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
korozjÄ™ c1 [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 to: wytrzymałość doraz
nÄ… na rozrywanie
Rm,to [MN/m2], granicę płynności na rozrywanie Re,to [MN/m2], wytrzymałość na zmęczenie obustronne ze zginaniem
Zgo,to [MN/m2] i inne w temperaturze obliczeniowej to.
Wyznaczenie naprężeń dopuszczalnych wybranego materiału
Dla wybranego materiału należy określić naprężenia dopuszczalne w oparciu o wzory:
Rm,t Re,t Z
go,to
0 0
kr = Ä… , kr = Ä… , kr = Ä… [MN/m2]
Xm Xe X
z
gdzie: Xe, Xm i Xz są współczynnikami bezpieczeństwa, a ą jest współczynnikiem poprawkowym równym ą = 0.9 dla
ð
czynników niebezpiecznych lub ą = 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: Wyniki:
Obliczenia:
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
GÄ™stość temp. 15 °C [kg/m3] nie wyższa niż 860 PN-ISO 8754:1993
Temp. pÅ‚yniÄ™cia [°C] nie wyższa niż -20 PN-83/C-04117
6
 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 Mat. St3S
zostanie pomalowany farbÄ… chlorowco-kauczukowÄ….
[6] 3.4. Określenie własności mechanicznych stali St3S
Rm= 380 - 470 [MN/m2],
Re = 240 [MN/m2] (pręty do Ć = 0.04[m], blachy g = 0.005 - 0.02 [m],
Å‚st = 7870
Re = 220 [MN/m2] (pręty Ć = 0.04  0.1 [m], blachy g = 0.02 - 0.04 [m].
[kG/m3]
Ciężar właściwy łst =7870 [kG/m3]
3.5. Określenie wytrzymałości doraz
nej na rozrywanie w to [oC]
Re
to = 50 [oC]
MPa
Na podstawie wykresu
250
zależności Re od temperatury dla
konstrukcyjnych stali węglowych
226
zwykłej jakości o określonej
wytrzymałości (rys. obok) ([4]
lub Mat.Pom [4.6]) wyznaczono
200
Re w temperaturze obliczeniowej
to dla stali St3. Założono, że
własności wytrzymałościowe St3
150
i St3S sÄ… identyczne.
W wyniku otrzymano
wartość: Re,to=226[MPa]
100
Re,to=226[MPa]
0 100 oC
to = 50 oC
3.6. Wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa
[5] lub Dla powłok wykonanych ze stali węglowych współczynnik Xe=1.8 powłoki
Mat.Pom. [4.4] bezpieczeństwa wynosi: Xe = 1.8 Xe=1.55 dna
Dla den wypukłych: Xe = 1.55, wypukłe,
Natomiast dla den płaskich, pokryw: Xe = 1.65, Xe=1.65 dna
płaskie.
Re,to= 226[MPa], 3.7. Naprężenia dopuszczlne
Dla stali węglo- Zgodnie z definicją naprężenia dopuszczlne wynoszą:
Powłoki płaskie
wych: Xe=1.8 kr=125.5 [MPa]
Rm,t0 226
kr = Ä… = Å"1 = 125.5 [MPa] dla powÅ‚oki zbiornika,
powłoki walcowe
X 1.8
m
i stożkowe, Dna wypukłe
Rm,t0 226
Xe=1.55 dna kr=145.8 [MPa]
kr = Ä… = Å"1 = 145.8 [MPa] dla dennic wypukÅ‚ych,
wypukłe,
X 1.55
m
Xe=1.65 dna Dna płaskie
Rm,t0 226
płaskie. kr=137.0 [MPa]
kr = Ä… = Å"1 = 137.0 [MPa] dla den i pokryw pÅ‚askich.
X 1.65
Ä… = 1 m
7
Przykład II Tematem projektu jest cylindryczny, poziomy zbiornik o pojemności V = 4.5 [m3], ciśnieniu p = 15 [at] i
temperaturze t = 15 - 50 [oC] przeznaczony do magazynowania amoniaku.
Dane/Założenia: Wyniki:
Obliczenia:
3. Dobór materiału konstrukcyjnego
3.1. Własności fizykochemiczne amoniaku
[7]
Charakterystyka
Postać: gaz skroplony pod ciśnieniem
Barwa: bezbarwny
Zapach: ostry, charakterystyczny
GÄ™stość: gazu, w temp. 0°C 0,771 [g/cm3]
cieczy, w temp. -33°C 0,6814 [kg/dm3]
Granice wybuchowości od 15 do 28 (% v/v) w powietrzu
Temperatura samozapłonu 630 [oC]
Cechy: silnie żrący i trujący, palny, dobrze
rozpuszczalny w wodzie. Gaz lżejszy
od powietrza, tworzy mieszaniny
wybuchowe z powietrzem, chlorem,
bromem, jodem
Stężenie (mg/m3)
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 [oC] dla tej stali
wynosi I.
[3] oraz w 3.4. Własności fizyczne i mechaniczne stali 1H18N9T
Mat.Pom.[4.5]
Rr=550 [MN/m2] (płyty, pręty, blachy, wałki),
Qe = 200 [MN/m2] (jw.)
E = 2.03.105 [MN/m2],
Á = 7800 [kg/m3]
8
 3.5. Określenie wytrzymałości doraz
nej na rozrywanie w to [oC]
to = 50 [oC]
Re
MPa
Na podstawie wykresu
zależności Re od temperatury dla
210
207 stali stopowej kwasoodpornej
1H18N9T (rys. obok) ([4] lub
200
Mat.Pom [4.6]) wyznaczono dla
temperatury obliczeniowej to =
50 [oC] dla tej stali Re = 207
190
[MPa].
180
Re,to=207[MPa]
170
25 50 75 100 to
3.6. Wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa
[5] lub Xe=1.8 powłoki
Dla powłok wykonanych ze stali węglowych współczynnik
Mat.Pom. [4.4] bezpieczeństwa wynosi: Xe = 1.8 Xe=1.55 dna
Dla den wypukłych: Xe = 1.55, wypukłe,
Natomiast dla den płaskich, pokryw: Xe = 1.65, Xe=1.65 dna
płaskie.
3.7. Naprężenia dopuszczlne
Re,to=207 [MPa],
Dla stali stopo- Zgodnie z definicją naprężenia dopuszczalne wynoszą:
wych: Walcowe
Rm,t 207
0
kr = Ä… = Å"1 = 125.5 [MPa] powÅ‚oki walcowe i stożkowe,
Xe=1.65 powłoki kr=125.5 [MPa]
X 1.65
m
walcowe i stoż-
Rm,t 207
kowe 0 Dna wypukłe
kr = Ä… = Å"1 = 147.8 [MPa] dla dennic wypukÅ‚ych,
Xe=1.40 dna kr=147.8 [MPa]
X 1.40
m
wypukłe,
Rm,t 207
0
Xe=1.50 dna kr = Ä… = Å"1 = 138.0 [MPa] dla den i pokryw pÅ‚askich. Dna pÅ‚askie
X 1.50
m
płaskie. kr=138.0 [MPa]
Ä… = 1
Literatura (wykaz należy zamieścić na końcu części obliczeniowej projektu)
[1] WWW.isanit.pl
[2] K, Ra~
njevi
, 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