TÍNH T0ÁN, THIẾT KẾ
Trang 2TRƯỜNG DAI HOC BACH KHOA HA NOI HO LE VIEN
TINH TOAN, THIET KE
CAC CHI TIẾT THIẾT Bi
HOA CHAT VA DAU KHi
(Dùng cho sinh viên trường Đại học Bách khoa và các trường đại học khác }
mM
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Nội dung cuốn sách trình bày các nguyên lý cơ bản của uiệc thiết kế thiết bị hóa chất uà dầu khí ; cách chọn lựa uật liệu ; các quan hệ phụ thuộc giữa các kích thước của các chỉ tiết thiết bị uới tính chất của uật liệu uà các phương pháp
gia công, chế tạo ; các phép tính để hiểm tra độ bên các chỉ tiết uà phương pháp thiết kế
Những công thức tính toán nêu ra trong cuốn sách này có tính chất cơ bản bà thực dụng, chỉ đề cập đến các bộ phận uà các chỉ tiết chủ yếu của các thiết bị hóa chất uà dầu khí
Sách này rất cẩn thiết cho các kỹ sự ngành máy uà thiết bị hóa chất uà dâu khí, đông thời là tài liệu bổ ích cho các cán bộ kỹ thuật công tác ở các nhà máy sản xuất hóa chất uà dâu khí uà các nhà máy cơ khí chế tạo các thiết bị hóa chất
uà du khí
Trang 4
MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu as
Chương một Các yếu tổ cơ bản khi tính toán, thiết kế thiết bị
hóa chất và dầu khí
„ Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ tính toán
2 Áp suất làm việc, áp suất tính toán, áp suất gọi và áp suất thử 3 Ứng suất cho phép 4 Hệ số hiệu chỉnh 5 6 „ Hệ số bên mối hàn
„ Hệ số bổ sung bể dày tính toán
Chương hai Những vật liệu cơ bản để chế tạo thiết bị hóa chất và dầu khí
1 Các kim loại và hợp kim quan trong
2 Vật liệu phi kim loại nguồn gốc vô cơ
3 Vật liệu phi kim loại nguồn gốc hữu cơ
Chương ba Ảnh hưởng của vật liệu đến cấu tạo thiết bị
1 Các thiết bị làm bằng thép hợp kim cao
2 Cấu tạo thiết bị đồng
3 Cấu tạo thiết bị nhôm
4 Cấu tạo thiết bị trắng men
5 Cấu tạo các chỉ tiết bằng vật liệu ép
Trang 5
Chương bốn Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo đến cấu tạo thiết bị
1 Cấu tạo thiết bị bằng phương pháp đúc
2 Cấu tạo thiết
3 Ảnh hưởng của gia công cơ khí
4 Ảnh hưởng của cắt và uốn đến hình dạng chỉ tiết
5 Ảnh hưởng của tháo lắp đến cấu tạo thiết bị Chương năm Thân thiết bị 1 Thân hình trụ 2 Thân hình cầu Chương sáu Đáy và nắp 1 Day và nắp hình cầu 2 Đáy và nắp hình elip 3 Đáy hình nón 4 Đáy (nắp) phẳng tròn Chương bảy Mối ghép bích 1 Tính bích liền 2 Tính bích tự do 3 Tính bích phẳng 4 Tính bulông ghép bích Chương tám Các bộ phận phụ của thiết bị 1 Tang cứng cho các lỗ 2 Chí tiết bù đãn nở vì nhiệt 3 Vi Ong 4 Tai đỡ và chân đỡ
Chương chín Thiết bị áp suất cao
Trang 6
3 Ứng suất nhiệt
4 Bít kín thiết bị áp suất cao
Ký hiệu các đại lượng cơ bản
Trang 7Chương một
CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN,
THIẾT KẾ THIẾT Bị HÓA CHẤT, DẦU KHÍ
Thiết bị hóa chất, dầu khí dùng để thực hiện các quá trình hóa học, vật lý
hoặc lý ~ hóa (ví dụ như các phản ứng hóa học, trao đổi nhiệt không thay đổi
trang thái, bốc hơi, ngưng tụ, cô đặc, kết tỉnh, hòa tan, chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ v.v ) Ngoài ra còn có các thiết bị chứa chất lỏng, chất khí và chất rắn
Các quá trình lý ~ hóa thực hiện trong các thiết bị hóa chất, dầu khí có thể
tiến hành ở nhiệt độ từ -250°C đến +900°C và từ áp suất chân không (khoảng
10 “mmH,O) đến áp suất cao (khoảng 300 N/mm?),
Các thiết bị hóa chất, dầu khí có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn, có thể đặt cố định hoặc cho phép di động
Khi thiết kế thiết bị, trước hết cần căn cứ vào các yêu cầu kỹ thuật như:
nhiệm vụ của thiết bị, môi trường trong thiết bị, các đặc tính kỹ thuật (năng suất, dung tích, bể mặt trao đổi nhiệt v.v ), các thông số của quá trình công
nghệ (áp suất, nhiệt độ và nồng độ) cũng như tính bền vững và tính an toàn của
thiết bị
Một việc rất quan trọng khi thiết kế thiết bị là vấn để lựa chọn vật liệu chế tạo sao cho phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật đã nêu, đông thời đảm bảo
thiết bị có đủ độ bền ăn mòn hóa học và độ bền cơ học ở áp suất và nhiệt độ làm
việc
Đổi với các thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, hợp lý nhất và rẻ nhất là dùng lớp lót phủ lên mặt trong thiết bị Các vật liệu lót có thể là kim loại hoặc phi kim loại chống đựơc ăn mòn hóa học của môi trường
Khi thiết kế người ta dùng kích thước cấu tạo, kích thước này bằng kích
thước tính toán cộng với kích thước bổ sung do ăn mòn hóa học và mài mòn cơ
Trang 8hi thiết kế thiết bị cần hết sức tận dụng các chỉ tiết đã được tiêu chuẩn
hóa vì nó rất tiện lợi trong việc sử dụng, sửa chữa, lắp ráp và thay thế
Chú ý tiết kiệm vật liệu chế tạo để thiết bị được thiết kế ra có kích thước
và khối lượng bé, nhưng không ảnh hưởng xấu đến các yêu cầu về độ bền vững,
tuổi thọ và tính an tồn
§1 NHIỆT ĐỘ LÀM VIỆC VÀ NHIỆT ĐỘ TÍNH TỐN
Một yếu tố rất quan trọng khi tính độ bền thiết bị và các chỉ tiết của nó là nhiệt độ tính toán của chúng Người ta chia ra hai khái niệm về nhiệt độ là nhiệt độ làm việc và nhiệt độ tính toán
Nhiệt độ làm oiệc là nhiệt độ của môi trường trong thiết bị đang thực hiện
các quá trình công nghệ đã định trước
Nhiệt độ tính toán của thành (tường) và của các chỉ tiết khác bên trong
thiết bị khi nhiệt độ của môi trường bé hon 250°C thi lay bằng nhiệt độ lớn nhất của môi trường đang thực hiện quá trình
Khi đun nóng thành và các chỉ tiết khác của thiết bị bằng ngọn lửa, bằng khí nóng có nhiệt độ bằng và lớn hơn 250°C hoặc đun nóng bằng điện thì lấy nhiệt độ của các chỉ tiết này bằng nhiệt độ của môi trường tiếp xúc với các chỉ tiết đó cộng thêm ð0°C nhưng không đựơc bé hơn 250°C
Nếu thiết bị có bọc lớp cách nhiệt thì lấy nhiệt độ tính toán bằng nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt cộng thêm 20°C
