием, а также воздействием электрического тока.

Движущей силой (первопричиной) химической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Они могут самопроизвольно переходить в более устойчивое состояние в результате процесса:

Металл + Окислительный компонент среды = Продукт реакции

При этом термодинамический потенциал системы уменьшается.

По знаку изменения термодинамического потенциала можно определить возможность самопроизвольного протекания химической коррозии. Критерием обычно служит изобарно-изотермический потенциал G. При самопроизвольном протекании химического процесса наблюдается убыль изобарно-изотермического потенциала. Поэтому, если:

Δ GТ < 0, то процесс химической коррозии возможен;

Δ GТ > 0, то процесс химической коррозии невозможен;

Δ GТ = 0, то система находится в равновесии.

Виды коррозионных разрушений. Изменение поверхности металла в результате коррозионных процессов может быть различными в зависимости от свойств металла и коррозионной среды. На их развитие очень сильно влияет механическая напряженность металла.

Наиболее опасной является местная коррозия, которая при малой общей коррозии в отдельных местах может создать резкую концентрацию механических напряжений, в свою очередь содействующих дальнейшему разрушению металла.

Выявляемые микроскопическим исследованием коррозионные разрушения все опасны и особенно интеркристаллитная коррозия, ослабляющая связь между металлическими зернами, и транскристаллитняя коррозия, возникающая под действием, механических напряжений и приводящая к развитию трещин. Наименее опасна селективная коррозия — результат травления стали при сохранении карбидных зерен (цементит, мартенсит) или потеря цинка из латуней.

Типы коррозионных процессов. Часто одни и те же типы коррозионных разрушений металла могут быть вызваны разными процессами коррозии. Коррозионные процессы бывает трудно отнести только к какому-либо определенному типу, так как они нередко происходят одновременно (атмосферная коррозия). По природе гетерогенных процессов взаимодействия окружающей среды с металлами эти процессы можно разделить на два основных типа:

- газовая коррозия - коррозионное разрушение под воздействием газов при высоких температурах;

- коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

Газовая коррозия

Газовая коррозия - наиболее распространенный вид химической коррозии. При высоких температурах поверхность металла под воздействием газов разрушается.

Газовой коррозии подвержены детали и узлы машин, работающих при высоких температурах, — двигатели поршневого и турбинного типа, ракетные двигатели и т. п. Химическое сродство большинства металлов к кислороду при высоких температурах почти неограниченно, так как оксиды всех технически важных металлов способны растворяться в металлах и уходить из равновесной системы:

2Ме(т)+O2(г) 2МеО(т);

МеО(т) [МеО] (р-р)

В этих условиях окисление всегда возможно, но наряду с растворением оксида появляется и оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс окисления.

Скорость окисления металла зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии окислителя через пленку, а поэтому защитное действие пленки тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность. Сплошность пленки, образующейся на поверхности металла, можно оценить по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла (фактор Пиллинга—Бэдвордса).

Коэффициент a (фактор Пиллинга — Бэдвордса) у разных металлов имеет разные значения (табл. 1).

Таблица 1. Значение коэффициента a для некоторых металлов

Металл	Оксид	a	Металл	Оксид	a
Mg	MgO	0.79	Zn	ZnO	1.58
Pb	PbO	1.15	Zr	ZrO2	1.60
Cd	CdO	1.27	Be	BeO	1.67
Al	Al2O2	1.31	Cu	Cu2O	1.67
Sn	SnO2	1.33	Cu	CuO	1.74
Ni	NiO	1.52	Ti	Ti2O3	1.76
Nb	NbO	1.57	Cr	Cr2O3	2.02
Nb	Nb2O3	2.81

Существует три вида пленок, которые могут образоваться:

- тонкие (невидимые невооруженным глазом);

- средние (дают цвета побежалости);

- толстые (хорошо видны).

Чтобы оксидная пленка была защитной, она должна отвечать некоторым требованиям: не иметь пор, быть сплошной, хорошо сцепляться с поверхностью, быть химически инертной по отношении к окружающей ее среде, иметь высокую твердость, быть износостойкой.

Если пленка рыхлая и пористая, кроме того имеет еще плохое сцепление с поверхностью - она не будет обладать защитными свойствами.

Металлы, у которых a<1, не могут создавать сплошные оксидные слои, и через несплошности в слое (трещины) кислород свободно проникает к поверхности металла.

Сплошные и устойчивые оксидные слои образуются при a = 1,2—1,6, но при больших значениях a пленки получаются несплошные, легко отделяющиеся от поверхности металла (железная окалина) в результате возникающих внутренних напряжений.

Фактор Пиллинга — Бэдвордса дает очень приближенную оценку, так как состав оксидных слоев имеет большую широту области гомогенности, что отражается и на плотности оксида.

Процесс появления на поверхности оксидной пленки можно условно разделить на две стадии:

- на поверхности металла, которая непосредственно контактирует с атмосферой, адсорбируются молекулы кислорода;

- металл взаимодействует с газом с образованием химического соединения.

