Файл: Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов.pdf

Влияние низких температур на механические свойства сварных

и паяных соединений

Изменения механических свойств качественного сварного шва аналогичны изменениям свойств основного металла.

Сварные швы углеродистых сталей утрачивают пластичность и становятся хрупкими при низких температурах; швы легированных сталей аустенитного класса остаются достаточно вязкими. Пластич­ ные показатели сварных швов цветных металлов с понижением тем­ пературы ухудшаются незначительно, а в некоторых случаях (медь, латунь) даже улучшаются.

Рис. 87. Зависимость коэффициентов а линейной тем­

пературной деформации металлов от температуры:

1 — магний; 2 — алюминий; 3 — медь; 4 — никель; 5 — сталь малоуглеродистая; 6 — цинк; 7 — сталь нерж авею щ ая

Ударная вязкость швов углеродистой стали резко падает с пони­ жением температуры, составляя при температуре —50° С примерно 0,1—0,5 (кгс-м)/см2, а, кроме того, шов обычно является местом концентрации напряжений; поэтому рекомендуется при сварке угле­ родистых сталей применять в качестве наплавленного металла леги­ рованные стали аустенитного класса, менее чувствительные к пони­ жению температуры.

Термообработка сварных изделий для уничтожения внутренних напряжений заметно улучшает работоспособность конструкции при пониженных температурах.

В металлоконструкциях из малоуглеродистых сталей Ст.2 и Ст.З швы лучше всего наплавлять ацетилено-кислородной сваркой, так как швы в этом случае механические, свойства сварного соеди­ нения и наплавленного металла не претерпевают почти никаких изменений по сравнению со свойствами основного металла.

Сварку цветных металлов можно применять широко. Большое число соединений этих металлов производится также пайкой. Сое­ динения жесткие, не требующие частой разборки, паяют твердыми

182

медноцинковыми припоями по ГОСТ 1534—42 или серебряными припоями ГОСТ 6190—5G. Сборные соединения, а также те соедине­ ния, для которых нельзя применять твердую пайку, паяют мягкими

11а рис. 87 приведены зависимости коэффициентов линейной темпера­ турной деформации сталей и цветных металлов от температуры.

Основным конструкционным материалом для металлических низкотемпературных резервуаров являются стали с пределом проч­ ности 35—80 кгс/мм2. Высокопрочные стали с пределом текучести до 50 кгс/мм2 дают возможность применять новые принципы конст­ руирования резервуаров, что позволит получить дополнительную экономию при их сооружении.

Так, в Японии сооружены два резервуара диаметром 33 м для хранения сжиженного газа. Расчетное напряжение в металле стенок этих резервуаров 25,2 кгс/мм2, коэффициент прочности сварных швов 0,9, фактическое напряжение в стенках 22,7 кгс/мм2.

По нормам разрешается уменьшение толщины листов по высоте резервуара. Новая концепция конструирования заключается в том, что для различных поясов резервуара предусматривается примене­ ние разных сортов сталей, отличающихся прочностью и характери­ зующихся необходимой ударной вязкостью. При этом стали для более низких поясов должны обладать большей прочностью. В ре­ зультате этого становится возможным применение более тонких сталь­ ных листов и сооружение резервуаров с одинаковой толщиной стен­ ки по всей высоте. При этом достигается экономия металла и сниже­ ние стоимости резервуаров.

В табл. 41 приведены прочностные характеристики некоторых металлов, предполагаемых к использованию при сооружении низко­

Ш

При проектировании низкотемпературных резервуаров целесо­ образно установить несколько пределов отрицательных температур и подбирать соответствующие сорта металлов. Первый диапазон изменения температур от 0 до —40° С. Основные газы с точкой кипе­ ния в этой зоне — бутан, аммиак. Второй диапазон температур от —40 до—50° С. Точку кипения в этой зоне имеют пропан, пропилен. В третий диапазон от —50 до —80° С попадает этан. При температу­ рах от —80 до —100° С может храниться этилен. Пятый предел коле­ бания температур от —100° С и ниже. Он включает в себя темпера­ туры, при которых хранятся сжиженные метан, кислород и азот.

Металлы, рекомендуемые для изготовления низкотемпературных резервуаров сжиженного газа

Теплоизоляция низкотемпературных резервуаров

Одним из основных вопросов эксплуатации низкотемпературных резервуаров является восполнение потерь от испарения за счет при­ тока тепла к сжиженному газу через ограждающие поверхности. Величина теплопритока определяется разностью температур храни­ мого продукта и окружающей среды, а также типом и толщиной теплоизоляции. Основное требование, предъявляемое к теплоизоля­ ции, — низкая теплопроводность. Другие требования сводятся к сле­ дующему: малая проницаемость водяных паров, сочетание теплоизо­ ляционных и механических свойств, стойкость к химическому воз­ действию, огнестойкость, легкость монтажа, надежность в эксплуа­ тации. Требования к эффективности теплоизоляции возрастают по мере понижения температуры хранения сжиженных газов, так как при этом, с одной стороны, увеличивается теплоприток через изоля­ цию или потери холода и, с другой стороны, резко возрастает стои­ мость потерь холода.

В настоящее время для теплоизоляции корпуса и перекрытия низкотемпературных резервуаров предложено много различных мате­ риалов и конструкций. Резервуары с двумя стенками обычно тепло­ изолируются перлитом, засыпанным в пространство между стен. Одностенный корпус резервуара теплоизолируется блоками пено­ стекла или непосредственным напылением пенополиуретана.

В табл. 42 приведены свойства и стоимость теплоизоляционных материалов, наиболее пригодных для низкотемпературных резер­ вуаров.

184

На рис. 88 даны зависимости коэффициентов линейной темпера­ турной деформации (КЛТД) теплоизоляционных материалов от тем­ пературы. Из рис. 88 видно, что с понижением температуры КЛТД

185

изоляцию, а потери от испарения уменьшаются, поэтому должна существовать определенная толщина теплоизоляции, при которой приведенные затраты будут минимальны. Эта толщина и будет оптимальной. Стоимость потерь от испарения сжиженного газа может быть представлена в виде

где ах — стоимость сжижения, руб./кг; а 2 — стоимость повторного сжижения, руб./кг; М — потери или интенсивность испарения сжи­ женного газа, кг/ч; т — время хранения, ч.

Интенсивность испарения сжиженного газа М может быть опре­ делена из уравнения теплового баланса

Л71

где ДГ = (71о— Т) — разность температур окружающей среды и сжи­ женного газа, К; г — скрытая теплота парообразования газа, ккал/кг; К п, Кдн и К х — коэффициенты теплопередачи через пе­ рекрытие, днище и смоченную стенку резервуара, ккал/(м2-ч-К); F0 — площадь перекрытия и площадь днища, м2; F х — площадь теплообмена вертикальной стенки резервуара, м2.

Коэффициент теплопередачи через ограждающие поверхности резервуара в общем виде

где х — толщина теплоизоляции перекрытия, стенки и днища; X — коэффициент теплопроводности теплоизоляции; А ( — термическое сопротивление ограждающей поверхности резервуара без термиче­ ского сопротивления слоя теплоизоляции.

Подставляя (4.43), (4.44) в (4.42), получим

где d — диаметр резервуара; А п, А дн — термическое сопротивление соответственно перекрытия и днища; h — высота столба жидкости.

Приведенные затраты на теплоизоляцию низкотемпературного

186