Đối với gác thiết bị thực hiện quá trình trao đổi nhiệt thì nhiệt độ tính toán trung bình (thành, ống, bản, gân v.v ) được xác định bằng tính toán kỹ
thuật nhiệt
§2.ÁP SUẤT LÀM VIỆC, ÁP SUẤT TÍNH TỐN, ÁP SUẤT GỌI VÀ ÁP SUAT THU
Một trong những đại lượng chủ yếu khi tính sức bền cho các chỉ tiết của thiết bị làm việc với áp suất dư"? là áp suất của môi trường ở trong thiết bị
Người ta chia ra bốn loại áp suất: làm việc, tính toán, gọi và thử
Ấp suất làm uiệc là áp suất của môi trường trong thiết bị sinh ra khi thực
hiện các quá trình không kể áp suất tăng tức thời (khoảng 10% áp suất làm
việc) ở trong thiết bị
Áp suất tính toán là áp suất của môi trường trong thiết bị, được dùng làm số liệu để tính thiết bị theo độ bền và độ ổn định (bên trong p và bên ngoài p,)
Trang 9Đúng ra áp suất tính toán cũng là áp suất làm việc Nếu như áp suất thủy tĩnh của thiết bị (có chứa chất lỏng) bang 5% áp suất tính toán thì bỏ qua, còn nếu nó lớn hơn 5% thì áp suất tính toán ở phần sát đáy của thiết bị được xác định
theo công thức sau : p=p„+gpH,, N/m° (1-1) trong đó p„ là áp suất làm việc của môi trường, N/m” ; g la gia tốc trọng trường, m/s? ; p là khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m' ; H, là chiều cao cột chất lỏng, m
Đổi với các tháp cao, hợp lý nhất là xác định áp suất tính toán cho từng
khu vực theo chiều cao của tháp
Đối với các thiết bị chứa và các thiết bị dùng để chế biến các môi trường cháy nổ thì chọn áp suất tính toán theo bảng 1-1
Đối với các thiết bị dùng để chế biến và chứa các chất khác thì lấy áp suất
tính tốn ln ln bé hơn áp suất hơi của chúng ở nhiệt độ 50°C Trong bảng 1-2 cho biết áp suất tính toán tối thiểu của các chất khí thường gặp
Đối với các thiết bị đúc có áp suất làm việc bé hơn 0,2 N/mn” thì không nên chọn áp suất tính toán bé hơn 0,2 N/mm’
Bảng 1-1
Áp suất tính toán trong thiết bị dùng để chứa và chế biến môi trường cháy, nổ
Áp suất làm việc của Áp suất tính toan Áp suất (dư) ở xupap môi trường p„ và p„„ pvap, an toàn p„„
Nimm? Không có áp suất dư :
Trang 10
Áp suất gọi là áp suất cực đại của môi trường chứa trong thi 'ho phép
sử dụng (không kể áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng) ở nhiệt độ của thành
thiết bị là 20C Nếu nhiệt độ thành thiết bị lớn hơn 20°C thì áp suất gọi cũng
giảm tương ứng theo tỉ lệ với sự giảm ứng suất cho phép ở nhiệt độ này ớ
mỗi loại kim loại Bang 1-2 Áp suất tính troán tối thiểu trong thiết bị dùng để chế biến và chứa một số chất khí Cảc chất khí Áp suất tính toán p hoặc p„, ( Nim? § Nhóm C; (propan, propylen v.v ) 18 Nhóm C, (butan, butylen, divinyl, izobutan, Đế izobutylen v.v ) ` š oes — Nhóm C, (Izopren, pentan) 03 ‘Amoniac 16 Freon - 12 : 1,0 Anhydric sunfurơ 08 Metylclo 09 Khí cacbonic 76
Trong bảng 1-3 nêu các giá trị áp suất gọi khi thiết kế thiết bị theo tiêu
chuẩn Ngoài ra còn cho phép dùng áp suất khác với áp suất gọi, phù hợp với áp
suất cụ thể của quá trình công nghệ
Áp suất thử là áp suất dùng để thử độ bền và độ kín của thiết bị Bảng 1.4
j áp suất thử tiêu chuẩn dùng để thử các thiết bị làm việc với áp suất
nêu giá dư
Người ta thường dùng nước để thử thủy lực ít khi dùng dẫu Đại lượng áp
Trang 11Bảng 1-3 Giá trị áp suất gọi dối với các thiết bị tiêu chuẩn Áp suất goi, Nimm? oll m - - : - s - | 007 - ø1| - |0169| 0222 |o259| 03 | 040 |069| 06 | - 08 10 | 1⁄26 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 | so | 64 | - 80 10 | 125 | 16 | 20 | 25 | 325| 40 | so | 63 | 70 80 100 | 125 | 160 | - | 200 | - - - : - « * Dùng cho các chỉ tiết làm bằng kim loại màu | Bang 1-4
Áp suất thử thủy lực tiêu chuẩn p„ để thử
các thiết bị làm việc có áp suất dư
Dạng chế tạo Ap suất tính toán Áp suất thử thủy lực pạ thiết bị p va p,, N/mm? Nimm? <0,05 ple lỳng nhưng khơng bé hơn 0,06 Hàn le] 1,õ p[ø® 0,05 + 0,07 Het nhưng không bé hơn 0,1 bạ 1,5 p[o” >007 nhưng <6 | Lö |ø”] nhưng không bé hơn 0,3 k] 205 1,25 p[o”
Han, Ren * ta 3’ nhưng không bề hơn p + 0,3 Buc Không phụ thuộc Moin nal nhưng không bé hơn p + 0,3
Chú thích: Các đại lượng áp suất thử thủy lực nêu ở đây không tính đến áp suất thủy tĩnh của
cột chất lỏng trong thiết bị
Các thiết bị làm việc ở áp suất thường được thử bằng nước hoặc dùng dầu
hỏa thấm ướt các mối hàn
Các thiết bị làm việc ở chân không với áp suất lớn hơn 600 N/m? (60 mm H;O) thường được thử với áp suất dư bên trong khoảng 0,2 N/mm°
Trang 12§3 UNG SUAT CHO PHEP
Việc lựa chọn ứng suất cho phép ở các chỉ tiết khi tính độ bền và độ ổn
định của chúng phụ thuộc vào đặc tính bền của kim loại ở nhiệt độ tính toán
Đặc tính bền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo (hàn, đúc, rèn,
dập), vào chế độ nhiệt luyện, vào tính chất tác động của tải trọng (tĩnh, động), vào các kích thước của chỉ tiết cùng như đặc điểm của môi trường trong thiết bị
và điều kiện sử dụng
Đối với các chỉ tiết thiết bị được chế tạo từ các kim loại cơ bản (thép, gang,
kim loại màu và hợp kim của chúng) chịu tải trọng tĩnh do áp suất trong hoặc
áp suất chân không cũng như chịu tác dụng của tải trọng gió và động đất, người
ta nêu ra một đại lượng tiêu chuẩn - đó là ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ơ]”
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn này được dùng để tính các chỉ tiết chịu kéo,
nén và uốn Còn khi tính các chỉ tiết chịu xoắn và cắt ở các điều kiện khác như
nhau thì lấy ứng suất cho phép tiêu chuẩn nhân với hệ số 0.6
Đại lượng ứng suất cho phép tiêu chuẩn [øơ]" tính bằng N/mm? (N/m®) phụ
thuộc vào đặc trưng bền của vật liệu ở nhiệt độ tính toán và được xác định theo
