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
Document Outline