В арматуростроении используется большое число различных материалов: черные и цветные металлы и сплавы, пластмассы, набивочные и прокладочные материалы и т. д. Значительное влияние на свойства этих материалов оказывает технология изготовления деталей (литье, прокат, поковка, сварная конструкция, штамповка и т. д.), и это нужно учитывать при выборе материалов отдельных деталей трубопроводной арматуры. При определении применимости материала в определенных условиях необходимо учитывать весь комплекс его свойств, принимая во внимание планируемую долговечность конструкции. Из этого комплекса можно выделить основные свойства, которые являются решающими. Например, для деталей, работающих при высоких давлениях на химически нейтральных средах, основным свойством является прочность металла; для арматуры, работающей на агрессивных или коррозионных средах при низких давлениях, важнейшим свойством является коррозионная устойчивость материала в данной среде при соответствующей концентрации и температуре. Прочность металла в последнем случае не имеет решающего значения и во многих случаях при этих условиях применяются пластмассы, имеющие по сравнению с металлами значительно меньшую прочность, но высокую химическую стойкость. Для прокладочных и набивочных материалов решающими свойствами являются упругость и пластичность. Из материалов с одинаковыми свойствами выбирается более дешевый. Но в любом случае ценовая политика при выборе материала не должна оказывать отрицательное влияние на планируемое качество отдельных деталей и готового изделия. При выборе конструкционных металлов прежде всего исходят из их прочности и технологических свойств. Прочность металлов оценивается по результатам испытаний образцов на испытательных машинах, главным образом на разрывных. Основной характеристикой прочности хрупких материалов является предел прочности при разрыве σв, т. е. наибольшее напряжение, в кг/мм2, отнесенное к первоначальному поперечному сечению образца, которое он выдерживает при разрыве. Для пластичных материалов помимо предела прочности важное значение имеет (условный) предел текучести σт, т. е. напряжение, в кг/мм2, соответствующее остаточному относительному удлинению в 0,2%. Расчет деталей из пластичных материалов обычно производят с учетом предела текучести, так как в машинах, как правило, нельзя допускать значительных остаточных деформаций, которые могли бы вызвать нарушение работы. В связи с этим величина предела текучести при растяжении определяется напряжением, которое вызывает остаточное относительное удлинение в 0,2%. Во многих деталях арматуры такая величина деформации не вызывает опасений за качество работы изделия, и в ряде случаев можно было бы ориентироваться на предел текучести при остаточном относительном удлинении больше 0,2%, например в 0,5%, однако таких данных еще очень мало и при расчете арматуры используют значения предела текучести σт 0 2. Предел пропорциональности σп или наибольшее напряжение, до которого деформация изменяется пропорционально напряжению, используется в основном при расчете на продольную устойчивость. Модуль упругости при растяжении Е кг/мм2, характеризующий жесткость материала, его способность сопротивляться деформациям, входит в формулы во всех расчетах при определении деформаций растяжения, изгиба или сжатия (прогиб стенок деталей, дисков, тарелок и пр.). При определении деформации кручения (пружины) в формулы входит модуль сдвига G кг/мм2. Модуль упругости при растяжении представляет собой условное напряжение в материале, увеличивающее его длину вдвое. Модуль упругости при сдвиге для сталей при температуре t = 20° С обычно равен G ≈ 0,38Е. При растяжении образца из пластичной стали имеет место продольная и поперечная деформации сечения образца, которые характеризуют пластические свойства материала. Пластические свойства оцениваются по величине относительного удлинения при разрыве, величине относительного сужения и ударной вязкости. Относительное удлинение при разрыве δ определяется на образцах, имеющих соотношение длины к диаметру 10:1 — δ10 или 5:1 — δ5, выражается в процентах и представляет собой отношение увеличения длины образца при разрыве к его первоначальной длине. Относительное сужение ψ выражается в процентах и представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца при разрыве к первоначальной площади образца. Ударная вязкость материала ан кг-м/см2 характеризует способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам и определяется количеством энергии, затрачиваемой на излом единицы площади сечения образца. Величина ан вычисляется как частное от деления работы в кг-м, затраченной на излом образца, на площадь поперечного сечения образца в см2 в месте излома. Эта характеристика имеет большое значение также для