một trong các công thức dưới đây: (1-2) (1-3) (1-4) [s]' =ø4 (1-5) Việc lựa chọn công thức để xác định ứng suất cho phép tiêu chuẩn cho ở bảng 1-õ Bảng 1-5
Lựa chọn công thức để xác định ứng suất cho phép tiêu chuẩn
Trang 13Tiếp bảng 1-5 < 525 (1-2) và (1-3) Thép Hợp kim lớp otstent ` |————-——|—————— > 525 + (1-3), (1-4) và (1-5) t9 Nhôm, đồng và hợp kim của chúng (1-3) và (1-4) Không qui định ——==—= 7? Titan và hợp kim của nó °' (1-2), (1-3) va (1-4)
(1) Dùng công thức (1-5) khi không có số liệu về giới hạn bền lâu
(2) Theo Lasinxki A A và Tônchinxki A P Giá trị các hệ số an toàn đối với các kim loại cơ bản cho ở bảng 1-6 Bảng 1-6 Giá trị các hệ số an toàn đối với các kim loại cơ bản
Thép cacbon, hợp kim thấp, hợp kim, hợp kim cao, 8
$ titan và hợp kim của nó sa
Š >š
§ Cán và Rèn Đúc ge
33 3 Với áp suất dư | Với áp suất dư | Khikiểm tra | Ở điểu kiện ge
+ |trong thiết bi | trong thiết bị| chấtlượng khác s
< 0,5 Nimm? > 0,5 Nimm? riêng biệt ng 26 3,25 36 35 my 1,65 15 Ạ Ais +4 = nạ 15 15 ny | 1.0 - š 2
Trên hình 1-1 va 1-2 thể hiện đồ thị dùng để xác định ứng suất cho phép tiêu chuẩn phụ thuộc vào nhiệt độ tính toán của các loại thép thường dùng để chế tạo thiết bị hóa chất, đầu khí
Khi tính kiểm tra độ bển các chỉ tiết hàn làm bằng nhôm, đông và hợp kim của chúng thì các đặc trưng cơ học của các chỉ tiết này phải lấy ở trạng thái đã a
Trang 14Nima 160 2 ¬ 122 “k TN 1 2|-|- COC IRIRII 4 + 40) ai {4 2 #0 200 322 400 Hình 1-1 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của các loại thép thường được dùng để chế tạo thiết bị: 1- thép CT3; 2- thép 10 ; 3- thép 20 và 20 K ; 4- thép 0912C và 16TC
Các ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ø], løl2.[ơ l¿.(xÏ` và [x¿„ (tính bằng
N/mm)) của các chỉ tiết làm bằng vật liệu giòn (như gang, đồng thanh v.v) có các đặc tính bền khác nhau và phụ thuộc vào dạng tải trọng (kéo, nén, uốn v.v )
được xác định theo các công thức dưới đây:
Khi nén (ol, = Sha (1-6)
ng
Khi uốn (ol = ou (1-7)
ng
Khi xoắn và cất k† =k] ~leÏ (1-8)
Khi kéo xác định theo công thức (1-2)
Hệ số an toàn của các chỉ tiết làm bằng vật liệu giòn chịu tác dụng của tải
trọng tĩnh được lấy nạ = 4 + ð, với vật liệu dẻo nạ > 4
Vật kiệu phi kim loại cũng có các đặc trưng bền khác nhau phụ thuộc vào
dạng tải trọng Phần lớn loại vật liệu này (như textolit, polystyrol, phaolit,
vinylamiăng, graphit, gốm, sứ v có đặc trưng biến thiên độ bển tương tự
Trang 15lol" Nin? 0 0 nd 2D 10 200 300 400 500 60 °C
Hình 1.2 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với loại thép chịu nhiệt và chịu axit Ký hiệu thép như sau; 1- 12XM và 12MX ; 2- 15XM ; 3- X5M ; 4- X18H10T ; X18H12T ;
X7H13M3T và X7H13M2T ; 5- OX18H10T và OX18H12T
Đổi với một số vật liệu (viniplat, polyetylen, thủy tỉnh hữu cơ v.v ) có đặc trưng biến thiên độ bển khác đi một chút (nghĩa là cực đại khi uốn, cực tiểu khi kéo và trung bình khi nén) Còn đối với thủy tỉnh thạch anh thì lại có độ bền cực đại khi nén, cực tiểu khi uốn và trung bình khi kéo
Riêng đối với gỗ vì có cấu tạo không đồng nhất nên đặc trưng bền của nó không những phụ thuộc vào dạng tải trọng mà còn phụ thuộc vào chiều tác dụng (theo thớ đọc hoặc thớ ngang) Sự biến thiên độ bền của gỗ phụ thuộc vào
dạng tải trọng sẽ đạt được giá trị cực đại khi kéo, cực tiểu khi nén và trung bình
khi uốn Trị số tuyệt đối của các đại lượng giới hạn bền của thớ dọc lớn hơn rất nhiều so với thớ ngang Còn độ bền khi trượt và xoắn thì kém hơn khi kéo đến
mười lần
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của các chỉ tiết làm bằng vật liệu phi kim
loại có thể xác định theo các công thức (1-9), (1-6), (1-7) và (1-8) tùy thuộc vào dang tai trong Ung suất cho phép khi chịu xoắn và cất cũng có thể chọn giá trị bé nhất của các ứng suất cho phép khi chịu kéo, nén và uốn của mỗi loại vật
liệu
Trang 16cho phép tiêu chuẩn) không những chỉ căn cứ vào dạng tải trọng mà còn phải dựa vào thời hạn sử dụng, thời hạn sử dụng tăng thì ứng suất cho phép giảm
Trường hợp chỉ tiết thiết bị làm việc chịu tải trọng động hoặc tải trọng
biến thiên chu kỳ thì không cho phép dùng vật liệu giòn (có độ dai va đập
a, < 0,3 jmm? Hệ số an toàn của chỉ tiết khi chịu tải trọng động (so với tải
trong tinh) ít nhất phải lớn gấp 1,5 lần ; còn đối với tải trọng biến thiên chu ky
thì không được lấy bé hơn 2 lần, tuy nhiên phải so sánh cùng một điều kiện
như nhau
Khi tính kiểm tra bền các thiết bị làm bằng vật liệu dẻo chịu tác dụng của tải trọng tĩnh thì không cần tính ứng suất tập trung do lực mép và mômen mép
sinh ra ở chỗ nối thân với đáy (nắp) phẳng, ở vỉ ống, ở các lỗ khoét trên thân V.V
“Tính thiết bị làm bằng vật liệu giòn (khi a, < 0,3 j/mam”) cũng như thiết bị
làm bằng vật liệu dẻo khi chịu tải trọng động và tải trọng biến thiên chu kỳ thì
phải tính đến ứng suất tập trung Và người ta thường phải cấu tạo thiết bị sao cho giảm bớt ứng suất tập trung
§4 HỆ SỐ HIỆU CHỈNH
hi tính kiểm tra độ bền các chỉ tiết của thiết bị người ta dùng ứng suất
cho phép chứ không dùng ứng suất cho phép tiêu chuẩn và xác định nó như sau:
(øI=n.b] (1-9)
trong đó nla hệ số hiệu chỉnh, được xác định theo điểu kiện làm việc của
thiết bị;
[ø]* là ứng suất cho phép tiêu chị
Đại lượng hệ số hiệu chỉnh được xác định khi thiết kế phụ thuộc vào điều kiện sử dụng, vào độ độc và mức độ nguy hiểm của môi trường, lấy rị = 0,9 + 1,0
Đối với các thiết bị dùng để chứa hoặc chế biến các chất độc, chất dễ nổ có
áp suất cao, các chỉ tiết bị đốt nóng bằng ngọn lửa, bằng khói lò hoặc bằng điện chọn nị = 0,9 Đối với các thiết bị có bọc lớp cách nhiệt chọn n = 0,95 Các trường
hợp còn lại chọn rị = 1,0
„ N/mm?