На первой стадии между поверхностными атомами и кислородом возникает ионная связь: атом кислорода забирает у металла два электрона. При этом возникает очень сильная связь, намного сильнее, чем связь кислорода с металлом в окисле. Возможно это явление наблюдается из-за действия на кислород поля, создаваемого атомами металла. После полного насыщения поверхности окислителем, что происходит почти мгновенно, при низких температурах за счет ванн-дер-вальсовых сил может наблюдаться и физическая адсорбция молекул окислителя.

В результате образуется очень тонкая мономолекулярная защитная пленка, которая со временем утолщается, затрудняя подход кислорода.

На второй стадии, из-за химического взаимодействия, окислительный компонент среды отнимает у металла валентные электроны и с ним же реагирует, образуя продукт коррозии.

Если образовавшаяся оксидная пленка будет обладать хорошими защитными свойствами - она будет тормозить дальнейшее развитие процесса химической коррозии. Кроме того, оксидная пленка очень сильно влияет на жаростойкость металла.

Изменение состава металла в результате газовой коррозии. Если образование оксидного слоя при высокой температуре сопровождается интенсивной диффузией кислорода внутрь металла, то это приводит к изменению его состава за счет окисления легирующих компонентов. Особенно это заметно на конструкционных сталях, в поверхностных слоях которых происходит окисление углерода — ферритная полоска, образование которой сопровождается потерей прочности, особенно для тонкостенных изделий. Взаимодействие сталей с окисляющими средами можно представить в виде следующих уравнений:

Последний случай — наиболее опасный, так как водород, растворяясь в стали, создает повышенную хрупкость металла. При тонкостенных конструкциях это влияние газовой коррозии на снижение прочности особенно заметно.

Схема слоистого строения окалины, образующейся на железе при его окислении на воздухе при повышенной температуре.

Распределение никеля, хрома и магния по сечению окалины на сплаве Ni-10% Cr-0,5% Mg после окисления в течение 10 час.

Существует условие сплошности, которое формулируется так: молекулярный объем оксидной пленки должен быть больше атомного объема металла.

Сплошность - способность окисла покрывать сплошным слоем всю поверхность металла.

Если это условие соблюдается, то пленка сплошная и, соответственно, защитная.

Но есть металлы, для которых условие сплошности не является показателем. К ним относятся все щелочные, щелочно-земельные (кроме бериллия), даже магний, который важен в техническом плане.

Для определения толщины образовавшейся на поверхности оксидной пленки, изучения ее защитных свойств применяют множество методов. Защитную способность пленки могут определять во время ее формирования, по скорости окисления металла и характеру изменения скорости во времени. Если окисел уже сформировался, целесообразно исследовать толщину и защитные его свойства, нанося на поверхность какой-нибудь подходящий для этого случая реагент (например раствор Cu(NO₃)₂, который применяется для железа). По времени проникновения реагента к поверхности можно определить толщину пленки.

Даже уже образовавшаяся сплошная пленка не прекращает своего взаимодействия с металлом и окислительной средой.

Влияние внешних и внутренних факторов на скорость протекания химической коррозии.

На скорость химической коррозии очень сильное влияние оказывает температура. При ее повышении процессы окисления идут намного быстрее. При этом уменьшение термодинамической возможности протекания реакции не имеет никакого значения.

Особенно сильно влияет переменный нагрев и охлаждение. В защитной пленке вследствие появления термических напряжений образуются трещины. Сквозь трещины окислительный компонент среды имеет непосредственный доступ к поверхности. Формируется новая оксидная пленка, а старая - постепенно отслаивается.

Большую роль в процессе коррозии играет состав газовой среды. Но это индивидуально для каждого металла и изменяется сколебаниям температур. Например, медь очень быстро корродирует в атмосфере кислорода, но устойчива в среде, содержащей SO₂. Никель же наоборот, интенсивно корродирует при контакте с атмосферой SO₂, но устойчив в средах O₂, CO₂ и H₂O. Хром относительно устойчив во всех четырех средах.

Если давление диссоциации окисла выше давления окисляющего компонента - окисление металла прекращается, он становится термодинамически устойчивым.

Скорость окисления зависит от состава сплава. Возьмем, к примеру, железо. Добавки серы, марганца, фосфора и никеля не влияют на его окисление. Кремний, хром, алюминий - замедляют процесс. А бериллий, кобальт, титан и медь очень сильно тормозят окисление. При высоких температурах интенсифицировать процесс могут вольфрам, молибден, а также ванадий. Это объясняется летучестью или легкоплавкостью их окислов.

Наблюдая за скоростью окисления железа при различных температурах, отметим что с увеличением температуры самое медленное окисление наблюдается при аустенитной структуре. Она является наиболее жаростойкой, по сравнению с другими.

На скорость протекания химической коррозии влияет и характер обработки поверхности. Если поверхность гладкая, то она окисляется немного медленнее, чем бугристая поверхность с дефектами.