Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 [ 139 ] 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284

4.3. Поведение материалов при низких температурах

4.3.1. Металлы и

низкотемпературные (криогенные) сплавы

4.3.1.1. Металлургия и низкие температуры

Некоторью результаты, полученные в металлургии, важные в криогенной технике, перечислены ниже:

- кристаллическая система металла или сплава прямо влияет на их способность к пластическим деформациям, в зависимости от наличия или отсутствия плоскостей скольжения;

- температура может изменить кристаллическое состояние некоторых металлов или сплавов и, следовательно, их механические свойства;

- различают два типа разрыва под нафузкой:

• пластичный разрыв, характерный для металлических материалов, способных к значительным деформациям перед разрывом, который распространяется по линиям скольжения кристаллической системы;

• хрупкий разрыв (разрушение), соответствующий двум формам ра1!зрушения:

- разрушение расслоением, которое распространяется с большими скоростями без видимой деформации по особым кристаллическим плоскостям;

- межгранулярный разрыв, характеризующийся межгранулярными связями кристаллической системы.

Температура является тем параметром, который вызывает ту или иную форму разрушения. В частности, если изучают сопротивление металлических материалов при понижении температуры при медленном нафужении, сопротивление разрыву (предел прочности) и предел упругости имеют тенденцию к сближению и сталь способна разорваться без пластической деформации по типу хрупкого разрушения.

Из этого следует, что при использовании металлических материалов в криогенных условиях, где необходимы большие температурные циклы, мера их хрупкости должна быть определена: это определение состоит в уточнении опытным путем зоны перехода пластичности этих материалов.

Были проведены многочисленные более или менее сложные - . .я, давшие приближенные значения температуры, при которых появляется риск развития хрупкого разрушения в данной реальной структуре.

Самое простое, но далеко не самое используемое испытание, это испытание на пластичность, которое заключается в испытании на удар посредством маятникового молота по образцу металла, опирающемуся на концевые опоры и имеющему вырез в форме V. Для того, чтобы построить кривую пластичности, достаточно разрушить серию образцов при понижающихся температурах опыта, начиная с температуры окружающей среды, и зарегистрировать для каждого значения температуры энергию, поглощенную при разрушении (эта энер-П1Я определяется по углу подъема маятника-молота, при опускании которого образец разрушается).

Механические характеристики ивталлических материалов при понижающихся температурах и медленном нвгружении

В области СПГ используются металлы и сплавы, имеющие и не имеющие зону перехода пластичности.

Кстати, физическое свойство, которое в первую очередь следует принимать во внимание при решении вопроса о применимости металлов при низких температурах, есть их теплопроводность.

4.3.1.2. Металлы и сплавы без зоны перехода пластичности

Это семейство состоит из:

- меди и ее сплавов;

- алюминия и его сплавов;

- никеля и его сплавов;

а также аустенитных сталей *.

4.3.1.2.1. Медь, алюминий, никель

В таблице на с. 444 указаны металлы и сплавы, используемые в установках СПГ, а также их механические статические и динамические свойстве при температурах от комнатной до -196°С (температура жидкого азота), то есть тех температурах, при которых по причинам удобства эти характеристики измеряются.

В практике СПГ не применяются обычные сплавы, такие как:

- бронзы на основе олова;

- латуни с содержанием цинка более 35%;

- сплавы алюминиево-цинковые;

- все сплавы, подвергнутые холодной прокатке.

Таблица теплопроводности алюминия.

Сплав AG 4 MC очень широко используется, в частности, для сооружения криогенных резервуаров.

Предпочтительная область применения семейства алюминиевых - это теплообменники.

* Ранее и здесь в тексте: испьп-ание KCV - удельная нагрузка деформации по Шарли V (СЬафу V). Прим. ред.

Средние механические характеристики металлов и сплавов, не имеющих зоны перехода пластичности.

4.3.1.2.2. Аустенитные стали

В нижеследующей таблице даны средние механические характеристики наиболее часто используемых для сПГ аустенитных сталей, в которых содержание железа превышает 50% и которые, если их используют для изготовления листовых материалов (корпуса резервуаров), подлежат французской нормализации: NFA 36209 - Листы стальные аустенитные для аппаратов под давлением при низких и сверхнизких температурах.

Тем не менее настоятельно рекомендуют использовать для СПГ аустенитные стали с добавкой азота в условиях, когда напряжения под нагрузкой остаются ниже 80 МПа или даже 120 МПа

Сталь Z2CN18-10 по американским нормам именуется 304L

Сталь Z2N 36 известна под коммерческим названием Инвар. Она обладает очень низким значением коэффициента расширения в зависимости от температуры: 1.5 • IO-* К- в интервале между-180 и 0°С, или примерно 1/10 этой величины для стали 304L Используется эта сталь, в частности, для изготовления внутренних емкостей некоторых метановозов (см. § 4.6.1) и некоторых наземных резервуаров (см. § 4.8). Ее теплопроводность изменяется от 8.36 Втм--К- при минус 160»С до 14.63 Втм-К- при 20°С.

Средние механические характеристики аустенитных сталей.

4.3.1.3. Металлы и сплавы, имеюиие зону перехода пластичности

Это семейство объединяет обычнью нелегиро-ванные или легированные железистые стали, которые прошли термообработку и в которых снижена концентрация примесей, и особенно стали с до-

Содерзкание никеля

Удельная работа деформации, декаДж/см по Шарли

-I-1-1-1-1-г-

-250-200-150-100 50 О 50

Изменение удельной рвботы деформации по Шарли У/для различных сталей с содержанием никеля от О до 9% а зависимости от температуры.

бавкой никеля. В этих сталях происходит смещение зоны перехода пластичности в сторону низких температур. Кривые, на приведенном ниже графике, показывают характер изменения перехода зоны пластичности для различных типов сталей с содержанием никеля от О до 15%.

Для использования в области СПГ рекомендуется только сталь с 9% никеля: зона перехода пластичности ее находится ниже минус 186°С, механические характеристики лучше, чем у других сталей (см. рисунок) и она достаточно экономична в производстве.

Обычно выплавляемая в электропечах, эта сталь должна иметь строго определенный состав,

Механические характеристики сталей с содержанием 9% никеля: Е -модуль упругости; R - сопротивление разрыву; Re - предел упругости; U - предел усталости от переменного изгиба; А,%- удлинение при разрыве.

Минимальные значения механических свойств

ASTMA553 (американские нормы)

Afnor NF А 36208 (французские нормы)

Лист толщиной еЗОмм

Сопротивление на разрыв при 20°С (МПа) Предел упругости при 20°С (МПа) Удлинение при 20°С (%)

Уд. работа деформации по Шарли V при -196°С по длине, мин (декаДж/см*)

Уд. работ деформации по Шарли V при -19в°С в поперечном направлении, мин (дека Дж/см)

690 - 825 585 20

2686 588 19

индивидуальное знач! среднее значение: 6

в: 5

Углерод

Никель

Кремний

Сера

Фосфор

Хром Моли(ден

Химический состав:

%макс. %макс. %макс. %макс. %макс. %макс.

Тип1

0,13 8.4-9,6 0,13-0,32 0,040 0,035 0,98

Тип II

0,13 7,4-8,6 0,13-0,32 0,040 0,035 0,98

0.12 8,5-9,5 0,35 0,035 0,035 0,6 0,20 0,10

Спецификации прокатной стали с содержвнием 9% никеля.