§5 HỆ SỐ BỀN MOI HAN
Lúc ghép các chỉ tiết riêng biệt (bằng kim loại cũng như phi kim loại) lại với nhau bằng mối hàn, phần lớn chúng kém bền hơn so với vật liệu để nguyên không hàn Do đó khi tính độ bền của các chỉ tiết ghép bằng mối hàn thì đưa thêm hệ số bền mối hàn ø, vào các công thức tính toán, đại lượng này đặc trưng
Trang 17cho độ bền của mối ghép so với độ bền của vật liệu cơ bản Giá trị hệ số bền mối hàn của các vật liệu phi kim loại cho ở bảng 1-7
Bảng 1-7
Giá trị hệ số bền mối hàn @, đối với các chỉ tiết
làm bằng vật liệu phi kim loại Hệ số bền mối hàn, ọ, Giáp mối một bên | Giáp mổihaibên | _ Chổng chéo, Viniplat 0,35 05 05 Thủy tỉnh thạch anh 07 09 - Thủy tỉnh hữu co 04 - 04 Polyizobutylen 0,75 - 0,75 Polystyrol 04 - 04 Polyetylen 09 “ z
Giá trị hệ số bển mối hàn của vật liệu kim loại cơ bản phụ thuộc vào kết cấu mối hàn cho 6 bang 1-8
Trén hinh 1-3 minh hoa bằng hình vẽ các dạng mối han để chọn hệ số bền
mối hàn như sau:
Trang 19§6 HE SO BO SUNG BỀ DÀY TÍNH TỐN
Khi tính kiểm tra độ bền các chỉ tiết hoặc các bộ phận của thiết bị cần phải chú ý đến tác dụng hóa học và cơ học của môi trường lên vật liệu chế tạo thiết bị Do đó cần phải bổ sung cho bể dày tính toán của các chỉ tiết và bộ phận đó
một đại lượng C
Đại lượng C được xác định như sau:
C=CŒ,+Œ¿+C.+C, (1-10)
trong đó C, là hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm ;
€, là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm ;
©, là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm ;
C, là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm
Đại lượng hệ số bổ sung C, phụ thuộc vào sự ăn mòn hóa học của môi
trường và vào thời hạn sử dụng thiết bị Nói chung thời hạn sử dụng thiết bị hóa chất lấy khoảng 10 + 15 năm
Nếu lấy thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm thì có thể chọn hệ số C, như sau:
€, = 0 đối với vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mòn không lớn hơn 0,05 mm/năm ;
C, = 1 mm đối với vật liệu tiếp xúc với môi trường có độ ăn mòn lớn hơn, từ 0,05 đến 0,1 mm/năm Nếu độ ăn mòn lớn hơn 0,1 mm/năm thì căn cứ vào thời
hạn sử dụng thiết bị mà xác định C„ cho mỗi trường hợp cụ thể
C, = 0 nếu ta dùng vật liệu lót có tính bền ăn mòn hoặc thiết bị tráng men Nếu hai phía của thiết bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn thì hệ số C„ phải
lấy lớn hơn
Đối với thiết bị hóa chất có thể bỏ qua hệ số bào mòn Cụ Người ta chỉ tính đến hệ số C, khi môi trường bên trong thiết bị chuyển động với vận tốc > 20 m/s (đối với chất lỏng) và > 100 m/s (đối với chất khí) hoặc môi trường chứa nhiều
hạt rắn
Còn đại lượng C phụ thuộc vào dang chỉ tiết, vào công nghệ chế tạo chi tiết và thiết bị
Trang 20Chương hai
NHỮNG VẬT LIỆU CƠ BẢN ĐỂ CHẾ TẠO THIET Bi HÓA CHẤT VÀ DẦU KHÍ
Chọn vật liệu thích hợp nhất thoả mãn được những yêu cầu do nhiệm vụ và điều kiện làm việc của thiết bị nêu ra là công việc quan trọng đầu tiên của công tác thiết kế Khi chọn vật liệu phải chú ý đến các tính chất quan trọng của
nó như sau:
1 Cơ tính bao gồm các nhân tố đại diện cho độ bền của vật liệu như giới
bạn bền ơụ và giới hạn chảy ơ,, nếu dùng ở nhiệt độ cao cần chú ý đến giới hạn
đàn hếi của vật liệu như
e nhân tế đặc trưng cho tí c nhân tố đặc trưng cho
biến dạng đểo øạ ;
médun dan hồi E, độ nở dài œ, độ co a ; các nhân tố đặc trưng cho khả năng gia công cắt gọt như độ cứng Brinen HB, hoặc độ cứng Rôcoen HR Các nhân tố trên
đây có liên quan mật thiết với nhau,
9 Tính chống ăn mòn, hâu hết các thiết bị hóa chất, dầu khí làm việc trong môi trường ăn mòn, đây là tính chất rất quan trọng cần đặc biệt chú ý khi
chọn vật liệu chế tạo thiết bị Chọn vật liệu bền đối với môi trường ăn mòn
không những để dam bảo tuổi thọ của thiết bị mà còn đảm bảo độ tỉnh khiết của sản phẩm nữa
Để xét tuổi thọ của thiết bị, người ta thường xét đến tốc độ ăn mòn vật
liệu được thể hiện theo quan hệ sau :
v=876 , mm/năm (2-1)
p
trong đó v là tốc độ ăn mòn vật liệu ;
G là lượng vật liệu bị ăn mòn , gim”.h ; p là khối lượng riêng của vật liệu, kg/dm?
Trang 21Nói chung tốc độ ăn mòn không nên vượt quá 0,1 + 0, mm trong một năm Tính bền ăn mòn được xếp thành sáu nhóm và mười cấp (xem bang 2-1) Bang 2-1 'Thang độ bền ăn mòn của các kim loại Tốc độ ăn mòn Nhóm Cấp v, mm/năm Hoàn toàn bền 1 <0,001 2 0,001 = 0,005 Rất bên 3 0,005 + 0,01 4 0,01 + 0,05 Bis 5 0,05 + 0,1 | 6 0,1+0,5 Bén vita 7 05:10 8 1,0+ 5,0 Iebta 9 5,0+10 Không bền 10 >10
8 Tính chất vật lý tức là xét đến các yếu tố: khối lượng riêng p (kg/m’,
kg/dm)) ; hệ số dẫn nhiệt ^ (W/m.độ) ; nhiệt độ nóng chảy t, °C hoặc °K) ; nhiệt dung riêng e (J/kg.độ) ; hệ số nở đài œ (1C hoặc 1K) ; điện trở suất C (Q.mm?/m) và v
4, Tinh công nghệ tức là xét đến khả năng chế tạo nó bằng các phương
pháp như: đúc, rèn, hàn, gia công cắt gọt, nhiệt luyện v.v
5 Giá cả uật liệu, yếu tố này quyết định giá thành thiết bị nhưng phải kết hợp với giá tiền gia công chế tạo thiết bị Trong thực tế có loại vật liệu tuy giá cả có rễ hơn song giá thành thiết bị lại đắt bởi vi giá tiền gia công thiết bị đó
khá đắt
Các tính năng của vật liệu liên quan chặt chẽ với nhau và mâu thuẫn
nhau Không thể có loại vật liệu vạn năng, tuyệt đối tốt mà vật liệu nào cũng
đều có ưu điểm và nhược điểm
Trang 22§1 CÁC KIM LOẠI VÀ HỢP KIM QUAN TRỌNG
Sắt nguyên chất hầu như không dùng để chế tạo thiết bị hóa chất, dầu khí vì nó đẻo và đất Người ta chỉ dùng nó làm vòng đệm ở các thiết bị cao áp Hợp
kim của sắt với cacbon là gang và thép được dùng rộng rãi để chế tạo thiết bị, có
đến 85 + 90% trọng lượng thiết bị trong các nhà máy hóa chất và lọc dầu làm
bằng gang và thép
1 Gang (G)
Gang xám là hợp kim nhiều cấu tử của sắt với cacbon và các nguyên tố khác như silie, mangan, photpho, lưu huỳnh Hàm lượng cacbon trong gang
khoảng 2,8 + 3,7% (chỉ có 0,8 + 0,9% ở dạng liên kết xêmentit (cacbit sắt), còn
lại ở dạng graphit tự do) Hàm lượng của các cấu tử trong gang xám thông
thường có: C - 3 + 3,6% ; Si - 1,6 + 2,4% ; Mn - 0,5 + 1,0% ; P đến 0,8% và § đến 0,12%
