3.

Dobór materiału konstrukcyjnego i obliczanie naprężeń dopuszczalnych

Wybór materiału konstrukcyjnego
Materiał konstrukcyjny dobiera się w zależności od rodzaju czynnika w zbiorniku, a zwłaszcza jego

reaktywności. W przypadku stężonego kwasu azotowego, dobrym materiałem konstrukcyjnym jest aluminium,
stężony kwas siarkowy nie rozpuszcza natomiast ołowiu itd.

Dla każdego czynnika, jego stężenia i temperatury pracy należy indywidualnie dobrać materiał na ścianki

zbiornika (stal węglowa, kwasoodporna, nierdzewna, aluminium itd.) lub na jego antykorozyjną wykładzinę (ołów,
ebonit, bakelit, teflon itd.).

Przegląd materiałów antykorozyjnych i przeznaczenie określa norma PN-71/H-86020 (Mat.Pom.[4.8]) a

dodatkowo ich własności wytrzymałościowe podane są w Katalogu Materiałów Antykorozyjnych [3] (Mat.Pom.
[4.5]).

Określenie stopnia odporności i szybkości roztwarzania
Stopnie odporności różnych gatunków stali stopowych kwasoodpornych i nierdzewnych na występujące w

przemyśle chemicznym czynniki podają w ujęci tabelarycznym Materiały Pomocnicze [3] (Mat.Pom.[4.7]). Z
zamieszczonych w nich danych należy wybrać taką stal, dla której stopień odporności wynosi 1 lub 2. W oparciu o
podany stopień odporności materiału oraz szybkość jego roztwarzania s [m/rok] można wyznaczyć naddatek na
korozję c

1

[m].

Określenie wytrzymałości mechanicznej wybranego materiału
W zależności od rodzaju wybranego materiału należy odczytać z tablic np.: [3] lub określić z wykresów

wytrzymałościowych [4] (Mat.Pom. [4.6]) dla temperatury obliczeniowej t

o

: wytrzymałość doraźną na rozrywanie

R

m,to

[MN/m

2

], granicę płynności na rozrywanie R

e,to

[MN/m

2

], wytrzymałość na zmęczenie obustronne ze zginaniem

Z

go,to

[MN/m

2

] i inne w temperaturze obliczeniowej t

o

.

Wyznaczenie naprężeń dopuszczalnych wybranego materiału
Dla wybranego materiału należy określić naprężenia dopuszczalne w oparciu o wzory:

α

m

t

m

r

X

R

k

0

,

=

,

α

e

t

e

r

X

R

k

0

,

=

,

α

z

to

go

r

X

Z

k

,

=

[MN/m

2

]

gdzie:

X

e

, X

m

i X

z

są współczynnikami bezpieczeństwa, a

α jest współczynnikiem poprawkowym równym α = 0.9 dla

czynników niebezpiecznych lub

α = 1 dla pozostałych.

Wartości współczynników bezpieczeństwa dla zbiorników ciśnieniowych podają Przepisy Dozoru

Technicznego [5] (Mat.Pom. [4.4]).

Przykłady doboru materiału konstrukcyjnego

Przykład I Tematem projektu jest cylindryczny, pionowy i bezciśnieniowy zbiornik przeznaczony do magazynowania

2 ton oleju opałowego. Zbiornik ma być umieszczony 2.5 [m] nad poziomem gruntu, na zewnątrz.

Dane/Założenia:

Obliczenia:

Wyniki:

3. Dobór materiału konstrukcyjnego

3.1. Własności fizykochemiczne oleju opałowego EL

Właściwości Jednostki Wartości Metody

badań

Wartość opałowa [MJ/kg]

nie

niższa niż 42,6

PN-ISO 8754:1993

Zawartość siarki

[% (m/m)]

nie więcej niż 0,2

PN ISO 3675:1997

Gęstość temp. 15 °C

[kg/m3]

nie wyższa niż 860

PN-ISO 8754:1993

Temp. płynięcia [°C]

nie

wyższa niż -20

PN-83/C-04117

6

R

e

MPa

250

226


200



150



100

0 100

o

C

t

o

= 50

o

C

3.2. Własności korozyjne oleju opałowego EL

Sam olej nie ma własności korozyjnych, jedynie jego zanieczyszczenia

np.: woda, może mieć wpływ korodujący na materiał konstrukcyjny.

