Температурные воздействия.

При воздействии температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов возникает опасность их повреждения в результате появления температурных напряжений и изменения механических свойств металлов (действие высоких и низких температур).

1. Температурные напряжения.

Температурные напряжения могут возникать только тогда, когда конструкция аппарата или трубопровода препятствует свободному изменению ее линейных размеров.

На практике температурные напряжения возникают:

1. при жестком креплении трубопроводов;
2. неодинаковой температуре отдельных элементов аппаратов сложной конструкции;
3. в толстостенных аппаратах;
4. в аппаратах, изготовленных из разнородных металлов;
5. при резком изменении температуры.

Если аппарат (трубопровод) при изменении температуры свободно меняет свои размеры, то повреждения не произойдет. Изменение длины конструкции при этом будет равно:

(1.31)

где a - коэффициент линейного расширения материала конструкции, K^-1; Dt – изменение температуры, K; l – длина конструкции, м.

При отсутствии условий свободного изменения линейных размеров аппарата (трубопровода) при изменении температуры возникнут температурные напряжения.

(1.32)

где s_t – температурное напряжение, Па; E – модуль упругости, Па.

2. Действие высокой температуры на материал стенок аппаратов и трубопроводов.

Высокая температура может вызвать значительное снижение механических (прочностных) свойств металлов и, следовательно, появление медленно нарастающих во времени пластических деформаций даже тогда, когда напряжение от рабочих нагрузок не будет превышать предела текучести данного материала. Это явление носит название ползучести (крипп). При появлении признаков ползучести металлов возникает реальная угроза повреждения аппарата или трубопровода.

Явлению ползучести наиболее подвержены обычные конструкционные углеродистые стали, предел прочности которых при нагревании свыше 573 К (300 °С) резко уменьшается. Легированные и особенно жаропрочные стали при высоких температурах изменяют свои механические свойства незначительно. Однако даже при правильном выборе материала опасность повреждения аппаратов и трубопроводов при действии высокой температуры не устраняется полностью вследствие возможности нарушения температурного режима.

3. Действие низкой температуры.

Действие низкой температуры на производственное оборудование может быть связано с осуществлением технологических процессов, в которых в качестве хладоагентов используются сжиженные газы, имеющие весьма низкую температуру кипения, а также с размещением и работой технологического оборудования на открытых площадках в зимнее время года в районах Урала, Сибири и Крайнего севера.

При неправильном выборе материала или его переохлаждении низкие температуры могут вызвать изменение механических свойств и, в частности, снижение ударной вязкости металлов. Особенно заметно ударная вязкость снижается у обычных углеродистых (конструкционных) сталей, которые при низких температурах становятся хрупкими. Склонность сталей переходить в хрупкое состояние в целом определяется их химическим составом, структурой, методом обработки и т. п. Однако наибольшее влияние на ударную вязкость сталей оказывает содержание углерода: с увеличением углерода склонность к хрупкому разрушению, например у конструкционных сталей, увеличивается.

Потеря ударной вязкости при действии других сопутствующих факторов (вибрации, гидравлических ударов и т. п.) приводит сначала, как правило, к образованию трещин в стенках аппаратов. При этом возникает реальная угроза полного их разрушения даже под действием нормальных рабочих нагрузок при отсутствии каких-либо признаков нарушения технологического режима работы аппаратов.

Основные направления по предупреждению повреждений, вызванных температурными воздействиями:

1. Устройство теплоизоляции аппаратов.

2. Устройство температурных компенсаторов.

Рис. 7. Температурные компенсаторы на трубопроводах:

а - трехлинзовый; б - разрез одной линзы; в - лирообразный; г - петлевой

3. Медленный прогрев и охлаждение толстостенных аппаратов.

4. Устройство подвижных опор при закреплении прямолинейных участков трубопроводов большой протяженности.

5. Контроль за температурным режимом.

6. Применение жаростойких и морозостойких материалов.

7. Снижение рабочих нагрузок на стенки аппаратов.

Химические воздействия.

В результате химического воздействия агрессивных веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе, а также внешней среды на стенки аппаратов происходит постепенное уменьшение их толщины или снижение механических свойств металла. При этом исчерпывается предел прочности металла, когда стенки аппарата уже не могут противостоять даже нормальным рабочим нагрузкам и происходит их повреждение. Разрушение металла под воздействием соприкасающейся с ним среды называется коррозией.

Различают три вида коррозии:

1. прямое химическое воздействие - химическая коррозия;
2. воздействие в результате электрохимических реакций - электрохимическая коррозия;
3. воздействие на металл микроорганизмов - биохимическая коррозия (в чистом виде она встречается редко и поэтому здесь не рассматривается).

1. Химическая коррозия.

Протекает в среде жидких диэлектриков (неэлектролитов) или газов (газовая коррозия), нагретых до высоких температур, при отсутствии влаги на поверхности металла. Чаще этот процесс идет в виде окислительно-восстановительных химических реакций.

К жидким неэлектролитам можно отнести многие органические (бензол, толуол, бензин, керосин, мазут и т. п.) и неорганические (жидкий бром, расплавленная сера, жидкий фтористый водород и т. п.) жидкости, которые не обладают электропроводимостью и, следовательно, исключают условия для протекания электрохимических реакций.

Химическая коррозия в зависимости от ведущего фактора процесса подразделяется на кислородную, сероводородную, серную и водородную.

2. Электрохимическая коррозия

Это наиболее часто встречающийся вид коррозии в условиях производства. Она проявляется всегда, когда поверхность металла вступает в контакт с электролитом, в котором происходит растворение металла.

К электрохимической коррозии относятся:

• атмосферная коррозия, протекающая во влажном воздухе при температуре окружающей среды;
• морская коррозия;
• подземная (грунтовая) коррозия;
• электрокоррозия или коррозия блуждающими токами (токами утечки).

3. Биохимическая коррозия.

Основные направления по предупреждению повреждений, вызванных химическими воздействиями:

1. Применение жаростойких сталей с легирующими добавками.

2. Применение специальных антикоррозийных защитных покрытий.

3. Снижение активности коррозионной среды (обезвоживание, удаление кислорода, введение ингибиторов, присадок и т.п.).

4. Применение установок катодной защиты

Рис.8. Катодная защита: 1 - защищаемый подземный трубопровод (катод); 2 - источник постоянного тока; 3 - соединительные проводники; 4 - металлолом (анод).

5. Применение установок протекторной защиты.

Рис.9. Протекторная защита:  1 - протектор; 2 - подземный трубопровод; 3 - соединительные проводники

6. Замена металлов на неметаллы. Применение установок протекторной защиты.