'Tổ chức kim tương của gang là ferit - peclit Cơ tính của gang tùy thuộc
vào tỷ lệ giữa ferit và peclit Ferit quyết định tính dẻo, còn peclit quyết định độ bển và độ cứng của gang
chất vật lý của gang
như sau: khối lượng riêng p = 7 + 7,4 kg/m’; nhiệt độ nóng chảy t, = 1250 + 1280°C ; nhiệt dung riêng c = ð43,4 J/kg.độ ; hệ số dẫn nhiệt 1= 25,5 + 39,5 W/m.độ, hệ số nở dài œ = 11.10 1C ; điện trở suất bing 0,6 Q.mm*/m ; médun đàn hồi E = (1,15 + 1,6) 10° N/mmẺ Gang là vật liệu đẳng hướng, chịu nén lớn gấp bốn lần chịu kéo Cơ tính của gang xám cho ở bang 2-2
Các loại gang 00 va 12-28 chi dùng để chế tạo các chỉ tiết ít chịu lực và chỉ đơn thuần chịu nén như bệ máy Các loại gang 15-32 và 18-36 thường được dùng để chế tạo các thiết bị làm việc ở áp suất thấp (bé hơn 0,6 N/mm?) và nhiệt độ thấp (bé hơn 250°C) Từ loại gang 21-40 trở lên dùng làm các chỉ tiết quan
trọng đòi hỏi độ bền cao hoặc chịu tác dụng của tải trọng đổi dấu như xylanh
của máy bơm, máy nén, bánh răng, đĩa xích, vôlăng v.v chịu được áp suất cao
hơn va nhiét d6 cao hon (= 350°C)
Độ bền ăn mòn hóa học của gam xám thường không cao bởi vì nó không đồng nhất Khi ứng suất lớn dễ sinh ra ăn mòn điểm, tạp chất lưu huỳnh ở
trong gang là nguyên nhân sinh ra ăn mòn giữa các tỉnh thể, đặc biệt là khi
chịu tác dụng của môi trường kiểm đặc và nóng
Trang 23Bang 2-2 Cơ tính của gang xám ia hia Gag Giới hạn bền, N/mn? (không bé hơn) Ì Độ cứng Brinen _ Kéo, Uốn [ Nén HB 00 không thử không thử không thử không thử 12-28 120 280 - 500 443-229 15-32 150 320 550 163-229 18-36 180 360 700 — trai | 21-40 210 400 750 170-241 22-44 224 440 —] 850 170-241 28-48 280 480 1000 170-241 32-52 320 520 1100 197-248 36-86 360 560 1200 197-248 38-60 380 600 1300 207-262
Độ bền ăn mòn hóa học của gam xám thường không-cao bởi vì nó không
đồng nhất Khi ứng suất lớn dễ sinh ra ăn mòn điểm, tạp chất lưu huỳnh ở
trong gang là nguyên nhân sinh ra ăn mòn giữa các tỉnh thể, đặc biệt là khi chịu tác dụng của môi trường kiểm đặc và nóng
Gang chịu kiểm (ký hiệu G.K) Thêm vào gang xám một ít chất trợ dung
ta được gang chịu kiểm nóng Thành phần hóa học và cơ tính của các loại gang
chịu kiểm cho ở bảng 2-3
Gang biến tính tức là gang xám có cho thêm các phụ gia như silicocanxi, silieoalumin, ferosilie v.v nó có các đặc điểm: cấu trúc đồng nhất va hat min,
chịu tải trọng động tốt, có độ bền mài mòn và độ bền ăn mòn hóa học cao
Gang độ bền cao là một dạng khác của gang biến tính, trong đó người ta
thêm vào nguyên tố magiê hoặc hợp kim của magiê, do có graphit ở dạng hạt cầu nên còn được gọi là gang cầu
Môdun đàn hồi của gang dé bén cao E ( 1,3 + 1,6).10° N/mm’, độ võng của
Trang 24Bảng 2-3 Thanh phần hóa học và cơ tỉnh của gang chịu kiểm Thành phần hóa học, % Mã hiệu gang TT Ctổng | C liên kết Sỉ Mn P S bé hơn GK-1 32:36 | 0,5+08| 12:18 | 06:08 | 02:03 041 GK-2 3/2:3/6 | 05+08| 15+20 | 04:+048 03 01
Mã hiệu gang | Thành phần hóa học Cơ tính
cr Ni Độ võng, mm ; đối với oo Độ cứng mẫu dài L = 600 mm | N/mm? HB
GK 06:0/8 | 0,8: 1,0 8:9 320: 380 | 200 + 320
GK-2 0,4:0,6 | 035: 0,5 8:9 320+ 380 | 210 + 280
Bang 2-4
Cơ tính của gang độ bền cao
Oo %, es Độ dãn dài | Độdai | Độ cứng
Mãhiệu | Nimm? Nimm? Nimm? | tuong déi,% | va dap, a HB
Trang 25Môdun đàn hồi của gang độ bền cao E = (1,3 + 1,6).10° N/mm”
Gang "rèn "là dạng đặc biệt của gang graphit cầu có hàm lượng cacbon bé (khoảng 2,95%), nó chịu được sự biến dạng lớn mà không bị phá vỡ, có độ dãn dài từ 3 đến 10% Gọi là gang "rèn" nhưng trong thực tế không thể rèn được 'Trong việc chế tạo thiết bị hóa chất gang "rèn" được dùng để chế tạo các chỉ tiết mỏng có kích thước không lớn Có hai loại gang "rèn": gang "rèn" ferit và gang
"rèn" khử caebon; tính chất của chúng cho ở bang 2-5 Bang 2-5 Cơ tính của gang "rèn"
Mahieu | og, Nim? 8,% HB
Loai gang gang "rèn" Không bé hơn không lớn hơn 37-12 370 12 149 Ferit ' 3510 350 10 149 38-8 380 8 149 30-6 300 6 163 40-3 400 3 201 Khử cacbon 35-4 350 4 201 30-3 300 3 201
Gang hop kim là gang có chữa các nguyên tố niken, crom, mélipden, silic v.v , nó được dùng để chế tạo các thiết bị hóa chất bởi vì nó chịu được ăn mòn hóa học, chịu nhiệt và chịu mài mòn Trong thực tế thường gặp các loại gang
hợp kim sau:
'Gang niken có hàm lượng niken đến 20% và thêm vào khoảng 5 + 6% đồng chịu được kiểm (NaOH) ở nhiệt độ cao, chịu được axit H;SO, và axit HCI ở nhiệt độ thường
Gang crom có chứa đến 30% crom chịu được axit nitric va các muối của nó, axit photphiric, axit axetie, các hợp chất chứa clo, nó có tính bền mài mòn và cho phép làm việc đến nhiệt độ 1200°C Phổ biến nhất là gang austenit chứa đến 19% crom và 9% niken bền với axit nitric và cho phép làm việc đến nhiệt độ
1000°C
Trang 26thường hay dùng C-15, trường hợp cần chống ăn mòn mạnh mới dùng C-17 Nó chịu được axit HNO; và axit H,SO, ở bất kỳ nồng độ và nhiệt độ nào, nhưng đối với axit HCI chỉ bền ở nhiệt độ thấp hơn 30°C Cả ba loại trên đều không chịu được tác dụng của các khí Br,, I,„ Cl,, F,, HCl va SO,
Mặc dù gang nhiều silie có độ bển ăn mòn cao và rẻ, nhưng người ta ít
dùng vì nó giòn, khó cắt gọt Hàm lượng silic càng cao thì gang càng giòn, vả lại
nó được ít dùng với môi trường có nhiệt độ thay đổi đột ngột vì dễ nứt Người ta
chỉ dùng nó đối với các chỉ tiết đúc, sau đó không cần phải gia công cơ Gang
silie dùng để chế tạo bơm, các tháp và thiết bị phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt VW ‘Tinh chat của gang nhiều silic cho ở bảng 2-6 Bảng 2-6
Thành phần và tính chất của gang nhiều silic
Thanh phan va Ferosilic Ferosilic M@-15
tính chất ots or
Cc: 05-08 C: 0,3+0,5 Cc: 05+06
Si: 14,5416 Si: 16+ 18 Si: 14,5 + 16
Thanh phan, % Mn: 0,3 +08 Mn: 0,3+0,8 Mo: 3,5 + 4,0 Mn: 3,5+4,0 P đến 0,1 P đến 0,1 P đến 0,6 S: 07 s: 0,07 §; 0,06 Khối lượng riêng, kg/dm° 67 69 T0 Nhiệt độ nóng chảy, °C 1200 1190 1170 Hệ số nở dài œ, 1/°C 4,7.10° 4,7.10° 4,7.10°
Hé s6 din nhiet 4 Wim.dd 0,081 0,081 0,093
Giới hạn bền kéo, N/mmÊ 60 + 80 50 + 70 59+75
Giới hạn bển uốn, N/mm? 140 + 160 140 + 150 140 + 180