3.3. Wybór materiału konstrukcyjnego

Ponieważ nie ma specjalnych wymagań antykorozyjnych, więc

materiałem konstrukcyjnym może być stal węglowa konstrukcyjna zwykłej
jakości o określonej wytrzymałości i określonym składzie chemicznym
np.St3S, która jest łatwo dostępna w pełnym asortymencie balach, dennic i
płyt, można ją spawać i jest tania.

W celu przeciwdziałania korozji śladowych ilości wody, zbiornik

zostanie pomalowany farbą chlorowco-kauczukową.

Mat. St3S

3.4. Określenie własności mechanicznych stali St3S

[6]

R

m

= 380 - 470 [MN/m

2

],

R

e

= 240 [MN/m

2

] (pręty do

φ = 0.04[m], blachy g = 0.005 - 0.02 [m],

R

e

= 220 [MN/m

2

] (pręty

φ = 0.04 – 0.1 [m], blachy g = 0.02 - 0.04 [m].

Ciężar właściwy γ

st

=7870 [kG/m

3

]

γ

st

= 7870

[kG/m

3

]

3.5. Określenie wytrzymałości doraźnej na rozrywanie w t

o

[

o

C]

t

o

= 50 [

o

C]

Na podstawie wykresu

zależności R

e

od temperatury dla

konstrukcyjnych stali węglowych
zwykłej jakości o określonej
wytrzymałości (rys. obok) ([4]
lub Mat.Pom [4.6]) wyznaczono
R

e

w temperaturze obliczeniowej

t

o

dla stali St3. Założono, że

własności wytrzymałościowe St3
i St3S są identyczne.

W wyniku otrzymano

wartość: R

e,to

=226[MPa]

R

e,to

=226[MPa]

3.6. Wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa

[5] lub
Mat.Pom. [4.4]

Dla powłok wykonanych ze stali węglowych współczynnik

bezpieczeństwa wynosi: X

e

= 1.8

Dla den wypukłych: X

e

= 1.55,

Natomiast dla den płaskich, pokryw: X

e

= 1.65,

X

e

=1.8 powłoki

X

e

=1.55 dna

wypukłe,
X

e

=1.65 dna

płaskie.

3.7. Naprężenia dopuszczlne

R

e,to

= 226[MPa],

Dla stali węglo-
wych: X

e

=1.8

powłoki walcowe
i stożkowe,
X

e

=1.55 dna

wypukłe,
X

e

=1.65 dna

płaskie.
α = 1

Zgodnie z definicją naprężenia dopuszczlne wynoszą:

5

.

125

1

8

.

1

226

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] dla powłoki zbiornika,

8

.

145

1

55

.

1

226

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] dla dennic wypukłych,

0

.

137

1

65

.

1

226

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] dla den i pokryw płaskich.

Powłoki płaskie

k

r

=125.5 [MPa]

Dna wypukłe

k

r

=145.8 [MPa]

Dna płaskie

k

r

=137.0 [MPa]

7

8

Przykład II

Tematem projektu jest cylindryczny, poziomy zbiornik o pojemności V = 4.5 [m

3

], ciśnieniu p = 15 [at] i

temperaturze t = 15 - 50 [

o

C] przeznaczony do magazynowania amoniaku.

Dane/Założenia:

Obliczenia:

Wyniki:

3. Dobór materiału konstrukcyjnego

3.1. Własności fizykochemiczne amoniaku

[7]

Charakterystyka

Postać:

gaz skroplony pod ciśnieniem

Barwa:

bezbarwny

Zapach:

ostry, charakterystyczny

Gęstość:

gazu, w temp. 0°C 0,771 [g/cm

3

]

cieczy, w temp. -33°C 0,6814 [kg/dm

3

]

Granice wybuchowości

od 15 do 28 (% v/v) w powietrzu

Temperatura samozapłonu

630 [

o

C]

Cechy:

silnie żrący i trujący, palny, dobrze

rozpuszczalny w wodzie. Gaz lżejszy
od powietrza, tworzy mieszaniny
wybuchowe z powietrzem, chlorem,
bromem, jodem

Stężenie (mg/m

3

)

próg wyczuwalności zapachu

0,5

na stanowisku pracy NDS

20

niebezpieczne dla życia

1500 – 3150

śmiertelne

2500 – 7000

3.2. Własności korozyjne amoniaku

Amoniak reaguje z miedzią, mosiądzem, a także tlenkami i chlorkami

innych metali. Stal węglowa zasadniczo jest odporna na działanie amoniaku
suchego, jednak w obecności śladowych ilości wody powstaje rdza, z którą
amoniak już reaguje.