оценки пластических свойств материала. При расчетах на прочность используется также коэффициент Пуассона — υ, который представляет собой отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной. Коэффициент Пуассона до предела пропорциональности имеет постоянное значение и равен: для стали υ = 0,25÷0,33, для чугуна υ = 0,23÷0,27, для бронзы υ = 0,32÷0,35, для латуни υ = 0,32÷0,42, для каучука υ = 0,47. При υ = 0,5 объем материала при деформации не изменяется, как это, например, происходит с резиной, при v < 0,5 растяжение вызывает увеличение объема материала, сжатие — уменьшение. С изменением температуры меняются и свойства материалов. С повышением температуры пластические свойства как правило повышаются, а прочностные характеристики понижаются; и наоборот, при понижении температуры ухудшаются пластические свойства, металлы и другие материалы становятся хрупкими, а прочностные характеристики становятся выше. При высоких температурах в арматуре часто одновременно действуют и высокие давления, вызывающие в деталях значительные напряжения. В этих условиях под действием высоких напряжений и температур в металле непрерывно протекают внутренние процессы, оказывающие существенное влияние на прочность металла и на перераспределение напряжений. При этом особое влияние на конструкцию оказывает явление ползучести, определяюшее медленную и непрерывную пластическую деформацию металла, которая происходит при постоянном напряжении. Под воздействием высокой температуры в металле одновременно происходят противоположные процессы: с одной стороны происходит упрочнение под воздействием протекающей под напряжением деформации, с другой стороны происходит разупрочнение под воздействием высоких температур. В различные периоды времени эти процессы дают различные результаты, в связи с чем весь процесс ползучести можно разбить на три периода. На рис. 1 показана характерная кривая ползучести. В первый период скорость деформации все время уменьшается и достигает определенной постоянной величины. Во втором периоде сохраняется установившаяся минимальная скорость ползучести. В третьем периоде скорость ползучести возрастает. Рисунок 1 – Кривая ползучести При расчете деталей необходимо обеспечить условия, чтобы в течение всего заданного срока службы изделия материал работал в пределах второго периода ползучести. В ряде случаев это условие является необходимым, но недостаточным, так как значительная деформация деталей, даже в пределах второго периода ползучести, может нарушить нормальную работу машины. В этих условиях задаются определенной скоростью ползучести, исходя из наибольшей допустимой величины деформации. При расчете деталей арматуры принимают такой предел ползучести σпл, который вызывает суммарную деформацию в 1% за 100 000 ч работы или 1-10-7 мм/мм ч. Характер графика и значения скоростей ползучести зависят как от свойств сталей, так и от действующей температуры. Скорость ползучести зависит и от напряжения (рис. 2). Рисунок 2 — Кривые ползучести при разных напряжениях (σ1 ˂ σ2 ˂ σ3 ˂ σ4 ˂ σ5) Скорость ползу чести металла в установившемся периоде ползучести, в зависимости от напряжения при постоянной температуре, может быть выражена эмпирической зависимостью σпл = А σn, где σпл — скорость равномерной ползучести; σ — напряжение в стали; А — коэффициент; п — показатель степени. Некоторые данные значений А и n можно взять из справочников по машиностроительным материалам. Указанные выше механические характеристики не исчерпывают всех свойств металлов. Эксплуатация деталей при высокой температуре показала, что при длительном воздействии высокой температуры и больших напряжений снижается прочность металлов. Большую опасность представляет возможность хрупкого разрушения стали, возникающая в результате длительного совместного действия высокой температуры и высоких напряжений. В зависимости от температуры и длительности ее воздействия на металл могут иметь место два вида разрушения сталей: внутрикристаллическое и межкристаллическое. При внутрикристаллическом разрушении происходят значительные деформации зерен. При межкристаллическом разрушении деформации зерен незначительны. В качестве величины, характеризующей длительную прочность материала, принимается предел длительной прочности σдл. Он представляет собой напряжение, которое при данных условиях длительного испытания на прочность приводит образец к разрушению. В арматуростроении, как и в энергетике вообще, принимается в качестве предела длительной прочности напряжение, выдерживаемое образцом в течение 100 000 ч, что обеспечивает непрерывную работу материала при этом напряжении в течение десяти лет и более. При температуре среды до 550° С предел ползучести обычно меньше предела длительной прочности. Для оценки условий работы деталей арматуры