Độ cứng Brinen H8 300 + 400 400 + 460 400 + 450
2 Thép
Đây là vật liệu quan trọng thứ hai Thép có nhiều tính chất quý như: bền,
dai, chịu được tải trọng động, có khả năng đúc, rèn, cán, đập, hàn, dễ cắt gọt ;
tính chất của nó biến đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào thành phần,
phương pháp gia công cơ và nhiệt luyện
Trang 27Hàm lượng cacbon trong thép xấp xỉ 1,5%, đối với thép kết cấu hàm lượng cacbon không quá 0,7%, nếu tăng hàm lượng cacbon thì độ cứng tăng nhưng giảm độ đẻo ; đối với thép cần hàn nhiều thì hàm lượng cacbon chỉ đến 0,3%, còn
đối với thép không rỉ hàm lượng cacbon bé hơn 0,3% Tính chất vật lý của thép
cacbon và thép hợp kim thấp như sau: khối lượng riêng p = 7,8 kg/dm” nhiệt dung riêng c = 0,499 kJ/kg.độ, nhiệt độ nóng chảy t, = 1400 + 1500°C, hệ số nở đài œ = 0,0000112 1C, hệ số dẫn nhiệt 2 = 46,5 + 58,1 W/m.dé, điện trở suất
0,11 + 0,13 mm”/m
Trong việc chế tạo thiết bị hóa chất và nổi hơi người ta dùng thép cacbon và thép hợp kim thấp (hàm lượng các nguyên tố không gỉ đến 3,5%) Các loại
thép này phải cớ độ dẻo cao, dễ uốn, có tính hàn cao Thép cacbon chỉ cho phép
dùng để chế tạo các thiết bị làm việc ở áp suất không cao hơn 6,4 N/mm” và
nhiệt độ thành thiết bị bé hơn 450°C Nếu nhiệt độ cao hơn 450°C thì dùng thép
chịu nhiệt
Dé chế tạo thiết bị hóa chất và nổi hơi người ta thường dùng thép hợp kim thấp molipđen, (chứa khoảng 0,5% molipden) và thép erom molipđen (ngoài molipđen còn chứa đến 1% crom) Thép molipđen 16M không dùng được với nhiệt d6 lén hon 475°C
Thép crom molipden 12MX và 15XM được dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt đối với môi trường có nhiệt độ cao, dùng làm ống dẫn hơi nước áp suất cao Giới hạn nhiệt độ làm việc của thép 12MX là 540°C, còn với thép 15XM là 560°C
Hiện nay để giảm bớt hàm lugng molipden trong thép, người ta cho thêm tit 0,15 đến 0,30% vanadi sẽ được một loại thép mới là 12M@®X bền tới nhiệt độ 560C Với môi trường ăn mòn có nhiệt độ cao hon 600°C nên dùng thép không gỉ hợp kim cao loại 18-8
Đối với thép hợp kim người ta thường cho thêm các nguyên tố quan trọng như sau: crom, niken, molipden, mangan, silic, titan, niobi, vanadi, vonfam, đôi khi còn cho thêm nhôm và đồng Thêm các nguyên tố này vào làm cho thép thay đổi tính chất
Niken lam tang độ bền, độ dẻo và độ dai, tăng độ bền ăn mòn và tăng
thêm độ thấm tôi Ảnh hưởng của niken lên tính chất của thép càng ưu việt khi có mặt nguyên tố crom Niken được ký hiệu là H
Crom (ký hiệu là X) làm tăng độ bền cơ học, bền nhiệt, chịu mài mòn tốt va tăng độ thấm tôi Nếu lượng crom cho vào vừa đủ thì làm cho thép tăng thêm độ bền ăn mòn và chống gỉ tốt Crom con lam tăng tính giòn ram ; thép nhiều erom thì chịu hàn kém nên đối với kết cấu hàn nên hạn chế dùng thép crom Thường crom được dùng cùng với niken
Trang 28Molipden nang cao tinh bền của thép và có khả năng duy trì tính chất này ở nhiệt độ cao Giới hạn chảy tăng, tính thấm tôi tốt, làm cho tổ chức kim tương mịn và đồng đều Thêm molipden vào thép austenit nó sẽ bển đối với
elorua Molipđen được ký hiệu là M ˆ
Mangan là nguyên tố làm cho thép không bị gỉ khi hàm lượng của nó lớn
hơn 1% Nó làm tăng tính bền của thép, tăng tính thấm tôi và tăng, độ ổn định của tổ chức austenit, nhưng làm giảm tính dẻo và giảm độ mịn hạt tỉnh t ễ
“Tăng hàm lượng mangan lên đến 10 + 15% thu được loại thép austenit bền và
dai có khả năng chịu va đập và chịu mài mòn tốt Mangan được ký hiệu là T
Silic (ky hiệu là C) làm cho thép không bị gỉ, đặc biệt khi hàm lượng của nó lớn hơn 0,5% Nó làm tăng độ bền, tăng tính chống ăn mòn, tính chịu nhiệt của thép, nhưng giảm độ dai và khả năng graphit hóa thép
Vanadi làm tăng tính dẻo và tính hàn của thép, tăng tính chống ăn mòn của hyđrô Vanadi được ký hiệu là ®
Vonfram làm tăng độ cứng của thép, dùng làm dao cất gọt và được ký
hiệu là B
Titan oà nỉobi là các nguyên tố tạo cacbit, làm tăng tính bền của thép và
tăng độ thấm tôi Ký hiệu của chúng là T và B
Một số tính chất của thép cacbon thường và thép hợp kim thấp cho ở các bang 2-7 ; 3-8 và 2-9 Bảng 2-7 Cơ tính của thép hợp kim thấp và thép làm nồi hoi 20°C Độ dãn dài tương đối, %
Trang 29Thép austenit hợp kim cao Trong việc chế tạo thiết bị hóa chất người ta
hay dùng thép hợp kim cao có chứa 18 + 20% crom va 8 + 10% niken, vi vay được
gọi là thép 18-8 Loại thép hợp kim này tuy đất nhưng được dùng nhiều trong
công nghiệp hóa chất vì nó có nhiều tính chất quý như: chịu nhiệt, bền ăn mòn,
độ bền cơ học cao
Bang 2-8 Ung suat cho phép [o] (N/mm?) đối với thép phụ thuộc vào
Trang 30Bang 2-9
Trang 31
Chú thích: 1 - Gặp trường hợp nhiệt độ không cho ở trong bang thi đùng phương pháp nội suy, sau đó quy tròn ứng suất đến 0.5 Nimm? vé phia gia tri bé
2 - Các giá trị ứng suất ghi trong ngoặc đơn, khi lựa chọn bể dày thành thiết bị cần phải
kể đến tổn hao do bị gỉ
Thực tế hay gặp các loại sau: 1XI8H9T, 1X18HI1B, 1X18H12M2T và 1X18H12M3T Thép 1X18H9T chịu được ăn mòn ở nhiệt độ đến 900°C Nó rất bền với các môi trường như axit nitric, các muối nitrat, nitrit, axit axetic, axit photphoric v.v Thép 1X18H18M2T chịu được clorua amôn và nhiều hợp chất khác có chứa elo, đồng thời có tính chống gỉ cao Thép 1X18H12M3T dùng để
chế tạo các tháp tổng hợp urê nhưng giá thành thép đắt vì chứa nhiều
molipđen Tính chất vật lý của các loại thép này như sau: khối lượng riêng p = 7,9 kg/dm ; nhiệt độ nóng chảy t„ = 1400°C ; hệ số nở dài ơ = 17,3.10'°; hệ số dẫn nhiét 4 = 0,139 + 0,186 W/m.d6 ; médun đàn héi E = 2,1.10° N/mm’
Tính chất công nghệ (hàn, cắt) rất tốt, chỉ có tán thi hơi khó Độ bền an
mòn của thép này không chỉ phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng của các nguyên tố không gỉ mà còn phụ thuộc vào tổ chức kim tương Tổ chức kim tương của chúng phải là austenit, khi hàn tổ chức này bị phá vỡ, muốn khôi phục lại cần phải tôi ở nhiệt độ 1100 + 1180°C Tuy nhiên đổi với các thiết bị có kích thước lớn thì khó tôi các mối han, do đó ngụ v Z
gấp năm lần lượng cacbon hoặc thêm một lượng niobi gấp mười lần lượng