3.3. Wybór materiału konstrukcyjnego

[3] oraz w
Mat.Pom [4.7]

Z katalogu materiałów antykorozyjnych [3] wybrano stal nierdzewną

1H18N9T, która jest odporna zarówno na ciekły jak i gazowy amoniak a
także na wodne roztwory amoniaku o dowolnym stężeniu.

Stopień odporności w zakresie temperatur do 100 [

o

C] dla tej stali

wynosi I.

3.4. Własności fizyczne i mechaniczne stali 1H18N9T

[3] oraz w
Mat.Pom.[4.5]

R

r

=550 [MN/m

2

] (płyty, pręty, blachy, wałki),

Q

e

= 200 [MN/m

2

] (jw.)

E = 2.03

.

10

5

[MN/m

2

],

ρ = 7800 [kg/m

3

]

R

e

MPa

210
207

200


190


180


170

25 50 75 100 t

o

3.5. Określenie wytrzymałości doraźnej na rozrywanie w t

o

[

o

C]

t

o

= 50 [

o

C]

Na podstawie wykresu

zależności R

e

od temperatury dla

stali stopowej kwasoodpornej
1H18N9T (rys. obok) ([4] lub
Mat.Pom [4.6]) wyznaczono dla
temperatury obliczeniowej t

o

=

50 [

o

C] dla tej stali R

e

= 207

[MPa].

R

e,to

=207[MPa]

3.6. Wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa

[5] lub
Mat.Pom. [4.4]

Dla powłok wykonanych ze stali węglowych współczynnik

bezpieczeństwa wynosi: X

e

= 1.8

Dla den wypukłych: X

e

= 1.55,

Natomiast dla den płaskich, pokryw: X

e

= 1.65,

X

e

=1.8 powłoki

X

e

=1.55 dna

wypukłe,
X

e

=1.65 dna

płaskie.

3.7. Naprężenia dopuszczlne

R

e,to

=207 [MPa],

Dla stali stopo-
wych:
X

e

=1.65 powłoki

walcowe i stoż-
kowe
X

e

=1.40 dna

wypukłe,
X

e

=1.50 dna

płaskie.
α = 1

Zgodnie z definicją naprężenia dopuszczalne wynoszą:

5

.

125

1

65

.

1

207

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] powłoki walcowe i stożkowe,

8

.

147

1

40

.

1

207

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] dla dennic wypukłych,

0

.

138

1

50

.

1

207

0

,

=

⋅

=

=

α

m

t

m

r

X

R

k

[MPa] dla den i pokryw płaskich.

Walcowe
k

r

=125.5 [MPa]

Dna wypukłe

k

r

=147.8 [MPa]

Dna płaskie

k

r

=138.0 [MPa]

Literatura

(wykaz należy zamieścić na końcu części obliczeniowej projektu)

[1] WWW.isanit.pl
[2] K, Ražnjeviĉ, Tablice cieplne z wykresami, WNT Warszawa 1966,
[3] Katalog Materiałów Antykorozyjnych, Stow.Nauk-Techn. Inż.Przem.Chem. i Mat.Budowl. Warszawa 1962,
[4] J.Pikoń, Podstawy Konstrukcji Aparatury Chemicznej cz.1. Tworzywa Konstrukcyjne, PWN Warszawa 1979,
[5] Przepisy Dozoru Technicznego DT-UC-90/WO-O,
[6] Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali o określonej wytrzymałości i określonym składzie chemicznym

PN-61/H-84020,

[7] Własności amoniaku zamieszczone na stronie producenta: http://www.zchpolice.pl/

9