при высоких температурах необходимо учитывать и явление релаксации, тесно связанное с явлением ползучести. Релаксация – это самопроизвольное снижение напряжений в материале при неизменной величине начальной деформации. Результаты этого явления наиболее отчетливо проявляются, например, в болтах и шпильках фланцевых соединений, работающих при высоких температурах. В этих условиях упругая деформация металла от первоначального затяга переходит в пластическую, затяг болтов и шпилек самопроизвольно снижается и нарушается плотность соединения. Поэтому в таких соединениях возникает необходимость периодически подтягивать гайки. На рис. 3 схематически показана кривая релаксации. К сталям, работающим при высоких температурах, предъявляются определенные требования релаксационной стойкости, т. е. способности сохранять напряженное состояние. Релаксационную стойкость стали оценивают по скорости снижения напряжения со временем. Рисунок 3 – Кривая релаксации С течением времени в стали, даже находящейся при нормальной температуре, происходят структурные изменения, которые приводят к так называемому старению стали. Кратковременные нагревы до 200—300° С ускоряют этот процесс. В результате старения снижаются пластические свойства стали и в особенности ударная вязкость. Длительное пребывание стали в интервале температур 400—500° С может вызвать особый вид хрупкости стали, так называемую тепловую хрупкость. К тепловой хрупкости склонны стали, содержащие хром, марганец или никель; присадки молибдена, вольфрама и ванадия снижают склонность стали к тепловой хрупкости. Тепловая хрупкость стали может быть выявлена лишь испытанием на ударную вязкость. При возникновении тепловой хрупкости ударная вязкость снижается вдвое и более. Наиболее опасна тепловая хрупкость для деталей, имеющих острые выточки и резьбы, где создаются кон¬центрации напряжений, например в шпильках и болтах. Эти детали для работы при высоких температурах рекомендуется изготовлять из сталей, не содержащих никеля, так как низколегированные хромоникелевые стали имеют склонность к тепловой хрупкости. При работе некоторых деталей арматуры в струе пара или газа создаются условия для быстрого эрозионного износа. Для таких деталей важно обеспечить эрозионную стойкость материала. Очень сложные условия для работы арматуры создают коррозионные среды. Влияние коррозионного воздействия на металл, особенно от щелочей, не ограничивается уменьшением толщины стенки; коррозия, проникая в глубь металла, снижает его прочностные свойства. При длительном пребывании паровой арматуры при высоких температурах на поверхности стенок, соприкасающихся с паром, с течением времени образуется окалина. Интенсивность процесса образования окалины зависит от жаростойкости или окалиностойкости металла. С образованием окалины толщина стенок арматуры уменьшается; чтобы компенсировать утонение стенок, дается прибавка на толщину из расчета 0,07—0,17 мм/год, исходя из длительности работы арматуры от 10 до 20 лет. Под длительным действием высокой температуры происходит также графитизация стали, заключающаяся в том, что в металле выделяется свободный графит в виде сфероидальных зерен. Это приводит к ослаблению структуры металла и снижению его механических свойств. Сложные условия работы материала в трубопроводной арматуре требуют не только квалифицированного выбора марки материала, точного соблюдения технологии изготовления деталей, но и тщательного контроля свойств металла как при изготовлении арматуры, так и в процессе ее эксплуатации. Пластмассы как конструкционные материалы широко применяются в арматуростроении и имеют большие перспективы для использования их в особенности для арматуры химических производств. В связи с разнообразием методов изготовления пластмасс и свойств исходного материала свойства различных пластмасс сильно отличаются, а их механические характеристики имеют большое разнообразие. На свойства пластмасс большое влияние оказывает температура. Некоторые пластмассы, как, например, винипласт, могут быть использованы в относительно узком интервале температур — до 60° С или несколько выше. В различных пластмассах большое значение имеют специфические свойства, такие, как длительная прочность (винипласт), ползучесть (фторопласт), явление старения (полиэтилен) и др. Многие прочностные характеристики различных пластмасс еще достаточно тщательно не изучены, особенно свойства пластмасс при работе в условиях эксплуатации, и в настоящее время подвергаются дальнейшим исследованиям. Поэтому пока для пластмасс, как и для металлов, обычно используются такие характеристики, как предел прочности на растяжение, на сжатие, на изгиб, на кручение или сдвиг, предел текучести, модуль упругости, относительное удлинение и т. д. с учетом действующей температуры.