cacbon để hoàn toàn liên kết cacbuacrom, không cho cacbua này tách ra khỏi
mạng tỉnh thể, gây ra những vùng giàu crom có điện thế cao và những vùng
nghèo crom có điện thế thấp Các tính chất cơ học, vật lý và thành phần hóa học cho ở các bảng 2-10, 3-11 và 3-12 g Bảng 2-10 Thành phần hóa học của các loại thép hợp kim
Trang 33Bảng 2-12
Sự biến đổi của môdun đàn hồi E, hệ số dẫn nhiệt 2 và hệ số
nở dài ơ phụ thuộc vào nhiệt độ của các loại thép cơ bản Thép cacbon Thép hợp kim Thép austenit Nhiệt (15, 20, 25 và v.v ) (15XM, 12XM® và v.v ) (1X18HT và v v )
ĐH [| E a | a10°| E, 3 ato? | E, a | ato8
Nimm? | wim.ao N/mm? | W/m.độ Nimm? | W/mđộ 20 | 2,05.10°} 5452 | 118 | 2,1.10° | 4754 | 149 |20540%|[ 145 | 164 100 |19640°| 4988 | 124 | 2010 | 44410 | 126 8 16,12 | 168 200 | 1,88.10°| 4640 | 130 |19940| - 13,2 a 170 300 |175.10%| 41,76 | 136 | 1,98.10°| 3750 | 13,7 : 19,00 | 17/2 400 | 1,61.10°} 37,12 | 14,2 |19010| - 140 |18210| - 175 500 | 1,40.10°| 33,65 | 14,4 | 1,76.10°| 3248 | 143 |1,6210%| 2205 | 179 600 - 29,00 - | 188.10% | 29,00 - | 1,34.10° | 2366 | 18,2 Nhiệt 520°C 560°C 800°C độ làm việc giới hạn (bat đầu oxy hóa mạnh) Bang 2-13 Phạm vi ứng dụng của các loại thép Mã hiệu thép Phạm vi ứng dụng A 2
Thép cacbon thường _ | Các kết cấu bằng thép Thân, đáy và nắp của thiết bị làm việc ở áp CT2, CT3 suất khí quyển và ở nhiệt độ thường Thép định hình Ống dẫn Mặt
bích Ecu Vòng đệm
Trang 34Tiếp bảng 2-13 + 2 Thép cacbon CT4, CT5 và CT6 Thép cacbon chất lượng cao 15K, 20K, 25K Thép chất lượng cao 35, 40, 45, 50 Thép 30XA, 40X "Thép hợp kim thấp 16M, 15XM, 12MX, 12M@X, 12XM®œ "Thép hợp kim cao X17, 12X5MA, X14H14B Thép hợp kim cao 1X Thép hợp kim cao 1X18H! 1X18H11B Thép hợp kim cao 1X18H12M3T, 1X18H12M2T Thép hợp kim 30XMA 38XMIOA 25X2M© Thép T12 (T13)
Trục Cần pitông Then Con lăn Trục cán Ví Bánh vit Bánh răng Bạc Các chỉ tiết của thiết bị làm việc
đến áp suất 2,2 Nmm? và nhiệt độ đến 350°C
Nổi hơi, làm việc đến áp suất 6 N/mm”, ở nhiệt độ
đến 450°C ống dẫn hơi ống trao đổi nhiệt
Nổi hơi Nổi hấp Các chỉ tiết máy cần có độ bền và độ dẻo cao Xylanh máy ép thủy lực Trục dẫn động
Bánh răng quan trọng, Các chỉ tiết chịu áp suất cao
hơn 3 N/mm? ở nhiệt độ đến 420°C
Các chỉ tiết bulông, êcu làm việc với áp suất cao hơn
3 N/mmẺ ở nhiệt độ 450°C
Các thiết bị và nồi hơi làm việc ở áp suất 6 N/mm” và ở nhiệt độ 550°C, các ống dẫn áp suất cao
Cac thiết bị làm việc ở nhiệt độ cao hơn 600°C, các thiết bị cracking dầu mỏ
Các thiết bị và ống dẫn làm việc ở nhiệt độ đến
1000°C Các thiết bị làm việc với môi trường ăn mòn mạnh như: axit nitric và các muối của nó ; axit
photphoric ; axit focmic ; axit axetlc và làm các ống
dẫn của chúng
Các thiết bị và ống dẫn làm việc trong môi trường ăn mòn chứa các ion clo, amoni clorua, kali clorua ; các thiết bị tổng hợp ure Các chỉ tiết của thiết bị cao áp ở nhiệt độ: bulông ở 460°C và êcu ở 510°C buldng 4 500°C va écu 4 540°C buldng 6 510°C va écu 4 540°C
Thép nhiều mangan dùng chế tạo các tấm lót của
máy đập, máy nghiền và các chỉ tiết cần chống mài
mòn
Trang 35
3 Kim loại màu
Ở các nhà máy chế tạo thiết bị hóa chất người ta thường dùng các kim loại màu như: đồng, nhôm, niken, chi, titan va tantan Độ bền hóa học của các kim loại màu phụ thuộc nhiều vào độ tỉnh khiết của chúng Các tạp chất kim loại khác lẫn vào làm giảm độ bền hóa học nhưng lại làm tăng độ bền cơ học
Gia công nguội các kìm loại màu thì độ bền cơ học tăng và độ dãn dài tương đối của chúng giảm Dùng biện pháp ram để khôi phục tinh déo của kim loại màu Tỷ số giới hạn bền của kim loại đã gia công nguội với giới hạn bền của kim loại đã ủ bằng ba lần đối với nhôm và đồng; còn đối với niken thì tỷ số đó bằng hai Hiện tượng biến nhũn của kim loại màu có thể xảy ra ở nhiệt độ thường (trừ titan và tantan)
Nhiệt độ cho phép tối đa ở thành thiết bị làm bằng kim loại màu như sau: Tantan 1200 Niken 500°C Déng va hgp kim déng 250°C Nhôm 200C Chì 140C
Đối với các thiết bị hàn mềm 120°C NHÔM Ký hiệu hóa học là Al
Tay thuộc vào độ nguyên chất của nhôm mà người ta chia thành bảy loại Để chế tạo các thiết bị hóa chất, người ta dùng hai loại nhôm AOO, va AO có hàm lượng nhôm tương ứng không ít hơn 99,7% và 99,6%
Các tính chất vật lý của nhôm như sau: khối lượng riêng p = 2,7 kg/dmỶ, nhiệt độ nóng chảy t, = 657C, nhiệt dung riêng e = 911,3 J/kg.độ, hệ số dẫn nhiệt A = 219 W/m.độ, hệ số nở vì nhiệt a = 2,4.10”, điện trở riêng 0,026 Q.mm?/m, nhiệt độ đúc 700
Để chế tạo các thiết bị hóa chất làm việc chịu áp suất người ta dùng nhôm
mềm đã ủ ở 380 + 400C có giới hạn bền kéo không bé hơn 7õ N/mm” với độ dãn dài không bé hơn 2ð% Việc ủ nhôm (và các kim loại màu khác) là cần thiết để
tăng độ dãn dài tương đối và tăng độ bền ăn mòn
Nhôm rất bền với tác dụng ăn mòn của nhiều môi trường như axit nitric đặc, axit axetic và axit photphoric, nhiều hợp chất hữu cơ,clo khô và hydro elorua, các hợp chất chứa lưu huỳnh và hơi lưu huỳnh Sở đĩ nó bền ăn mòn hóa học là nhờ tạo ra một lớp oxit làm màng bảo vệ Cũng do màng oxit này tạo ra rất nhanh nên khó hàn
Trang 36Nhược điểm của nhôm là tính đúc kém, khó gia công cắt gọt và tính bền
cứng thấp Nhôm có tính ưu việt là độ dẫn nhiệt lớn, gấp bốn lần so với thép, nhẹ, tính đẻo lớn nên dễ dát, dập ở trạng thái nguội cũng như nóng Các tính chất quan trọng của nhôm cho ở các bảng 2-14, 2-1 và 3-16
Cơ tính của nhôm Bảng 2-14
Đặc tính Mềm, nhôm đã ủ Cứng, nhôm đã làm nguội Giới hạn bền kéo ơạ, N/mm? 70 + 100 180 + 200
Giới hạn chảy ơ, Nímm? 30 +40 140 + 180
DO dan dài tương đối õ, % 30+40 4+8 Độ co ngang *, % 70 + 90 50 + 60 Độ cứng Brinen 15+ 25 J— 40 +55 Bang 2-15 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của nhôm đã ủ sơ bộ ở 370°C Nhiệt độ, °C Đặc tính 20 | 75 | 135 | 310 | 400 | 510 | 600 Giới hạn bền og, Nimm? He | 10 | 765 | 26 | 125 | 55 | 38 Độ dân dai twang d6i8,% | 19 | 24 | 32 | 39 | 42 | 45 | 48
Độ co W, % 79 | 83 | 88 | 97 | 99 | 99 | 100
Bảng 2-16
Ứng suất kéo và ứng suất nén cho phép của
nhôm mềm đã ủ phụ thuộc vào nhiệt độ
Trang 37ĐỒNG Ký hiệu hóa học là Cu
Đềng là loại vật liệu quý, trong công nghiệp được sản xuất ra năm loại ; trong ngành chế tạo thiết bị hóa chất thường dùng hai loại là M2 và M3 có
hàm lượng đồng nguyên chất tương ứng là 99,7% và 99,5%
Các tính chất của đồng như sau: khối lượng riêng p = 8,9 kg/dm”, nhiệt dung riêng ¢ = 388 J/kg.độ, nhiệt độ nóng chảy t, = 1083°C, hệ số dẫn nhiệt x= 38,75 W/m.độ, hệ số nở dài œ = 1,65.10°, nhiệt độ đúc 1150°C, điện trở riêng 0,017 ©.mm?/m, mơđun đàn hồi E = 1,08.10” N/em°,
Đồng ở trạng thái nóng cũng như ở trạng thái nguội đều dễ gia công áp lực như: kéo, đập, cán, uốn, gấp mép, nhưng vì nó có độ dẻo lớn nên khó cắt, còn tính đúc thì bình thường Các chỉ tiết bằng đồng dễ tán ở trạng thái nguội và dé
hàn thiếc Đặc tính rất quý của đồng là dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và ở nhiệt độ
càng thấp thì độ bền của nó càng cao, vì vậy người ta thường dùng đồng để chế
tạo các thiết bị trong ngành lạnh thâm độ Ở nhiệt độ thấp độ dẫn nhiệt của đồng tăng, ví dụ ở nhiệt độ -160°C có hệ số dẫn nhiệt là 465 W/m.độ ; còn ở nhiệt độ -2ö2°C có hệ số dẫn nhiệt là 1856 W/m.độ
Để chế tạo các thiết bị chưng luyện nên dùng đồng đã ủ có giới hạn bền
không bé hon 21.10° N/mm’, và độ dãn dài tương đối không bé hơn 30% Đồng không tạo thành màng oxyt bảo vệ, vì vậy nó không bền ăn mòn hóa học đối với đa số các axit và muối Rất nhiều chất khí như: các halogen, hơi lưu huỳnh, các khí SO,, H,S, NH, pha hay déng Song đồng lại rất bền trong dung dịch kiểm
'Trong ngành công nghiệp thực phẩm người ta dùng đồng để chế tạo các thiết bị
như: chưng cất rượu, nổi nấu, thiết bị cô đặc v.v Các tính chất của đồng cho ở các bảng 3-17 + 3-20, Bang 2-17 Đặc tính cơ học của đồng phụ thuộc vào cách gia công Đặc tinh Đồng mềm đã ủ Đồng cứng đã làm nguội
Giới hạn bền kéo ơa, N/mm? 210 + 240 380 + 440
Giới hạn chảy o,, N/mm? 20 40
Trang 38Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của đồng đã ủ sơ bộ ở 600°C Bảng 2-18 Nhiệt độ, °C Đặc tính 20 | 100 | 200 | 300 | 500
Giới hạn bền kéo ơạ, Nimm? 230 | 220 | 180 | 150 | 84 Độ dẫn dài tương đối ä, % 4 | 4g | 46 | 32 | 18
Độ cứng Brinen H8 4 | 4t 30 | 37 | 35
Bảng 2-19
Cơ tính của đồng M2 đã ủ sơ bộ ở 600°C, phụ thuộc vào nhiệt độ thấp
Nhiệt độ, °C
Đặc tính +20 | +1 | 40 | -80 | -120 | -180 Giới han bén kéo o, Nimm? 20 | 225 | 237 | 273 20 | 410 Giới hạn chảy ø,, N/mmÊ eo | 62 | 65 70 T5 80 Độ dãn dài tương đối ö, % 4 | 40 | 47 47 45 38 Độ co V, % 7 | 7% | 7 74 70 7 Bang 2-20 Ung suất cho phép của các thiết bị chế tạo từ đồng M2 và M3 đã ủ sơ độ ở 800°C Ứng suất cho Nhiệt độ thành thiết bị, °C phép N/mm” _ Í pạn 120 | 121:140| 141+160 | 161:180 | 181:200 | 201:230 | 231:250 Khi kéo [ơ] 4 42 40 38 36 32 30 Khi uốn [ 0%] 47 45 42 40 38 36 33
Trang 39lượng riêng p = 8,õ kg/dm°, nhiệt độ nóng chảy (168) t, = 940C, nhiệt dung riêng c = 385 J/kg.độ, hệ số dẫn nhiệt A = 105 + 116 W/m.độ, hệ số nở dài œ = 9.105, điện trở riêng 0,072 Q.mm?/m Tính bền ăn mòn của đồng thau tốt hơn đồng Cũng giống như đồng, có tính của đồng thau tăng khi nhiệt độ giảm, vì vậy nó được dùng để chế tạo các thiết bị trong ngành lạnh thâm độ Ngoài ra còn có đồng thau niken, ví dụ ký hiệu nH65-5 tức là có 65% déng, 5% niken con lại là kẽm Cơ tính của đồng thau cho ở các bảng từ 2-21 đến 2-23 Bảng 2-21 Cơ tính của đồng thau 1163 và 168 ở 20°C Đặc tính Đồng thau mềm Đồng thau cứng Giới hạn bền kéo ơạ, N/mm? 330 + 360 520 + 680 Giới hạn chảy ø„, N/mm? 100 + 110 440 + 480 Độ dãn dài tương đối õ, % 49 + 56 10 +12 Độ co ngang W, % 65+70 52 +55 Độ cứng Brinen HB 50 + 60 180 + 160 | cha thích: 86 dai va dap a, clia déng thau da U bang 170 N.m/cm? Bang 2-22 Cơ tính của đồng thau 168 ở nhiệt độ thấp Làm nguội cứng ở 550°C Cứng Đặc tính [ -78°C -183°C -78°C ~183°C
Giới hạn bền kéo ơạ, N/mmÊ 429 535 648 720
Giới han chay o,, Nimm? 306 400 643 712
'Độ dãn dài tương đối 8, % 50 51 78 10
Trang 40Bảng 2-23
Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến cơ tính
của đồng thau đã ủ ở nhiệt độ 550°C Đặc tinh ——— Nhiệtđộ | 2 200 400 600 800
Gidi han bén op, Nimm? 330 270 120 30 5
Độ dẫn dài tương đối ö, % 34 35 19 14 7
Độ co , % 70 70 ar 7 9
DONG THANH 1a hợp kim của đồng với thiếc, silic, nhôm, mangan Đối
với ngành chế tạo máy và thiết bị hóa chất, người ta hay dùng đồng thanh thiếc
và đông thanh đặc biệt không thiếc Đồng thanh thiếc bền đối với ăn mòn của không khí Trong công nghiệp chế tạo máy thường hay dùng các loại đồng thanh Bp.010, Bp OLI10-2 và Bp OII 8-4 (chữ O là thiếc, chữ LI là kẽm, số 8 là % thiếc, số 4 là % kẽm, còn lại là đồng) dùng ở dạng vật đúc như: bánh răng, vành bánh
vít, rôto máy bơm ly tâm, van, thiết bị làm việc ở áp suất 1,õ N/mm”, nhiệt độ
250°C Pha thém kém làm tăng tính chịu mòn do ma sắt
Đồng thanh Bp OLIC 6-6-3 và Bp OCLI 5-5-5 dùng làm các chỉ tiết ít quan trọng Đối với các gối đỡ làm việc chịu tải trọng lớn người ta dùng đồng thanh
chì Bp.OC8-12 và đồng thanh phôtpho Bp O® 10-1 cho phép chịu được tải trọng riêng đến 40 N/mm? với vận tốc vòng đến 7 m/s Hiện nay đồng thanh chì là một trong những vật liệu tốt nhất để chế tạo các gối đỡ chịu tải trọng lớn
Đồng thanh sắt-nhôm với mangan dễ gia công áp lực hoặc dễ đúc, chịu được tải trọng lớn, làm việc ở điều kiện mài mòn mãnh liệt (ở hộp đệm, bánh
răng, bánh vít, các chỉ tiết của bơm cao áp)
Đồng thanh sắt-nhôm-niken có độ bền và chống gỉ lớn, dùng để chế tạo các chỉ tiết làm việc ở nhiệt độ 500°C, dễ gia công áp lực, dễ đúc nhưng hàn thì
kém
Đồng thanh silie chứa đến 3% silic có các tính chất sau: cơ tính cao, chịu
mài mòn tốt, dễ đúc, dễ hàn và dễ rèn, cán, dập ở trạng thái nóng cũng như ở
trạng thái nguội Ngoài ra nó còn được dùng để chế tạo các thiết bị chịu áp lực, các thùng chứa, làm lò xo Khi va chạm không toé lửa nên rất thích hợp cho các
thiết bị làm việc trong môi trường dễ cháy nổ
Hợp kim đồng còn dùng làm que hàn và chia làm ba loại: que hàn mềm có nhiệt độ nóng chảy từ 183 đến 280°C, que hàn ánh bạc có nhiệt độ nóng chảy từ